吸热燃料在涂层管式反应器内的催化裂解研究

摘要

随着超音速及超高音速时代的到来，飞行过程中飞行器外表面及设备的热负荷越来越大，应用燃料作为冷却剂成为首选方案。在这种条件下，燃料的显热已不能满足需求，利用吸热燃料的化学裂解吸热势在必行。在本论文中，对模拟吸热燃料正十二烷和民用航空燃料RP-3在超临界条件下的涂层催化裂解反应进行了考察研究。并以涂层厚度、热沉、裂解率，及主要气相产物分布为主要评价指标。 本论文合成出一种陶瓷类粘合剂，通过与沸石分子筛按比例混合成悬浮液。可将分子筛催化剂负载于不锈钢表面。通过实验确定了适用于不同形态基体的涂层工艺及悬浮液配比，将沸石分子筛催化剂负载于不锈钢平板和Φ3不锈钢反应管内壁。采用X射线衍射，傅立叶红外光谱仪，和扫描电子显微镜对涂层催化剂进行了表征。表征结果显示，涂层催化剂的厚度为10～20 μm，催化剂的粒径为1～5 μm，制得的涂层催化剂有较好的活性和强度。 以正十二烷为模拟吸热燃料，考察了将H-ZSM5和HY涂敷于反应器内壁时的裂解性能。实验结果表明，涂层催化剂能显著提高吸热燃料的热沉。在600℃和625℃下与空管反应对比，使用HY涂层催化剂(质量分数25％)时，正十二烷的热沉分别增加815.7kJ/kg和902.0kJ/kg，同时裂解率分别提高了17.6％和12.8％，产氢率分别增加0.61％和1.38％。使用H-ZSM5涂层催化剂(质量分数30％)时，正十二烷的热沉分别比空管反应时增加564.2kJ/kg和942.9kJ/kg，同时裂解率分别提高了19.8％和25.6％，产氢率分别增加0.38％和1.77％。 考察了航空燃料RP-3的催化裂解情况。在催化剂存在下RP-3的热沉、气相产物质量分率都显著增加，最高化学热沉达到2100kJ/kg。通过与中科院力学所的合作实验结果显示，RP-3的催化裂解在反应温度达到750℃时，摩尔产氢率可达9.27％。 论文还对反应后的Φ3不锈钢管内壁的积炭情况做了定量研究，结果表明积炭主要生成在催化裂解段，而且积炭量的最大值基本上出现在温度最高点。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一章文献综述

1.1吸热燃料

1.1.1吸热燃料的产生及发展简介

1.1.2吸热燃料的评价指标

1.2吸热燃料的发展及存在的问题

1.3热裂解机理及研究现状

1.4催化裂解机理及研究现状

1.5涂层催化裂解的研究

1.6催化剂涂层用胶粘剂简介

1.6.1无机胶粘剂简介

1.6.2硅凝胶类粘合剂作用机理及合成方法

1.7本课题研究的内容及意义

第二章实验装置与测试条件

2.1涂层催化剂所用试剂及催化剂

2.1.1涂层催化剂所用药品及设备

2.1.2催化剂规格及性能

2.2超临界催化裂解反应实验装置

2.2.1超临界催化裂解反应实验装置

2.2.2超临界催化裂解反应参数的确定

2.3超临界催化裂解反应装置操作方法及温度分布

2.3.1超临界催化裂解反应实验步骤

2.3.2反应管温度分布

2.4裂解反应的分析方法及表征手段

2.4.1催化裂解产物的分析方法

2.4.2热沉的测量

2.5积炭的测量

2.5.1积炭分析实验步骤

2.5.2积炭分析数据处理

第三章涂层催化剂的制备与表征

3.1涂层方法简介

3.2粘合剂的制备方法

3.3不锈钢片表面涂层催化剂步骤

3.4不锈钢管内壁涂层催化剂方法

3.5不同形态的载体表面试验悬浮效果

3.6涂层催化剂固化前后的质量百分比计算方法

3.7涂层表征

3.7.1涂层催化剂的厚度及表面形态SEM图

3.7.2涂层催化剂的能谱分析图

3.7.3涂层催化剂的XRD表征

3.7.4涂层催化剂的红外表征

3.8涂层载体表面负载贵金属的方法及表征

3.8.1涂层催化剂上贵金属的负载方法

3.8.2涂层催化剂负载贵金属的XPS表征

3.9小结

第四章正十二烷超临界条件下涂层催化裂解研究

4.1 正十二烷的分子结构

4.2涂层催化裂解反应分析

4.2.1催化裂解反应热沉

4.2.2涂层催化剂对于裂解率的影响

4.2.3催化裂解气相产物中组成分布

4.2.4裂解气中氢气含量

4.2.5反应温度及催化剂负载量对气相产物分布的影响

4.2.6裂解液相产物分析

4.3裂解过程积炭结果

4.3.1管内积炭量与温度的关系

4.3.2不同催化剂及负载量的反应后积炭对比

4.4小结

第五章RP-3超临界条件涂层催化裂解研究

5.1 RP-3介绍

5.2反应条件介绍

5.3不同涂层浓度下RP-3与正十二烷的化学热沉对比

5.4催化剂负载量对RP-3产氢率的影响

5.5中科院力学所试验气相产物分析

5.6小结

第六章结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢