钯膜反应器中反应吸附强化甲烷水蒸气重整制氢的研究

【摘要】在采用甲烷水蒸气重整制氢技术为质子交换膜燃料电池(PEMFC)提供所需氢气的研究中,如何提高制氢效率和降低氢气中的CO浓度以避免Pt电极中毒是一个重要课题。本文提出采用钯膜分离氢技术结合cO2反应吸附脱除强化甲烷水蒸气重整反应制氢技术(ReSER),研究H2和CO2原位分离的双重强化甲烷水蒸气重整制氢反应的实验方法与效果。首先,本文建立了分离H2与分离CO2双重强化条件下甲烷水蒸气重整制氢反应的热力学模型。运用MATLAB软件,模拟计算了反应压力、温度、水碳摩尔比、二氧化碳吸除率以及氢气透过率对重整反应的影响。研究结果表明：如果单独采用一种强化方式,分离H2比分离CO2更有利于提高甲烷转化率,但是出口气体中CO和CO2浓度会升高。只有同时采用吸附强化和膜分离的双重强化,才能够既提高甲烷转化率,降低CO的含量,又得到高纯氢气。其次,本文采用化学镀方法直接在多孔陶瓷管载体外表面制备钯复合膜作为透氢膜。利用SEM,XPS和透氢性能测试等分析手段,表征所制备钯复合膜的厚度、形貌结构及氢气的渗透能力。表征结果表明：在优选的制备条件下,钯复合膜表面连续完整,膜层厚约7.2μm。在600℃,总压1.3atm下,氢气渗透通量为0.015mol·m-2·S-1.本文建立了固定床钯膜反应器并进行反应吸附强化甲烷水蒸气重整制氢的研究。研究发现,采用双重强化方式,在反应温度为600℃,反应压力为1.3atm,水碳摩尔比为4条件下,甲烷转化率达到91%；当温度降低为550℃,甲烷转化率仍有82%,高于相同温度下传统甲烷水蒸气重整制氢反应理论平衡值64%。本文还研究了固定床钯膜反应器中反应产物的各个组分浓度随反应时间变化关系。在钯膜反应器中透过钯复合膜的氢气浓度最高达到98%,高于相同条件下ReSER制氢的氢气浓度92%；透过钯膜的一氧化碳浓度为1000ppm,低于相同条件下ReSER制氢的一氧化碳浓度1.5%。本文研究结果为膜反应器中ReSER制氢的进一步研究提供了理论和实验基础。
【作者】吴成；
【导师】吴素芳；
【作者基本信息】浙江大学，化学工程（专业学位），2013，硕士
【关键词】甲烷；氢气；重整制氢；膜分离；钯复合膜；膜反应器；

【参考文献】
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