分形樹狀通道反應器內甲醇水蒸汽重整反應輸運特性的研究.pdf

1、甲醇水蒸汽重整制氫(metahnol steam reforming，MSR)具有反應溫度低、產物氫氣含量高而CO含量低等優(yōu)點，是小型移動電子裝置中的質子交換膜燃料電池(ProtonExchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的理想氫源。開發(fā)新型高效的甲醇水蒸汽重整微反應器已成為微小型移動電源需要解決的關鍵技術問題。與傳統通道結構（如平行通道、蛇形通道等）相比，樹狀結構通道具有不斷重復的分叉結構，由于尺度效應和分

2、叉效應，有效強化反應器內的熱質輸運過程，使得反應性能得到顯著提升。因此開展樹狀通道微反應器內的反應輸運過程研究，深入揭示甲醇水蒸汽重整制氫的熱質輸運特性與反應動力學行為，具有重要的學術價值和應用前景。本研究主要內容包括：
　?、砰_展了對圓盤形樹狀通道微反應器內甲醇水蒸汽重整制氫過程的理論建模和數值模擬，分析了分叉級數、水醇比以及入口速度對反應性能的影響。研究結果表明，與具有相同流道體積的平行通道微反應器相比，相同入口流速條件下樹狀

3、通道微反應器的甲醇轉化率比平行通道微反應器提高約10％;樹狀通道反應器出口處的產氫率與CO濃度均高于平行通道反應器;在樹狀通道微反應器中，隨著分叉級數的增加，樹狀通道的面積體積比增大，延長了反應物與催化劑的接觸時間，有利于提高微反應器性能。
　?、苹贚angmuir-Hinshelwood(LH)動力學模型，開展了通道微反應器內甲醇水蒸汽重整制氫反應的動力學行為的理論研究，分析了不同工況參數對反應器反應性能的影響規(guī)律。研究結果表

4、明，由于反應混合物的分叉流動導致速度邊界層與組分邊界層的重新形成，使得位于上層通道中央的甲醇在下一層次通道中流向了壁面并且與催化劑層保持接觸，進而提高了樹狀通道內的甲醇水蒸汽重整制氫性能;分形樹狀通道的品質因數高于蛇形通道，因此樹狀通道結構是設計甲醇水蒸汽重整反應器通道的優(yōu)選方案;提升溫度加快了重整反應與逆水汽變換反應的反應速率;提高壓力能夠增加反應物分子之間發(fā)生有效碰撞的概率，提高了重整反應的反應速率;增加催化劑涂層的厚度能夠為甲醇水

5、蒸汽重整制氫反應提供更多的活性位點，有利于提高反應速率，增加甲醇轉化率;分叉角度對樹狀通道內甲醇水蒸汽重整反應性能的影響有限。
　?、茄兄屏朔中螛錉罴状妓羝卣茪浞磻鳎O計搭建了分形樹狀通道反應器內甲醇水蒸汽重整制氫實驗臺，對反應器內甲醇水蒸汽重整反應進行了實驗研究，獲得了不同工況參數對反應器反應性能的影響規(guī)律。研究結果表明:升高反應溫度能夠提高甲醇轉化率，但反應產物干氣中H2含量有所減少而CO含量增加;提高水醇比能夠提高甲

6、醇水蒸汽重整反應的甲醇轉化率、產氫率和產物干氣中H2含量，降低CO含量;增加進液量減少了反應物在反應器中的停留時間，導致了甲醇轉化率和產氫率降低，但當流速較低時(1～3 mL/h)，甲醇水蒸汽重整制氫性能的受流速影響作用不明顯，但在高流速情況下(＞3mL/h)，甲醇水蒸汽反應性能受流速影響明顯。隨著流速增加，產物干氣中CO含量先有略微上升而后開始下降。在反應溫度270℃、流速2mL/h情況下，最佳水醇比范圍在1～1.2之間;與蛇形通道反

7、應器和平行通道反應器相比，樹狀通道反應器的甲醇轉化率最高，因而樹狀通道結構是重整制氫反應器的優(yōu)選方案。
　　⑷運用密度泛函理論方法，開展了催化劑Cu(111)、Pd(111)和PdZn(111)表面甲醇分子的吸附以及第一步脫氫反應機理研究，探討了導致不同斷鍵位置的原因。研究結果表明:在Cu(111)和PdZn(111)表面，由于較低的活化能壘及反應能，甲醇分子優(yōu)先脫除羥基氫，形成甲氧基。在Pd(111)表面，較低的反應能使得甲醇分