反应机理分布对甲醇蒸汽重整制氢过程的影响

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1、反应机理分布对甲醇蒸汽重整制氢过程的影响第6卷第2期2007年6月热科学与技术JournalofThermalScienceandTechnologyVO1.6No.2Jun.2007文章编号:1671-8097(2OO7)O2一O172一O6反应机理分布对甲醇蒸汽重整制氢过程的影响王锋,崔文智,李隆键,辛明道,陈清华(重庆大学动力工程学院,重庆400044)摘要:为强化微通道中甲醇蒸汽重整过程,考察了反应机理分布对制氢的影响.利用计算流体力学软件FLUENT中的通用有限速率模型对该过程进行了数值研究.计算表明,在相同反应条件下,采用贵金属催化剂所对应的反应机理的甲醇转化率较高,但其

2、成本相应高.通过对催化表面上催化剂的分段布置,可以提高甲醇转化率,且在低温和高进口速度时更有效.在铜基和贵金属催化剂用量相等和温度453K,进口速度0.4m?sI1时甲醇转化率提高2.7.关键词:甲醇蒸汽重整;催化涂层;反应机理分布;过程强化中图分类号:TK16文献标识码:A0引言在三种重整方式中,甲醇蒸汽重整(MSR)制氢反应温度低,产物中H:含量高,CO含量低,成为解决质子交换膜燃料电池氢源的有效途径L1].但MSR是强吸热过程,反应过程常受传热传质的限制而表现为慢反应,动态响应慢,催化剂床层存在"冷点"等[2].因此针对MSR制氢过程的强化研究主要有以下几方面:一是从反应器人手

3、,通过减小反应通道尺寸,如将反应器从常规固定床改为微反应器以减小热质传输距离而达到强化传热传质的目的[3;一是从催化剂人手,通过对常规固定床反应器中催化剂颗粒的稀释[4],将颗粒催化剂制备成蛋壳型[,采用纳米颗粒催化剂[6]以及优化催化剂组成[¨0]来强化催化反应过程;另外,将加热方式改为微波直接加热[1地],光催化甲醇制氢D3-14],变化加热流体和反应流体流向[1,采用膜分离技术[1]等也是有效的强化手段;此外在反应器中分段装载不同的催化剂也是有效手段之一[1.在微通道反应器中,采用常规颗粒催化剂已不适合,因为高空速下催化剂颗粒的磨损和压降是一个严重的问题[1,在微反应通道中若采

4、用颗粒催化剂则可容纳的催化剂量更少,且颗粒催化剂的利用效率不高[5],因此制备涂层催化剂以适应微通道反应器中MSR制氢的研究[1.本文以反应器出口甲醇转化率为考察目标,通过对反应通道内MSR反应机理的不同分布代表催化涂层的不同布置来分析对MSR制氢过程的影响.1催化涂层机理分布的设计和实现微通道中催化层的制备是制约微通道技术在反应器中应用的一个重要因素.和常规反应器中催化剂不同,不能直接把催化剂颗粒填充在微反应通道中,这样会引起大的压降,且催化剂的利用效率不高D].为了充分利用微通道在化学反应中快速高效的优点,避免催化剂颗粒分布不均可能引起的反应器局部过热和反应物流动不均等现象,催化

5、剂颗粒须均匀,牢靠地附着于微通道壁上.可用于微通道表面的催化层成型技术有:物理气相沉积法,化学气相沉积法,喷涂法,复合镀,阳极氧化法,浸渍或沉淀法,溶胶凝胶法等.其中冷气体动力喷涂技术(CGDS)是基于空气动力学和气固两相流原理的喷涂和制造技术,有很多特殊的优点,特别是能够制备高性能的纳米结构涂层,块状纳米结构材料,可以方便地实现同一基板上不同种类催化涂层的制备[2o].对于不同的催化剂,MSR制氢反应的机理可能有所不同,为分收稿日期:2006—12—25;修回日期:2007—05—15.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50276073);重庆市自然科学基金资助项目(CSTC.2

6、006BB6221)作者简介:王锋(1977一),男,河北保定人,讲师,博士生,主要从事氢能源技术与应用研究.第2期王锋等:反应机理分布对甲醇蒸汽重整制氢过程的影响173析机理分布对MSR制氢过程的影响,沿微通道长度方向将催化表面分成12块,分别以up和down表示,i一1,2,3…,12,且每一块面积相等,见图1.这样可以对这12块催化表面进行组合,考察微通道壁面催化剂种类即反应机理分布对该过程的影响,反应通道总长L一12mm,每一段催化表面长1mm,高h一0.5mm._E=up1工up2工...工upt2重整油downldown2…￡downl2图1催化剂涂层分布设计Fig.1D

7、esignofcatalystcoatingdistribution丰田汽车公司的重整器即将催化剂分两级,入口段布置含贵金属与非贵金属氧化物催化剂为第一级,以非贵金属氧化物催化剂为第二级布置在出口侧,这样可增加氢气的产量[1,但其研究没有给出催化剂的分布量和优化结果,本文对此进行了考察.考虑Cu/ZnO/A1.O.铜基和Pd/ZnO铂基两类催化剂上的反应机理(分别记为J和J2)并定义了12种反应机理分布,见表1.且两种催化机理在反应通道上下壁面交错布置,如