空速对平板微反应器内甲烷水蒸气重整的影响

采用计算流体力学软件FLUENT中的通用有限速率模型,应用表面反应动力学机理,对平板微反应器中Ni/r-Al2O3催化剂涂层上甲烷蒸气重整制合成气进行了二维的数值分析计算,分析了催化空速(CSV)和体积空速(GSV)对甲烷蒸气重整性能的影响.在计算过程中,忽略了甲烷的空间反应的影响,只考虑催化表面上的反应.计算结果表明,较小的催化空速和体积空速能够获得较高的甲烷转化率和氢气产量;除催化空速和体积空速外,反应通道高度对重整性能也是一个重要的影响因素.     

甲烷自热重整制氢催化剂

采用固定床微反应器装置,考察了添加稀土金属(La,Ce)和过渡金属(Zr,Cu)助剂及助剂添加量对甲烷自热重整制氢反应的影响.结果表明:添加稀土金属Ce和过渡金属Zr对Ni基催化剂反应性能有较大的提高;将Ce,Zr按不同的质量比添加到Ni基催化剂中,催化剂性能有很大的改变;Ni/Zr10Ce20A l70Oδ催化剂与Ni/Zr20A l80Oδ、Ni/Ce30A l70Oδ催化剂相比,氢气收率有一定的提高;在Ni/Zr10Ce20A l70Oδ中添加助剂Cu得到的Ni/Cu3Zr10Ce20A l67Oδ具有最好的催化性能,750℃时,CH4转化率达到100%,H2收率为72.9%,且H2的选择性达到100%.     

甲醇重整制氢微反应器的研究进展

微反应器是利用精密加工技术制造出的通道特征尺寸在1～1000μm之间的微型反应器.由于拥有微小的通道尺寸和极大的比表面积,微反应器具有优异的传热传质能力和很好的防爆安全性,可以实现物料的瞬间均匀混合、高效的热能传导以及反应参数的精确控制,近年来在甲醇重整制氢反应等领域中应用前景广阔.本文首先介绍甲醇重整制氢微反应器的系...     

弯管型微反应器内甲烷水蒸气重整制氢特性

为提高碳氢燃料的高效清洁利用,采用详细反应机理对弯管型微反应器内甲烷水蒸气催化重整制氢特性进行数值模拟,研究了速度、催化壁面温度、水碳(质量)比、隔板等因素对甲烷水蒸气催化重整反应特性的影响。结果表明,增加速度可降低甲烷重整反应;当温度T≤1 200 K时,可通过增加温度来提高甲烷的转化和氢气的生成,当T＞1 200 K以后,增加温度对甲烷重整反应起抑制作用;增加水碳比可提高甲烷转化率,却降低出口氢气质量分数。温度T=1 200 K、速度v=0.5 m/s、水碳(质量)比β=2时有利于甲烷重整反应的发生。     

二甲醚自热重整制氢过程的热力学分析

对二甲醚自热重整制氢体系进行了热力学计算和分析,探讨了反应体系的理论最大能效以及达到热力学平衡时产物等的变化情况,分析了水醚摩尔比、氧醚摩尔比、反应温度等因素对体系平衡组成的影响.分析发现,固定水醚摩尔比时,二甲醚自热重整理论完全反应可在某一氧醚摩尔比下达到自热平衡点,此时反应能量效率最高;重整反应在水醚摩尔比为2.0～4.0、氧醚摩尔比为0.4～0.5以及温度为150～350℃的条件下,产物中氢气摩尔分数高于50%,氢气产率高于80%,产物中一氧化碳摩尔分数低于5%,反应理论最大能效高于85%.     

空间反应和入口速度对甲烷催化反应的影响

为研究微尺度催化燃烧的规律,联合使用计算流体力学软件FLUENT和计算表面催化反应的化学反应动力学软件DETCHEM对微型直通道中甲烷/空气预混气体在镀Pt热表面上的催化燃烧进行了数值模拟。假定燃料混气入口当量比为0.4和1.0,入口速度为0.08～0.64m.s-1。计算结果表明:在微尺度条件下,空间反应对表面催化反应的影响可以忽略,表面催化反应对空间反应有一定的抑制作用;混气入口速度的提高会抑制表面催化反应,但如果相应增加催化剂量,提高混气入口速度将促进表面催化反应。     

微反应器中甲醇-水蒸气重整制氢三维模拟

为考察进口温度、速度和水醇比对微反应器中甲醇-水蒸气重整制氢过程的影响,利用计算流体力学软件FLUENT中的通用有限速率模型对自行设计的平板微通道反应器中甲醇-水蒸气重整制氢进行了三维数值模拟.反应动力学采用甲醇分解和蒸气重整双速率幂函数模型.计算表明,在反应物进口速度为2.88 m/s、进口温度为493 K和水醇比为1.3的反应条件下,反应器出口转化率达79.8%.通过模拟可以看出微反应器能够在较大的反应物流量下保持较高的出口氢气含量和较高的甲醇转化率.     

平板微反应器内甲烷－湿空气催化重整的数值分析研究

建立了二维稳态多组分传输反应的模型,对平板微反应器中Rh催化剂涂层上甲烷-干、湿空气催化重整制合成气进行了数值计算,并分析了采用湿空气时反应通道长度和高度对重整性能的影响.结果表明:进口速度低于2 m/s时,采用湿空气可提高甲烷转化率和产氢率,反应器出口的温度降低以及减少积碳的发生;采用湿空气时,反应通道长度增大,甲烷的转化率提高,出口氢气含量增大,出口温度相应地降低;反应通道高度增大,甲烷的转化率降低,出口氢气的含量减少,出口温度升高.     

微通道反应器内CO的选择性甲烷化净化

为了有效去除富氢重整气体中少量的CO,将4Ni-2Ru/ZrO_2双金属催化剂均匀涂布到微通道反应器中,运用CO选择性甲烷化方法来净化CO.考察了焙烧温度、催化剂的涂布方法、CTAB/Zr摩尔比和空速对催化剂性能的影响.实验结果表明:CTAB/Zr的摩尔比为0.35、空速为14286h~(-1)、每次涂布催化剂浆液后350℃下焙烧时,所制备的催化剂表现出良好的低温活性,反应温度为260℃时可将CO的出口含量降低到0.0013%(体积分数);CTAB/Zr摩尔比为0.35、每次涂布浆液后350℃下焙烧的催化剂,适宜的空速范围为13000～20000h~(-1).     

恒壁温下矩形微通道层流热入口段的换热特性研究

热入口段对于微通道的换热有重要影响,而雷诺数Re对层流入口段的换热影响经常被忽略.据此,采用Fluent软件计算了恒壁温热边界条件下矩形微通道的换热性能,分析比较了不同Re数和不同宽高比对努谢尔数Nu的影响.结果表明:在入口区域,Re数对局部Nu数的影响不能忽略,当Re数小于125时,局部Nu数变化尤为明显;在充分发展后,Re数对Nu数的影响消失;矩形通道宽高比对局部Nu数的影响沿流动方向逐渐增大,在充分发展时达到最大值.此外计算了各工况下矩形通道的无量纲热入口段长度,发现在宽高比为3附近时,无量纲热入口段长度出现了最大值,该结果对微通道散热器优化设计具有一定的指导意义.     

红外CH4检测仪

基于朗伯-比尔吸收定律,设计具有新型光路和电路结构的便携式红外CH4气体检测仪.该仪器具有智能化、低功耗和低成本等特点,可以应用于矿山、冶金、化工、石油、机械等工业和环境保护中.     

CO_2/CH_4在干酪根中竞争吸附规律的分子模拟

选取有机质作为研究对象,构建干酪根模型,采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法和分子动力学方法(MD)研究不同摩尔分数、不同压力下CH_4和CO_2的气体的竞争吸附行为以及吸附引起的干酪根本体形变。结果表明:CH_4和CO_2单组分吸附时吸附量随着压力的增大而增大,CO_2吸附会在较小的压力时达到饱和,两种气体吸附符合Langmuir吸附规律,可以使用Langmuir方程进行拟合;在相同的压力和温度下,CO_2/CH_4吸附选择性会随着CO_2摩尔分数的增大而减小,CO_2更易被干酪根吸附;干酪根与CO_2有较强的相互作用,干酪根中不同的原子对吸附起着不同的作用;低压阶段吸附是引起体积应变的主要原因,高压阶段压力对体积应变发挥明显作用。     

温度对超临界CO_2置换CH_4的影响

为研究超临界CO_2置换CH_4过程中温度对置换效果的影响,以屯留煤样为研究对象,借助ISO-300型等温吸附仪对煤样进行了不同温度(35、45、55℃)、相同注入压力(12.7 MPa)条件下的CO_2置换解吸CH_4试验。研究结果表明:置换解吸过程中,超临界CO_2吸附相体积分数随着温度升高而增加,随压力降低而增大,CH_4吸附相体积分数呈相反变化趋势;超临界状态下,试验直接测得的气体吸附量为Gibbs吸附量,气体真实吸附量与压力之间符合Langmuir吸附曲线,且与Gibbs吸附量的差值随压力的升高而增大;试验压降范围内,温度为35℃条件时,CH_4气体单位压降解吸率最高,显示出温度接近临界温度时,超临界CO_2置换效果最佳。     

高温高压下N2和CO2对CH4/C2H6/C3H8混合气抑爆效果研究

油田伴生气经常会发生燃爆事故,为提升采油过程的安全性,需研究N₂与CO₂在井筒高温高压条件下的抑爆效果. 目前对于高温高压条件下固定可燃气体积分数,不同体积分数N₂和CO₂对爆炸特性影响的研究较少. 对40 °C,初始压力0.5、1.0、2.0 MPa,不同N₂和CO₂体积分数下CH₄/C₂H₆/C₃H₈混合气到达最大爆炸超压的时间、最大爆炸超压和爆燃指数K_G进行了相关研究,分析了不同初始压力和2种惰性气体对爆炸特性参数的影响. 试验结果表明:不同初始压力下N₂和CO₂各自的惰化机理相同;CO₂的惰化效果优于N₂且存在最优点,该点之前CO₂的惰化效果与N₂相比优势逐渐增强,由化学作用占主导地位,该点之后化学作用已达到最大效果,因此CO₂的惰化效果虽仍强于N₂,优势却逐渐减小.      

基于静态干涉系统的井下甲烷浓度实时监测系统的研究

为了保证井下工作安全,设计了一种CH4实时在线监测系统。在分析了CH4气体特征吸收光谱的基础上,系统采用静态傅里叶变换干涉具及柱面镜等组成。通过线阵CCD采集静态干涉条纹,由光谱分析算法求出各个波长上的光强衰减度,最后通过比尔-朗伯定理、浓度程长积公式等反演CH4气体的浓度。仿真计算了光源光强、出射光强与瓦斯浓度的函数关系,验证了采用5 m W的DFB激光器,可以保证变化区域基本线性。系统采用分子筛过滤处理的方法,克服了目前光谱检测系统无法在井下复杂环境应用的难题。实验显示,在5 cm的气室中,经分子筛过滤保护的光谱探测系统可以在潮湿、粉尘的环境中稳定工作。采用傅里叶变换光谱分析法求解CH4浓度时,最小探测精度可达0.01%。     

非均匀电场中电子在H2/CH4混合气体中运动的数值模拟

用Monte Carlo数值模拟方法研究了辉光等离子体辅助化学气相沉积法(GPCVD)低温合成金刚石的过程中,电子在H2/CH4混合气体中的运动.本文在数值模拟中,采用非匀强电场,并考虑了电子的雪崩过程,实现了对须跟踪的粒子数不断增长的系统的Monte Carlo模拟,给出了电子的能量分布及角分布.     

Nd1-xZnxFeO3纳米材料的甲烷气体气敏性研究

采用Sol-gel法制备出Nd_1-xZn_xFeO₃（x=0, 0.04, 0.08, 0.2）粉体. XRD图谱表明Nd_1-xZn_xFeO₃粉体为正交钙钛矿结构，产物为纳米级颗粒(16～17.5nm)，平均粒径随x的增大有所减小. 用Nd_1-xZn_xFeO₃纳米粉体制成气敏元件，测试了材料对甲烷气体的气敏特性. 测试结果表明Zn的适量掺入可提高对甲烷的灵敏度. 其中以Nd_0.92Zn_0.08FeO₃对甲烷的灵敏度最大，在最佳工作温度200℃下对4×10^-6mol/L的甲烷气体灵敏度最大值为3.87，对2×10^-5mol/L的甲烷气体中灵敏度最大值为16. Nd_0.92Zn_0.08FeO₃还表现出了极好的响应恢复时间特性，工作温度200℃时对2×10^-5mol/L的甲烷响应、恢复时间分别为25s和45s.     

MILD燃烧条件下掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响

采用二维轴对称的仿真方法对JHC实验中的第二级MILD燃烧进行数值模拟,研究了燃料体积流量不变时,掺氢比对甲烷-氢气湍流扩散火焰的影响规律.结果表明:随着掺氢比增加,燃料与氧化剂的混合程度逐渐提高,混合气体的总流速及其径向分量不断减小,火焰锋面逐渐向氧化剂侧倾斜,OH自由基的最大质量分数呈现出先上升后下降的趋势;在燃烧温度方面,虽然MILD燃烧主要放热反应区域内的燃烧温度随掺氢比的增加不断增大,但当掺氢比大于20%时,掺氢比的进一步提高对最高燃烧温度影响很小.     

基于吸附势理论的页岩对甲烷吸附特性

 页岩气藏的甲烷吸附性能是页岩气藏开发的前提和基础,对页岩气资源预测、产能评价等有重要影响。根据不同温度下实测的页岩等温吸附数据,以吸附势理论为基础,对等温吸附数据进行处理分析得到ε-ω吸附特性曲线及其数学表达式。研究结果表明,页岩吸附甲烷的ε-ω吸附特性曲线是唯一的且与温度无关,可预测不同温度下甲烷吸附量,得到页岩吸附甲烷的吸附等温线;吸附相密度计算对ε-ω吸附特性曲线预测甲烷吸附量有重要的影响,吸附相密度经验公式与预测甲烷吸附量准确度有关,需进一步研究甲烷吸附相密度计算方法。     

细水雾抑制小尺度甲烷/空气火焰的研究

利用三维激光粒子动态分析仪(LDV/APV系统)测量距离同轴流动燃烧装置Cup Burner出口不同位置的细水雾雾场特性(雾滴速度、雾滴粒径),利用Cup Burner系统地研究了细水雾抑制小尺度CH₄/空气顺流非预混火焰,考察细水雾的粒径和雾滴质量分数对CH₄/空气顺流非预混火焰结构的影响. 研究结果表明粒径为10～100 μm的细水雾能有效地抑制CH₄/空气顺流非预混火焰,随着细水雾粒径减小或空气流中雾滴质量分数的增加,细水雾抑制熄灭CH₄/空气顺流非预混火焰的能力增强. 细水雾抑制熄灭CH₄/空气顺流非预混火焰的机理主要是气相吸热冷却和稀释氧气,在CH₄/空气顺流非预混火焰的根部,气相吸热冷却起主导作用,而在火焰的上部稀释氧气起主导作用.