甲烷蒸汽重整反应动力学研究
内燃机内甲烷水蒸气重整特性分析
内燃机内甲烷水蒸气重整特性分析高华光;龚希武【摘要】为了较为系统地认识甲烷水蒸气重整反应对内燃机性能的影响。
应用HSC 5．1软件对甲烷水蒸气重整反应在不同反应温度和水碳比的工况下进行分析，然后应用Chemkin‐pro程序，计算了在相同供热量下甲烷水蒸气重整气在不同物质的量比下比C H4的燃C H4消耗降低率。
结果表明，提高反应温度和水碳比可提高C H4的转化率；当温度为700℃、水碳比为3时，发热量提高了13．58％，在供热相同情况下，燃C H4消耗量可减少11．96％，C H4的转化率越高，循环效率越高；重整气效率比纯天然气高，随着物质的量比降低，重整气优势降低。
%To obtain a better view on the effect of steam reforming of methane (SRM ) reaction on performance of internal combustion (IC) engine ,by using HSC 5 .1 software ,SRM was analyzed at different temperature and steam/methane molar ratios .Then ,by using Chemkin‐pro software ,fuel consumption reduced rate of methane was calculated in synthesis gas of SRM and methane at different equivalence ratios .The results show that the increase of temperature and steam/methane molar ratios will increase conversion rate of methane .When the temperature is 700 ℃ andsteam/methane molar ratio is 3 under the same heating conditions ,heat value will increase 13 .58% ,fuel consumption will decrease 11 .96% ,and cycle efficiency of IC engine will increase with the increase of conversion rate of methane .Efficiency of synthesis gas of SRM is higher than pure methane ,unfortunately ,decreases with the decrease of the equivalentratio .【期刊名称】《石油与天然气化工》【年(卷),期】2016(000)001【总页数】6页(P46-51)【关键词】化学回热循环;甲烷水蒸气重整;内燃机;HSC5.1;Chemkin【作者】高华光;龚希武【作者单位】浙江海洋学院船舶与海洋工程学院;浙江海洋学院船舶与海洋工程学院【正文语种】中文【中图分类】TE624化学回热循环燃气轮机(Chemically Recuperated Gas Turbine，CRGT)和液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是船舶主动力装置应对能源危机和环境污染的有效手段和替代燃料[1-3]。
甲烷水蒸气的重整反应
甲烷水蒸气的重整反应
甲烷水蒸气重整反应是一种重要的化学反应，通常用于生产氢气。
该反应的化学方程式如下所示：
CH4 + H2O → CO + 3H2。
在这个反应中，甲烷（CH4）和水蒸气（H2O）在催化剂的作用下发生重整反应，生成一氧化碳（CO）和氢气（H2）。
这是一个热力学上的放热反应，需要适当的温度和压力条件来实现。
重整反应通常在催化剂的存在下进行，常用的催化剂包括镍、铑、铑镍合金等。
这些催化剂能够降低反应的活化能，促进反应的进行。
此外，反应条件的控制也对反应的进行起着重要作用，通常需要高温和适当的压力来实现较高的反应产率。
甲烷水蒸气重整反应是一种重要的工业反应，用于生产氢气，氢气广泛应用于氢能源、化工和石油加工等领域。
通过对该反应的研究和优化，可以提高氢气的产率和纯度，为相关领域的发展提供重要的支持。
总的来说，甲烷水蒸气重整反应是一种重要的化学反应，通过合适的催化剂和反应条件，可以高效地生产氢气，具有重要的工业应用和研究价值。
甲烷水蒸气重整制氢反应及其影响因素的数值分析
摘要 ：本 文通过建立 包含动量 、能量 、质 量以及化 学反应 的多物理 场耦 合数值模型 ，以多孔介质模 型表征催化 剂层 ，对 工业转化 炉管中的 甲烷水 蒸气重整制氢 过程 进行 了详 细分析 。计算得 到了转化 炉管 内甲烷重整过程反 应物及产 物气体 的速度 、温度及浓度 场分布 ，以此分析 了甲烷 重整 制氢过程 的反应 特性 ，并 阐明 了转化 炉管 的
（ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄＰ ｏ ｗｅ ｒ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｅａ ｓ ｔ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＵｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆＳ ｙ， Ｓ ｈ ｎｇ ａ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ２ ３ ７ ，
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蒸汽甲烷重整、煤气化和电解水。
蒸汽甲烷重整、煤气化和电解水是现代能源技术领域的重要研究课题，它们在能源生产和利用方面具有重要的意义。
本文将从这三个方面进行介绍和分析。
Ⅰ 蒸汽甲烷重整1.1 蒸汽甲烷重整的定义蒸汽甲烷重整是一种利用水蒸气和甲烷进行化学反应产生氢气和二氧化碳的过程。
这是一种重要的氢气生产技术，也是清洁能源生产的关键环节之一。
1.2 蒸汽甲烷重整的原理通过高温下将甲烷与水蒸气进行反应，生成氢气和二氧化碳。
1.3 蒸汽甲烷重整的应用在石油化工、化肥和氢能源等领域有着广泛的应用。
1.4 蒸汽甲烷重整的发展前景随着清洁能源的发展，蒸汽甲烷重整技术将得到更广泛的应用，成为未来氢能源产业的重要支撑技术。
Ⅱ 煤气化2.1 煤气化的概念煤气化是指将固体煤转化为可燃气体的化学过程。
通过高温和压力下对煤进行化学反应，产生一种混合气体，其主要成分是一氧化碳、氢气和甲烷。
2.2 煤气化的原理利用煤的碳、氢等元素与氧气或水蒸气进行反应，生成可用于燃烧或化工生产的气态产物。
2.3 煤气化的应用煤气化技术被应用于煤炭化工、城市煤气生产、合成天然气等领域。
2.4 煤气化的挑战与发展煤气化技术在高效利用煤炭资源、减少污染排放方面具有重要意义，但也面临着技术成本高、环保压力大等挑战。
Ⅲ 电解水3.1 电解水的概念电解水是指经过电解过程产生氢气和氧气的化学反应，是一种大规模生产氢气的方法之一。
3.2 电解水的原理利用电流通过水溶液产生氢气和氧气的反应过程。
3.3 电解水的应用电解水技术被广泛应用于氢能源生产、电池制造等领域。
3.4 电解水的发展趋势随着氢能源的发展，电解水技术将得到更广泛的应用，并成为清洁能源生产的重要途径之一。
蒸汽甲烷重整、煤气化和电解水作为现代能源技术领域的重要研究课题，具有着重要的意义。
随着清洁能源的发展和氢能源产业的崛起，这三种技术将得到更广泛的应用，并在能源生产和利用方面发挥重要作用。
这些技术也面临着技术成本、环保压力等方面的挑战，需要不断加强研究和创新，推动其发展壮大。
甲烷干重整研究进展
组装 和扩 大 规模 的新 型反应 器 ， 在低 额 定 功率 时 其 的反 应 物 转 化 率 比前 一 种 反 应 器 显 著 提 高 。Ａ Ｍ Ｇ ｏｂ ｎａ ｅ ｈｒａ ｚｄ ｈ等 研 究 得 出 ： 冲冷 等 离 子 体 可 促 脉 使分 子快 速 解离 达 到饱 和 ，激 发 分子 反 应 的进行 ，
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的转 化率 和有 效 的抑 制积 炭 。ＷａｇＱ 等 对介 质 ｎ ｉ 固
阻挡 放 电 甲烷 干重 整 的研 究 发 现 ： 大 Ｃ 增 ０ 在原 料
甲烷 干 重 整 因具 有 如下 的优 点 而 受 到 越 来 越
多 的关 注 ：１ 甲烷 和 Ｃ （） Ｏ 原料 来 源广 泛 ， 全球 大 如 力 发 展 可再 生 的生 物 天然 气 （ 沼气 ） 约 ６ ％ 甲烷 含 ０
和 自热 重 整 等 。其 中 甲烷 湿 重 整 是 传 统 的 制 氢 方
第 ６期
赵
健等 ： 甲烷 干重 整研 究进展
５ ３
甲烷千重整研究进展
赵 健 ， 周 伟 ， 吉辉 ， 建 新 汪 马
（． １华东 理工 大学资 源 与环境 工程 学 院， 海 ２ ０ ３ ； 上 ０ ２７ ２同济大 学新 能源 汽 车工程 中心， ． 上海 ２ １ ０ ； ． 大学 汽车学 院， ０ ８ ４ ３同济 上海 ２ １０ ） ０ ８ ４
体 、 剂 、 备 方法 、 作 参数 、 应 机 理 及 积炭 等 方 面 开 展 的 研 究 工作 及 新 的等 离 子 体 干 重 整技 术 研 究 取 得 的 进 展 。 助 制 操 反 关键词 ： 甲烷 ； 重 整 ； 合 成 气 ； 究 进 展 ； 化 剂 ； 离 子 体 ； 干 制 研 催 料气 Ｃ ４ Ｃ ｚ 将 Ｈ 和 Ｏ 同时通 人放 电 区域 和等离 子 体射 流 区域 ， 大 提 高 了工艺 的处 大
浅谈催化重整的化学反应机理
浅谈催化重整的化学反应机理催化重整是一种制备高质量汽油和柴油的重要过程。
它是利用催化剂对烃类分子进行裂解和重组，形成碳数更高、分子结构更平稳的分子，以提高燃料的辛烷值和抗爆性能。
本文将会讨论催化重整反应机理及其化学过程。
CnHm+ nH2O → (n+m/2)H2 + nCO其中CnHm代表异构体或同分异构体。
这些反应的起始物质包括饱和或不饱和烷烃、环烷烃、芳香烃和气体。
催化重整的主要原理是将碳数较低的烃类分子转化为碳数较高的烃类分子，并降低芳香烃含量和环烷烃含量。
催化重整反应机理涉及三个主要步骤：1. 裂解反应这是一个拆分较大分子的过程，分子内键断裂，产生小分子碳氢化合物和自由基。
在催化重整反应中，烃类和蒸汽从反应器的进料中获得能量，使分子达到裂解所需的能量，然后通过催化剂表面的活性中心，裂解成碳数更低的烃类分子，如甲烷，乙烷，乙烯，丙烷和丙烯等，同时生成一些自由基，如H，OH，CO，C2H5。
这些自由基参与了后续的重组反应。
裂解反应的主要目的是将高分子量的烃类分子分解为较小的分子，以为后续重组反应提供原料。
2. 重组反应在裂解反应以后，多种小分子烃类分子在催化剂表面重新组装成更高分子量的烃类。
通常，一些烷烃与蒸汽重组成更高级别的烷烃，一些氢及其自由基与烯烃和芳烃结合形成烷烃，而一些甲基自由基与芳烃结合形成环烷烃。
重组反应过后形成了更高分子量、更稳定的分子。
3. 转移反应转移反应是指烃类中的某些部分被割裂并传递给其他分子，从而形成长链烃。
而其他一些原子在这个过程中被割裂和释放。
该反应的机理是芳香烃与甲基自由基的反应，分子中的氢离子被气体中的氢雾化，生成甲基芳香烃和 H2。
总的来说，催化重整反应机理的实质就是碳氢化合物的裂解、重排和重组等过程。
通过优化反应条件和催化剂配方，可以获得较高的转化率和选择性，从而获得更高质量的燃料。
通过不断地研究，可以改进制氢和精细化工行业的工艺，使它成为具有极高经济效益的工业领域之一。
甲烷水蒸气重整反应研究进展
甲烷水蒸气重整反应研究进展作者：张少军来源：《中国化工贸易·中旬刊》2019年第10期摘要：我国需要清洁、可靠的能源来代替传统能源物质，以更好地应对油价飙升、能源匮乏的现状。
能源领域的专家一致认为氢气可以作为21世纪的主要能源物质。
国际上最为有效的制氢工艺是甲烷水蒸气重整反应，这种工艺在反应器结构设计、材料和催化剂的种类等方面有很大的研究空间。
关键词：微反应器;燃料供应;催化剂;甲烷水蒸气重整1 甲烷水蒸气重整反应的过程与原理1.1 反应过程甲烷水蒸气重整反应过程中会出现一氧化碳的水汽转化，需要做好试验装置的密闭性。
重整反应流程包括以下内容：首先将反应所需要的原材料进行预热处理，并对原材料进行仔细的筛选避免出现杂质。
其次对甲烷水蒸气进行重整，通过水汽置换的方式将高温和低温进行转化。
最后将反应容器中的一氧化碳去除和甲烷化。
在甲烷水蒸气重整反应中所使用的催化剂主要为Ni/Al2O3，为了能准确的控制甲烷水蒸气重整反应速度，可以在催化剂表面添加助剂来控制积碳反应，进而控制化学反应速度。
如果想提升反应速度则可以将催化剂表面的助剂去除。
从化学方程式的角度考虑降低反应速度，可以加入适量的水蒸气来提高生成物的浓度进而抑制反应的速度。
甲烷水蒸气重整反应过程主要生成一氧化碳和氢气，为了提高氢气的產量，可以将生成的气体排入水汽转化反应器中，通过低、高温变化把一氧化碳与反应产物转化为二氧化碳、氢气，提高氢气产出率。
操作工艺内容是对反应中压力、水碳比、反应中温度、空速的控制，而且工艺操作需要对整个工艺进行统一规划。
1.2 重整反应机理在甲烷水蒸气重整反应的发展历程中提出了许多的反应机理，比如热裂解、两段反应机理;甲烷水蒸气反应两段机理内容是：甲烷经过炭化处理放出氢气，将生成的碳粉与水蒸气反应生成一氧化碳进一步生成氢气。
而目前最有效的反应机理是甲烷水蒸气重整反应是加Ni/Al2O3作为催化剂，在整个反应中以活动中心的形式存在，水分子与催化剂表面的原子反应生成氧原子与氢，在催化剂的作用下甲烷分子解离形成CH分子片，吸附氧而生成氢气与一氧化碳。
211086490_甲烷蒸汽重整制氢技术及进展浅析
甲烷蒸汽重整制氢技术及进展浅析采用ZnO与H2S反应生成ZnS以深度脱除S。
制氢过程中预重整、蒸汽重整、中温变换使用的催化剂（预重整和蒸汽重整催化剂为Ni/Al2O3，中温水气变换催化剂为Fe3O4/Cr2O3或ZnO/ZnAl2O4）容易被硫化物中毒失活，为深度脱除原料中的硫化物，保护下游过程的催化剂，常在预重整前进行加氢脱硫，保证整个制氢体系的长周期稳定运行。
预重整（PR）是将C2+饱和烃转化为C1和H2，避免进料温度过高造成C2+烃热分解积炭，使预重整后的C1和H2可以预热到更高温度。
预重整还可以将微量S充分脱除，保护后续催化剂长周期稳定运行。
此外，预重整的部分原料为合成气（CO+H2），可降低后续高温蒸汽重图1 甲烷蒸汽重整制氢工艺流程198研究与探索Research and Exploration ·工程技术与创新中国设备工程 2023.04 (上）温度约200℃，催化剂为Cu/ZnO/Al 2O 3，产品干气中CO 分数为0.25%。
变压吸附（PSA）是一种应用广泛的低成本氢气提纯工艺，利用不同气体分子在一些高比表面积吸附材料表面的吸附能力差异，通过多次反复吸附-脱附，最终将不同吸附能力的组分分离出来。
变压吸附包含吸附（A-Adsorption）、降压/均压（E 1-Pressure equalization）、顺放（PP-Provide purge）、逆放（D-Dump）、冲洗（P-Purging/Regeneration）、升压/均压（R 1/R 0-Repressurization）等六个步骤。
常规的吸附分离具有能耗低、压损小、纯度高、投资小、流程短、操作弹性范围大、原料适应性强等众多优点，但收率较低。
采用变压吸附后，氢气回收率提高到75~95%，氢气纯度提高到99.9%以上。
若氢气价值高，还可以采用真空变压吸附（VPSA）提高氢气回收率至95%以上。
甲烷蒸汽重整制氢技术经百年发展，工艺成熟，装置完善，经济可靠，制氢能力强，适合规模化生产，但也存在原料利用率不高和工艺复杂、操作难度大的缺点，不容忽视。
NiAl2O3在甲烷干气重整中的研究进展
Ni/AI 2O3在甲烷干气重整中的研究进展一、催化剂制备：通常情况下主要采用浸渍法和共沉淀法⑴，(在相同Ni 负载量下共沉淀法的活性更好)，也有研究表明采用溶胶-凝胶法⑵制备的Ni/AI 2O3有着更好的活性和稳定性。
浸渍法：将Al 2O3粉末添加到Ni(NO3)2溶液中，加热搅拌，烘干，煅烧。
共沉淀法：Ni(NO3)2和AI(NO 3)3溶液混合后，加入Na2CO3至PH=9, 洗涤、干燥和煅烧。
溶胶-凝胶法：Ni(CH3COO)2和SBA溶解在乙醇中，在333 K, 24 MPa的超临界CO2中干燥，煅烧。
二、甲烷干气重整机理研究CH4在金属表面活化分解，CO2主要在载体或者金属和载体的界面活化还原。
普遍认为，过程如下：CH4+(5-X)*—CH*+(4-x)H*CO2+H*—CO+OH*CH X*+OH*—CH X O*+H*CH X O*—CO*+X/2H 2CO* —CO+*2H* —H 2+2*其中，控速步骤可能为：CH4的分解；CH x O的分解；CO的形成和脱附；CH4分解形成的C与O反应等步骤。
这是因为：(1)不同的载体和助剂的影响；(2)转化反应进行中温度的影响。
采用Ni/Al 2O3体系用于机理研究主要有几下几方面：1、甲烷的活化：陈等人［10］利用原位红外，发现随着温度的升高，CH4的吸附量增加，表面在Ni/Al 2O3中呈现化学吸附形式，分别位于2242和2237 cm1。
Osaki等人⑷利用脉冲表面反应速率分析(PSRA)认为哉的产生主要来源于CH4+(5-X)*—CH<*+(4-x)H* 和CH x*+OH* —CH x O*+H* 并且也是控速步骤。
Verykios等人［5-6］利用同位素标记认为载体不同，对重整反应的机理有着一定影响，Ni/La 2O3中认为，CH4的活化是控速步骤；而在Ni/ Y AI 2O3中，CH X和CO2的活化的反应是控速步骤。
甲烷水蒸气重整制氢反应及其影响因素的数值分析
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2015年第34卷第6期·1588·化工进展甲烷水蒸气重整制氢反应及其影响因素的数值分析李培俊，曹军，王元华，徐宏，钟杰，刘波（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）摘要：本文通过建立包含动量、能量、质量以及化学反应的多物理场耦合数值模型，以多孔介质模型表征催化剂层，对工业转化炉管中的甲烷水蒸气重整制氢过程进行了详细分析。
计算得到了转化炉管内甲烷重整过程反应物及产物气体的速度、温度及浓度场分布，以此分析了甲烷重整制氢过程的反应特性，并阐明了转化炉管的壁面温度、原料气入口水碳比以及入口速度对甲烷转化率的影响。
结果表明：水蒸气重整在转化炉管的入口区域反应迅速，沿着气体流动方向，反应速率由于反应物浓度的不断降低而减小，导致混合气体流动速度和温度也逐渐趋于稳定；水碳比和转化管壁面温度的增加以及原料气体入口流速的降低，都会提高甲烷的转化率。
本文所得到的结论对于优化实际生产中甲烷水蒸气重整制氢反应的工况条件具有一定的参考和借鉴意义。
关键词：天然气；制氢；计算机模拟；影响因素；转化率；数值分析中图分类号：TE 646 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2015）06–1588–07DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2015.06.014Numerical analysis on methane steam reformingLI Peijun，CAO Jun，WANG Yuanhua，XU Hong，ZHONG Jie，LIU Bo （School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）Abstract：By constructing a multiphysics coupled numerical model，which includes momentum，energy，and mass balance equations，as well as chemical reaction equations，and using porous medium model to characterize catalyst layer，the methane steam reforming (MSR）process in an industrial tube reactor was analyzed in detail in this work. The velocity，temperature，and concentration distributions of the reactant and products in the tube were obtained，which were used to analyze the characteristics of the MSR process，and to illustrate the impacts of tube wall temperature，steam-methane-ratio and inlet velocity on the conversion rate of methane. The results show that the reaction velocity of MSR is very fast at inlet area，and decreases gradually along gas flow direction because of the decreased concentration of reactant gases，which also induces mixture gas flow velocity and temperature become steady. The conversion rate of methane increases with increasing steam-methane-ratio and tube wall temperature，and decreasing reactant gas inlet velocity. The results will be helpful for optimizing the reaction condition of an actual MSR process.Key words：natural gas; hydrogen production; computer simulation; influence factors; conversion rate;numerical analysis氢能是最基本也是最优质的一种清洁能源，在车用能源、航天航空、化工技术以及生物制药等领域均具有广泛的应用前景[1-3]。
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甲烷蒸汽重整制氢反应动力学模型建立与检验
• 反应式
CH 4 H 2O CO 3H 2
H298 206.2kJ / mol
• 选定催化剂，粒径要排除内扩散。 • 实验测定：甲烷蒸汽重整反应在实验条件下， 不同停留时间下的原料或产物浓度值。 • 实验条件: 反应温度的范围（要有四个以上 温度点），反应压力，反应的水碳比，空速 （要大于排除外扩散的空速）
内扩散排除方法
外扩散排除方法
高空速区
中空速区
测定数据
测定不同温度条件下的 CA－t 的关系 计算XA－t 的关系 t 也可以换算成W/FAo
建立或选择动力学模型
以上可以选一个方程或多个方程进行动力学计算比较。 用精度最高的一个进行应用计算。
举例：实验数据（测得不同温度和压力条件下
的时间与组成的分压数据）
动力学方程的应用
• 1. 在反应温度，反应压力，反应时间之间， 根据已知的换算未知的。 • 2. 进行反应器设计。计算反应器温度分布， 反应器体积计算，催化剂量的计算等。
实验数据 处理
X与t 的一元 三次方程 x=f(t)
• 按定义
dX r dt
• 计算t对应的r值，查出实验t对应的PCH4值
• 按选定的动力学方程
• 确定某个实验温度条件下的k值（反应速率 常数）。 • k值再按Arrennius公式计算出活化能。
方程检验
1. 实验点和按方程计算点； 2.对角线方程，横坐标和纵坐标分别为实验转化 率数据点和按方程计算的转化率数据点。 3. 平均相对误差值。