论文题目: 电晕放电甲醇分解制氢及其模拟研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工艺
作者: 李慧青
导师: 刘昌俊
关键词: 等离子体,电晕放电,甲醇分解,制氢,动力学,反应机理,喷泉模式
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 甲醇被认为是安全、价廉、易操作的储氢材料,它的来源不依赖于石油,是目前、也将是未来中小规模制氢的重要原料,在燃料电池中有重要应用。等离子体法甲醇制氢可不用催化剂,可在很低环境温度、极短时间、较小反应空间内引发反应,生成氢气,是多变条件下小规模生产氢气的理想选择。本论文研究在电晕放电形式下甲醇分解制氢的反应特性,模拟甲醇分解的主反应过程和副反应过程,为设计等离子体甲醇制氢工艺提供理论基础。系统研究了正电晕放电甲醇分解反应产氢率和制氢速度的影响因素,进行了负电晕和正弦交流电晕的比较。得出的主要结论是:高浓度进料给出高的制氢速度和能量效率,停留时间在0.03 s左右可以达到最高的制氢速度;影响氢产率的是包含着停留时间、进料浓度、电功率等因素在内的比能密度,比能密度越高,氢产率越高。进一步考察了电极间隙、交流电波形和频率对氢产率的影响。对比国外文献,本论文设计的反应器制氢能效和能力远远大于国外报道的结果。实验研究发现,等离子体甲醇分解反应除生成氢气和一氧化碳外,还同时生成乙二醇,由此实验上实现了由甲醇偶联生成乙二醇的反应。在对实验结果解析和讨论的基础上,提出了模拟甲醇分解主反应和副反应的动力学模型。以甲醇分解的9个自由基焓值为基础,推测了甲醇等离子体分解出现的三个自由基反应初始状态。选取27个基团(包括自由基和分子)所涉及的115个基元反应作为甲醇分解过程中可能发生的反应,利用Matlab6.0模拟计算电晕放电条件下甲醇分解后主体自由基和边界层自由基随时间的变化规律。计算结果与实验结果相吻合。同时推导出边界层厚度与电源种类的关系。由模拟结果推测等离子体法从甲醇制备乙二醇工艺的设计要点是具有合适的电压降、波形为正弦的交流电源。根据实验结果和理论分析,提出喷泉模式,以等离子体反应体系中的自由基反应的存在可能性描述电子强度和等离子体化学反应机理的关系,为等离子体技术广泛应用奠定理论基础。
论文目录:
第一章 文献综述
1.1 引言
1.2 等离子体制氢
1.2.1 甲烷制氢
1.2.1.1 甲烷重整制氢
1.2.1.2 甲烷裂解制氢气
1.2.1.3 甲烷裂解制氢和乙炔
1.2.1.4 (CH_4+ CO_2)制合成气
1.2.2 甲醇制氢
1.2.3 汽油柴油制氢
1.2.4 硫化氢制氢
1.2.5 水制氢
1.2.6 车载制氢
1.3 电晕放电与其他冷等离子体放电形式的化学性质比较
1.4 电晕放电的各种模拟结果
1.4.1 正电晕
1.4.2 负电晕
1.4.3 流光电晕
1.5 等离子体反应动力学模拟
1.6 论文工作的提出
第二章 电晕放电甲醇制氢的实验研究
2.1 电压平稳下的电晕放电甲醇制氢
2.1.1 实验
2.1.2 结果与讨论
2.1.2.1 正电晕放电甲醇分解反应
2.1.2.2 负电晕和交流电放电甲醇分解反应
2.1.3 小结
2.2 自持电晕放电反应特征
2.2.1 实验
2.2.2 结果与讨论
2.2 2.1 间隙的影响
2.2.2.2 浓度的影响
2.2.2.3 交流电频率的影响
2.2.3 小结
2.3 总结与建议
第三章 等离子体甲醇分解动力学的研究
3.1 等离子体激发甲醇的反应
3.2 建立动力学模型的假定
3.2.1 建立模型的基础
3.2.2 存在的自由基和分子的假定
3.2.3 反应温度的假定
3.2.4 可能发生的自由基反应
3.3 主体反应
3.3.1 反应特征
3.3.2 主体反应初始条件的确定
3.3.3 初级分解态主体反应动力学方程
3.3.4 甲醇初级分解动力学模拟结果
3.3.5 二级分解态
3.3.6 三级分解态
3.3.7 四级分解态
3.3.8 反应模型评价
3.3.9 主体反应机理
3.4 边界反应
3.4.1 不同电源放电特点
3.4.2 方波
3.4.3 正电晕
3.4.4 负电晕
3.4.5 正弦
3.4.6 三角正弦
3.4.7 气体流速的影响
3.4.8 气体浓度的影响
3.4.9 乙二醇的生成机理以及等离子体工艺的优化
3.5 等离子体反应的喷泉模式的提出
3.6 小结
第四章 结论
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
发布时间: 2006-05-24
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