Design and study of catalytic tube layer system for hydrogen production via ethanol steam reforming and water gas shift reaction

論文翻譯標題: 新型管狀觸媒層產氫系統用於乙醇蒸汽重組與水氣轉移反應之設計與研發
  • 盧 貞聿

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

在本研究中,開發了新型乙醇蒸汽重組(ESR)觸媒層管之設計,並以數值模擬分析其對製氫的影響。另外,利用最佳化方法評估在結合ESR和水氣變換反應(WGSR)系統中WGSR觸媒層管之間的最佳相對角度,得出對於降低一氧化碳及提升氫氣產率最好的條件。該研究分為兩個部分,如下所述。 在本研究的第一部分為開發具有穿流式的觸媒層管的新設計,其特點是觸媒用量較低,成本低。通過計算流體動力學(CFD)模型對新型觸媒層管系統進行模擬。通過改變觸媒層厚度與管徑比,管徑與通道寬度比、水醇比以及管數來評估四個參數對乙醇轉化率和氫氣產率的影響。結果顯示,提高觸媒層厚度與管徑比可以有效提高乙醇轉化率和氫氣產率,在當該值等於0 33時,可以獲得100%的轉化率。而管直徑與通道寬度的比例越大,氣時流速越低,從而導致觸媒層管系統的性能更好(乙醇轉化率平均提高130%)。另外,增加管數具有提高乙醇轉化率的作用,並且在使用四個管時可達到97%的轉化率。 在第二部分中,為了降低ESR觸媒層管反應器中所產生的高CO濃度,對單觸媒層管系統後方加入水氣轉移反應(WGSR)系統進行研究。結果顯示,在適合ESR的溫度範圍內,低溫較有利於該系統製氫,並發現對於此系統之最佳的水醇比為3。另外,發現管徑的變化比改變觸媒厚度具有更好的效率,因為可以更低的觸媒成本(降低33%)降低相同的CO濃度。最後,利用兩階段最佳化方式,第一階段的參數掃描進行大範圍搜尋目標函數,第二階段接著採用二次近似的界限最佳化方法(BOBYQA)的人工智慧找尋WGSR觸媒管之間更進一步精確的的角度排列組合。結果顯示,優化後的管子排列在流場中分佈均勻,與單觸媒層管系統相比,可以減少38 %的一氧化碳。
獎項日期2020
原文English
監督員Wei-Hsin Chen (Supervisor)

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