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乙醇重整制氢催化剂、反应形式、反应器及其性能
注:① SR表示Steam Reforming(水蒸气重整);OSR表示Oxidative Steam Reforming(氧化水蒸气重整)。
② FBR表示Fixed Bed Reator(固定床反应器);micro-R表示microchannel Reactor(微通道反应器);Pt-SKMR表示Pt-impregnated Stainless steel-supported Knudsen Membrane Reactor(铂浸渍的克努森膜反应器);MSR表示Macroporous Silicon membrane Reactor(大孔二氧化硅膜反应器)。
固定床反应器:
传统实验室里,用固定床反应器来测试制氢催化剂的效果。但是,催化剂颗粒堆得太紧,容易过热,导致金属催化剂失效,还会积碳。为了解决这个问题,实验室里通常会加一些石英砂来分散催化剂,减少热点。
而把催化剂装进微通道槽里,做成微型固定床。这样做可以减少温度和浓度的变化,让反应器处理原料的能力更强。简单来说,就是用微通道槽里的催化剂,可以更好地控制温度,提高反应效率。
图:典型的固定床反应器
微通道反应器、催化甲烷燃烧的ESR、WGS扩展的微通道反应器、硅基微通道乙醇重整器
微通道反应器与传统反应器不同,因为它有更大的表面积、细小的通道和很小的反应空间。这些特点让微通道反应器在传递物质和热量方面更有效,能提高化学反应的选择性和转化率。在制造氢气的过程中,微通道反应器使用的能量少,效率更高,催化剂寿命长,体积小,操作方便,而且容易扩大规模,这对小型便携式燃料电池的普及很有帮助。
这种反应器的通道直径一般在50到1000微米,长度在20到100毫米之间,一个反应器单元可以有很多这样的通道。催化剂就涂在这些通道里。因为通道很小,反应物在里面的扩散时间非常短,这样就能减少反应物混合,提高传递物质和热量的效率。
图:微通道反应器及其装置
图:催化甲烷燃烧的ESR和WGS扩展的微通道反应器
图:硅基微通道乙醇重整器
微结构反应器:
微结构反应器是一种小型装置,通过在特殊材料上涂覆催化剂浆料或溶液,形成微小的流动通道来进行化学反应。
图:独石(monolith)型反应器
图:金属泡沫形甲醇微重整器的结构
图:“宏观”管式线形反应器
膜反应器:
用一种膜可以分离出氢气,提高低温下制氢的效率和纯度。钯膜能吸附氢气并分解成氢原子,这些氢原子通过膜后重新组合成氢气,而其他气体过不去。在制氢反应中,钯膜能移除氢气,帮助反应进行,还能提纯氢气。
图:钯膜反应器
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