一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法

本发明属于甲烷干重整反应器，具体涉及一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法。

背景技术：

1、利用太阳能驱动的甲烷重整反应可以减少两种温室气体(ch4，co2)的排放同时将不稳定的太阳能转变为化学能储存起来，在过去的几十年里，甲烷干重整制备合成气(h2，co)引起了极大的关注。许多研究关注于甲烷重整催化剂的合成设计，提高光热反应速率以及抗积碳等性能。然而对反应器设计并未有过多的关注，目前甲烷重整反应器大致可以分为两类：固定床和多孔骨架。后者由于其表面积高、导热性好、辐射传递距离长等优势成为未来规模化甲烷重整制备合成气的首选。以太阳能驱动的多孔骨架甲烷重整反应器包含辐射传递-传热传质-化学反应等多物理场的耦合作用，而多孔骨架的结构参数(孔径、孔隙率)对多物理场耦合有着显著的影响，进而影响太阳能-化学能的转换效率。因此如何设计多孔骨架的结构参数成为提高体吸收甲烷重整能量效率的关键因素。

2、穷举法对多孔结构的研究并不能很好的指导反应器设计，且效率较低，因此亟需普适性的准则式指导开发高效的太阳能体吸收反应器。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。

2、作为本发明其中一个方面，本发明提供一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其为：同时满足式(1)～(3)所示的条件，得到最优的多孔介质甲烷干重整反应器的孔径、孔隙率、尺寸；

3、

4、其中，eapp为甲烷活化能(j/mol)，r为普适气体常量(8.3145j/mol·k)，tb为气流主体温度(k)，δh为甲烷重整的反应热(j/mol)，rmdr为重整反应速率(mol/m3·s)，rωe为骨架单元特征尺寸(m)，hv体积对流换热系数(w/m3·k)，sa为骨架单元的比表面积(m-1)，kme为外部传质系数(m/s)，cch4，b为气流主体甲烷浓度(mol/m3)，n为反应级数，δt为气固温度之差(k)，ts为固体温度(k)，z为δt为0时的位置，l为多孔介质长度(m)。

5、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：所述多孔介质甲烷干重整反应器的材料为多孔的泡沫状材料，其组分包括碳化硅、氧化锆、氧化铈、泡沫镍。

6、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：固体边界包括热流密度边界条件为：q＝400kw/m2。

7、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：所述甲烷干重整反应的反应物为甲烷和二氧化碳，甲烷和二氧化碳摩尔比为1∶1。

8、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的多孔介质孔隙率为0.7～0.95(单位为1)。

9、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的孔径为0.5mm～5mm。

10、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：流体边界入口流速为vinlet＝0.03m/s。

11、作为本发明所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法的一种优选方案：所述多孔介质甲烷干重整反应器形状为圆柱状，其最优长度为：使得多孔介质甲烷干重整反应器的出口处气体和流体温差为0时多孔介质甲烷干重整反应器的长度

12、本发明的有益效果：本发明构建了多孔介质的多物理场耦合模型，基于不同孔径孔隙率模型的结果推导出了甲烷重整反应器的设计准则式，发现了多孔介质结构对太阳能转换效率的影响规律，根据此准则式可以筛选出实现高效的多孔骨架参数范围，进而指导反应器的建造。

技术特征：

1.一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：同时满足式(1)～(3)所示的条件，得到最优的多孔介质甲烷干重整反应器的孔径、孔隙率、尺寸；

2.根据权利要求1所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：所述多孔介质甲烷干重整反应器的材料为多孔的泡沫状材料，其组分包括碳化硅、氧化锆、氧化铈、泡沫镍。

3.根据权利要求1或2所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：固体边界包括热流密度边界条件为：q＝400kw/m2。

4.根据权利要求1或2所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：所述甲烷干重整反应的反应物为甲烷和二氧化碳，甲烷和二氧化碳摩尔比为1∶1。

5.根据权利要求1或2所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的多孔介质孔隙率为0.7～0.95(单位为1)。

6.根据权利要求1或2所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的孔径为0.5mm～5mm。

7.根据权利要求1或2所述的太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：流体边界入口流速为vinlet＝0.03m/s。

8.一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，其特征在于：所述多孔介质甲烷干重整反应器形状为圆柱状，其最优长度为：使得多孔介质甲烷干重整反应器的出口处的气体和流体温差为0时多孔介质甲烷干重整反应器的长度。

技术总结
本发明公开了一种太阳能驱动的多孔介质甲烷干重整反应器的设计方法，本发明构建多孔介质的多物理场耦合模型，基于不同孔径孔隙率模型的结果推导出了甲烷重整反应器的设计准则式，发现了多孔介质结构对太阳能转换效率的影响规律，根据此准则式可以筛选出实现高效的多孔骨架参数范围，进而指导反应器的建造。

技术研发人员：李强,刘丙鑫,刘东,冯浩,张莹
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15