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微反应器甲烷重整数值模拟及多目标优化
| 论文题名： | 微反应器甲烷重整数值模拟及多目标优化 |
| 关键词： | 微反应器;甲烷重整;催化剂涂层;多目标优化;数值模拟 |
| 摘要： | 氢燃料电池作为绿色环保的动力装置，因其独特优势在船舶领域有着广阔前景。为实现船用燃料电池的规模化应用，需要解决氢燃料的供给问题，而通过甲烷重整工艺在船上现场制氢是一种较为理想且经济高效的氢源解决途径。现阶段对甲烷重整的研究主要以改善反应器结构和催化剂活性来提升反应性能。基于当前这些研究，本文以微通道反应器为研究对象，采用数值模拟的方法，耦合甲烷蒸汽重整和催化燃烧反应动力学机理，探究了催化剂涂层结构和涂层结构参数对微反应器性能的影响，并结合神经网络和遗传算法进行了多目标优化。 首先，用COMSOL建立了微通道反应器三维稳态模型，选择合适的数学模型、动力学方程和边界条件模拟了微反应器甲烷重整反应过程传热传质特性。基于反应动力学机理，研究了催化剂涂层离散分布结构对微反应器性能的影响，结果发现离散重整涂层可以改善重整反应的CH4转化率和产氢率，燃烧侧涂层离散分布对平衡反应温度有明显作用。综合对比后发现，当重整和燃烧侧涂层均为离散分布结构（DCDR）时能够改善重整和燃烧反应过程，CH4转化率和产氢率分别达到了59.4%和119.3%，同时微反应器热点温度降低至899.6K，在保证良好反应性能的同时改善了微反应器内的温度梯度。 其次，考察了催化剂涂层结构参数对微反应器性能的影响。结果发现当涂层渗透率降低至2×10-12m2以下时，多孔介质涂层的不渗透性能够改变通道内的反应流流速，从而影响了通道内部的空速大小和重整反应性能；此时增加催化剂涂层厚度会显著缩短气相反应物与催化剂涂层的接触时间，进而影响微了微反应器内部的传热传质情况。此外，在一定范围内增大涂层孔径虽然使反应器内最高温度升高了14.2K，但重整反应的CH4转化率提高了9.2%，而相同工况下改变孔隙率得到的CH4转化率最大仅有3.1%的增幅。因此在当前工作中，改变涂层孔径比孔隙率对微反应器性能的影响更有效。 最后，基于神经网络和遗传算法，对重整反应CH4转化率和热点温度进行了多目标优化研究。首先构建神经网络预测模型，网络经过训练和测试达到允许精度后，作为代理模型耦合到NSGA-Ⅱ多目标优化算法中，通过算法的极值寻优能力，得到了实现良好CH4转化率同时降低反应器热点温度的最佳参数组合，对应的性能指标优化结果为：XCH4=64.6%，Tmax=884.5K。将多目标优化结果与仿真结果进行比较后发现最大误差不超过2%，验证了NSGA-Ⅱ算法的准确性，并通过该算法有效提升了优化效率。 |
| 作者： | 王涵 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 杨国刚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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