《制氢技术》教案8甲烷水蒸气重整制氢1

一、教案头编号：8授课班级22氢能技术1班授课日期2024年4月24日本次课标题：甲烷水蒸气重整制氢1教学目标知识目标了解甲烷的性质；理解影响反应平衡组成的因素；掌握甲烷制氢原理。能力目标能正确阐述甲烷制氢原理。教学重点甲烷制氢原理教学难点影响反应平衡组成的因素参考资料《氢能与制氢技术》第二版吴素芳浙江大学出版社2021-7

二、教学设计(第8次课)步骤教学内容教学方法教学手段时间分配告知(教学内容、目的）告知目标：了解甲烷的性质；理解影响反应平衡组成的因素；掌握甲烷制氢原理。讲授课件、板书5分钟引入（任务项目）甲烷是结构最简单的碳氢化合物，自然界甲烷作为天然气、页岩气、瓦斯、沼气、可燃冰的主要成分而存在，它是优质的气体燃料，也是制造合成气和许多化工产品的重要原料。工业用甲烷主要来自天然气、烃类裂解气、炼焦时副产的焦炉煤气及炼油时副产的炼厂气。此外，煤气化产生的煤气也提供一定量的甲烷。目前一般说的甲烷制氢指利用天然气中的甲烷制氢。天然气指天然蕴藏在地下的烃和非烃气体的混合物，一般指存在于岩石圈、水圈、地幔以及地核中的以烃类（甲烷、乙烷）为主的混合气体。据BP世界能源2013年的统计报告2，世界天然气探明存量为208.4万亿立方米，天然气总产量预计每年增长2%，到2030年将达到4.7亿m³/a，因此利用天然气（甲烷）制氢具有远大的前景。设问启发讨论课件10分钟操练（掌握初步或基本能力）甲烷制氢方法主要有甲烷水蒸气重整（SteamMethaneReforming，SMR）、甲烷部分氧化（PartialOxidationofMethane，POM）、甲烷自热重整（AutoThermalReformingofMethane，ATRM）、甲烷二氧化碳重整（CarbondioxideReformingofMethane，CRM）等。其中甲烷水蒸气重整法（SMR）是工业最为成熟的制氢技术，占世界制氢量的70%。两个反应式均为可逆反应，前者是强吸热反应，后者是放热反应。因此，由于两步反应的温度不同，需要在不同的反应器中分开进行。在一定的条件下，在重整转化过程中，在催化剂表面可能进行产生积炭的反应式为讲授教师示范课件、板书、操作演示20分钟深化（加深对基本能力的体会）反应平衡组成的计算由于反应式（4.1）和反应（4.2）是可逆反应，在某一反应温度条件下，反应各组分的含量会达到一个平衡值。可以利用反应平衡常数进行热力学计算而得到一定条件下理论上各组分的平衡含量。若进气中只含有甲烷和水蒸气，设水碳摩尔比为m，系统压力为p（单位为MPa），转化温度为T（单位为℃），假定没有其他副产物产生，计算的基准为1molCH4。在甲烷转化反应达到平衡时，设x1为甲烷重整转化反应式（4.1）中甲烷的转化率，x2为变换反应式（4.2）中一氧化碳的转化率，则达到平衡时各组分及分压如表4.3所示。重点讲解教师示范课件、板书20分钟训练巩固拓展检验影响反应平衡组成的因素从反应式（4.1）的平衡常数表达式分析，影响甲烷水蒸气转化平衡组成的因素有温度、压力和原料气中水蒸气对甲烷的摩尔比（即水碳摩尔比），影响关系如图4.1所示。（1）温度甲烷水蒸气重整反应转化是吸热的可逆反应，从图4.1（a）中可以明显看出温度对整个反应的影响—反应温度增加，甲烷平衡含量下降。因此，从降低残余甲烷含量考虑，操作中的转化温度应该高一些。但实际操作中由于受到反应管材质的限制，温度的选择一般在650～1000℃之间。（2）压力甲烷水蒸气转化是体积增大的反应，提高反应压力不利于反应向生成氢气方向进行。由图4.1（b）可见，增加反应压力，甲烷平衡含量也随之增大。