用于甲烷部分氧化的双层膜反应器毕业论文.doc

《用于甲烷部分氧化的双层膜反应器毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《用于甲烷部分氧化的双层膜反应器毕业论文.doc（26页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、SHANDONG毕业论文用于甲烷部分氧化的双层膜反应器学 院： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 学生姓名： 于 海 阔 学 号： 0812103212 指导教师： 杨 乃 涛 2012 年 6 月摘要摘 要本实验首先用EDTA-柠檬酸盐法制得LSCN粉体，再通过相转化法制取LSCN前驱体，进而将前驱体烧制成双层致密透氧膜膜管，将制得的透氧膜管组装成LSCN的膜反应器进行甲烷部分氧化制合成气的反应。本实验对制取的膜管进行气密性及机械性能进行测试合格后，组装成LSCN膜反应器来进行甲烷部分氧化制合成气进行研究，以Ni/-Al2O3为催化剂，研究反应器的的各项性能。实验表明，制取的LSCN双

2、层中空纤维膜管的气密性良好，机械性能良好，制作成POM反应器后，测试其透氧性能证明随着CH4扫气量的增加，透氧量增大，在同一CH4扫气量下，膜的透氧性能从增大逐渐改变成缩小。而CH4的转化率随着CH4扫气量的增加而增大，在4-6ml/min的扫气量时达到峰值，之后逐渐变小.。CO与H2的选择性均是随扫气量的增大而增大。相对，CO2的选择性，则是随之减小关键词：甲烷部分氧化、LSCN，双层致密透氧膜，反应器IAbstractAbstractIn this experiment, the first step is using EDTA-Citrate Method to make LSCN po

3、wder, then we prepare the LSCN precursor by phase inversion and thus burn it to double layer of dense membranes for oxygen separation membrane tubes. Assemble the obtained oxygen-permeable membrane tube into the LSCN membrane reactor for the partial oxidation of methane to syngas reaction. Take an e

4、xam on it for the air tightness and mechanical properties, when it had passed, assemble it into the LSCN membrane to study the partial oxidation of methane to syngas with Ni/-Al2O3 as the catalyst, then we take exams on the performance of it.The experiments show that the LSCN double-layer hollow fib

5、er membrane tubes which we prepare before has a good performance on tightness and mechanical properties, with it, we made a POM reactor, the test on it shows that the oxygen content increase with the increasing of CH4 sweep gas, the oxygen permeability of the membrane changed from gradually increase

6、d into a narrow at the same time. The CH4 conversion rate increase with the increasing of CH4 sweep gas, and reached the peak in 4-6 min, then becomes gradually smaller. The select of CO and H2 increase with the increasing sweep gas, the relative selective of CO2 is decreasing.Keyword: POM, LSCN, do

7、uble dense oxygen-permeable membrane, reactor.II目录目录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1甲烷部分氧化反应器的研究意义11.2导体膜的种类11.3甲烷部分氧化的机理研究31.4氧渗透原理研究51.5 POM膜反应器的研究6第二章 实验82.1 试剂和仪器82.1.1 实验试剂：82.1.2主要仪器：82.2 La0.6Sr0.4Co0.8Ni0.2O3- 粉体的合成92.3 双层中空纤维膜制备102.4 机械强度实验112.5 中空纤维气密性测试112.6 中空纤维膜CH4部分氧化及透氧量的测试12第三章 结果与讨论133.1 双

8、层中空纤维膜折断时的临界弯曲力测试如下133.2 双层膜的透氧性能测试如下133.3 甲烷部分氧化反应14第四章 结论16参考文献17致 谢20III第一章 引 言第一章 引 言1.1甲烷部分氧化反应器的研究意义石油资源的逐渐枯竭，导致天然气成为未来的替代燃料和化学工业原料的必然性。到2l世纪中叶1，天然气必将从在世界能源结构中所占的比例由25%上升至40%，而石油所占的比例也将从现在的34降低到20左右。这种结构的变化将导致能源利用结构和消费结构的巨大变化，所以，人们逐渐重视起天然气利用这一方向。然而，天然气的最基本组成部分是甲烷，这是造成温室效应的主要部分，因此开发利用天然气无论是在解决日

9、益紧张的能源问题上还是保护环境方面上都具有重要的意义。甲烷经先转化成合成气再转化成合成燃料和化学品是有效利用天然气的最主要方法之一。近十几年来，甲烷部分氧化制合成气这一一方向已经成为国内外研究的热点方向。从上世纪末开始就已经有大量的关于甲烷部分氧化这一反应的报道，到目前为止，天然气的转化主要是通过两种方式来完成：一是直接转化法，直接转化因其中间产物和最终产物的活性比反应物还高，会被进一步氧化降低目标产物的选择性，因此在工业化生产中目前不具有经济价值2,3。二是间接转化法，目前天然气的化工方向研究更多倾向于此，即先将天然气转化为CO和H2的合成气，再合成液体燃料。甲烷部分氧化制合成气即POM反应

10、4时具有开发价值的一项反应，此反应是一个弱放热反应：CH4+0.5O2CO+2H2，H（25C）=-36.7kJ/mol （1.1）反应生成的CO/H2为1:2。通过利用空气作氧源，通过渗透致密透氧膜与另一侧的反应物发生反应，避免反应的原料的预混合5。近年来，很多研究者都把目光聚集到膜反应器这一方向，利用膜反应器来进行甲烷部分氧化制合成气这以反应。膜反应器的优点有很多，反应过程简洁，操作非常安全，并且其具有较高产率这一化工生产非常重视的特色。1.2导体膜的种类混合导体透氧膜是一种高氧离子导电性和到电子导电性并存的致密无机透氧膜。根据其结构性质，大体可将其分为：萤石矿型，钙钛矿型，层状钙钛矿型，

11、其中占据主要部分的是前两类6,7。萤石矿型的结构式氧离子导体化合物当中的最重要的晶体结构类型，通常通常情况下是基于ZrO2、ThO2、Bi2O3等固体氧化物之上的。在这种具有萤石矿类型的氧化物当中，掺进低价金属氧化物，这样可以形成晶格氧的空位缺陷，因此产生离子导电性能，形成氧离子导体。这种类型的材料的研究，虽然研究有一定的进展，但是氧的渗透率普遍非常低，不能达到应用要求8,9。钙钛矿结构式混合导体膜的膜材料中最常见的一种结构10,11。1985年时，Teraoka等12研究表明具有钙钛矿结构的La1-xSrxCo1-yFeyO3-具有非常好的透氧能力，近些年来，已经开发出了很多有着优良透氧性的

12、膜材料当中，大多也是具有钙钛矿结构的，具有钙钛矿结构的膜材料是最有希望运用到实际当中的膜材料。图1.1 ABO3钙钛矿的晶体结构理想的钙钛矿的结构的分子式为ABO3的立方体结构类型，如上图中的1.113所示内容。其中的A是离子半径比较大的氧离子，在由氧离子组成的十二配位的立方体的间隙当中，它的配位数是12，B是离子半径比较小的过渡区的金属离子，它们和氧形成BO6的八面体形状，它的配位数是6，八面体之间用相同的顶点来连接。要形成钙钛矿的结构，离子的集合因素在其中起着十分关键的作用。组成钙钛矿的结构的阴阳离子的半径r0，rA及rB之间有着一定的几何关系的时候，才能构成这一种结构。对于这种理想的钙钛

13、矿的结构，它的rA，rB及r0间要满足下面公式14：rA+r0=（rB+r0）t （1.2）其中的t是钙钛矿结构的容限因子，当且仅在0.75t1.0的时候，钙钛矿的结构才可能会存在，更多的时候是t在0.8到0.9之内。在氧离子A的离子半径减小到难以满足上述公式要求的时候，氧离子A和阴离子不能再一块进行密立方堆积时，那么就不可能形成钙钛矿的结构。若是氧离子B大到一定的程度时候，也不能满足上述公式的条件，氧离子B因为体积过大，不能填进阴离子所形成的八面体的间隙内，这也不能够形成钙钛矿的稳定结构。形成钙钛矿结构的要求，除了要满足上述公式的条件以外，还要满足电价平衡的电中性的原则，也就是单胞中氧离子A

14、和氧离子B的电价总和要等于阴离子的电价总和，因此，ABO3型结构的基本形式为A+B5+O3，A2+B4+O2，和A3+B3+O3。事实上，简单立方堆积的钙钛矿结构的化合物其实并不是很多，存在最多的是它的畸变而衍生出来的结构。离子在空间中所在的相座相同，也就是离子虽然是稍微的偏离了理想的位置，但是它们的分布的方式仍然是与钙钛矿类型相同。钙钛矿型的结构除了ABO3这一种简单化学式以外，还能够有很多种成分相对复杂的化合式。钙钛矿结构的非化学的计量性可能是由于氧离子的缺陷或者是阴离子的缺陷也可能是因为离子过剩造成的。因为BO3这种骨架结构具有一定的相对稳定性，A位的氧离子可以失去而且不会造成结构的破裂

15、，相反的，由于B位离子的电荷数太大，尺寸较小，B位的氧离子空位对于结构稳定性来说是相对不利的。在钙钛矿的结构当中，氧离子的缺陷是极为常见的，氧离子的缺陷是造成氧离子导电的非常重要的因素。氧空位的浓度可在材料制备当中进行控制，也可以通过尺寸相像但是化学价不相同的离子来代替实现。氧化物可以通过高的氧空位的缺陷来表现出很高的氧离子的导电性能，也可以通过复合价态来表现出来高的电子导电性能。若B为的离子的价态是固定的时候，电中性仅靠氧空位的缺陷来来维持，这时候的氧化物主要就是离子导体了。1.3甲烷部分氧化的机理研究 目前，甲烷部分氧化机理的研究主要有两种观点，间接反应及直接反应机理14-16。间接反应的

16、机理研究认为，甲烷先和氧气发生反应生成水和二氧化碳，燃烧过程中氧气消耗完全，剩余的甲烷继续与水和二氧化碳进行水蒸气重整反应及逆水煤气反应，反应的方程式如下：甲烷燃烧：CH4+O2CO2+H2O （1.3.1）水蒸气的重整反应为：CH4+H2OCO+H2 （1.3.2）二氧化碳的重整反应为：CH4+CO2CO+H2 （1.3.3）Dissanayak等人17用Ni/Al2O3作催化剂，在固定床反应器当中进行POM反应，研究了顺反应器轴线方向的催化剂的氧化态和相的组成。研究表明，催化剂床层上被分成了三个区域：第一个是催化剂的组成成分为NiAl2O4，在这个区域内，甲烷被氧化成水和二氧化碳；在第二个

17、区域内的催化剂由NiO和Al2O3组成，在这个区域内甲烷继续氧化，被氧化成水和二氧化碳，而氧气则被完全消耗掉；第三个区域内的催化剂是Ni/Al2O3，这个区域内的剩余甲烷及水和二氧化碳发生重整生成一氧化碳和氢气。Vermeiren等人18则在Ni基催化上进行POM反应，研究表明催化剂的床层上有温度梯度这一现象。他们相信这种现象的起因是靠近原料的进口发生了放热的燃烧反应，这导致了催化剂的床层温度升高。靠近出口处则可能发生了吸热的重整反应，因此催化剂的床层温度反而相对较低。上面两项研究的结果表明POM反应其均是遵循燃烧-重整反应机理。直接反应机理则认为：一氧化碳是甲烷和氧气部分氧化反应的直接产物。

18、我国的金荣超等人19研究了Ni/-Al2O3催化剂上的甲烷的部分氧化反应机理，他们相信Ni0是反应中的活性相，而甲烷在Ni0上活化并解离而生成氢气，甲烷和氧气在Ni0上活化并解离出NiC和Ni+O-，这两样是反应的关键物种，这两种物质可以高选择性的生成一氧化碳。此反应的反应机理为：CH4+Ni0NiC+4H （1.3.4)H+HH2 （1.3.5）O2+2Ni02Ni+O- （1.3.6）NiC+Ni+O-2Ni0+CO （1.3.7）Hickman等人20则研究了常压下的负载型Pt及Pt-Rh催化剂上的POM反应，实验表明，尽管反应物在催化剂床层上面停留的时间非常短，仅仅是10-410-2s

19、，但是反应却以高转化率的方式形成了氢气和一氧化碳。由于甲烷和水蒸气重整反应的进行很缓慢，所以这基本可以排除掉重整反应发生的可能性，POM反应应该遵循直接氧化反应机理。Lspszewicz等人21在实验中发现，增加空速后，在某些催化剂上面的一氧化碳的选择性随之增大，但是在另一些催化剂上的一氧化碳的选择性却是下降了，由此，他们得出结论，一氧化碳和二氧化碳可能都是POM反应的初级产物，动力学实验也证明了他们的观点。甲烷和氧气在催化剂上面发生的反应分别如下：CH4CHxads+(4-x)Hads（1.3.8）O2Oads（1.3.9）他们由此推测一氧化碳和二氧化碳都可能是CHxads和Oads反应的而

20、生成的初级产物。因为反应中氧气几乎消耗完全，所以他们认为，甲烷的活化是POM反应的控制步骤。而且随着催化剂中的Ni负载量的增加，甲烷的转化率和一氧化碳的选择性都会升高，这也是证明甲烷的活化是控制步骤的观点的一项论据。还有一些人认为，POM反应是从完全氧化到部分氧化的转变，稳态下，反应器进口有一块被氧覆盖的催化剂区域，它表面的氧的剩余使得甲烷发生完全氧化，在这里反应物的选择性非常低，在这块区域之后，催化剂表面高度覆盖C，并且反应以一个非常高的选择性生成了合成气。到现在为止，POM反应的反应机理的认识还不统一，在这些研究的过程中使用的催化剂各种各样，并且反应的条件也大不相同，这可能是导致认识差异的

21、一个重要的原因，所以，对POM反应的反应机理的还需要进一步研究，寻找出其反应的本质，以促进对天然气这一资源的了有效利用。1.4氧渗透原理研究具有应用价值的透氧膜应具有高透氧率和高稳定性特点，而人们的研究重点也是始终围绕着这两个主题。然而，令人遗憾的是，到目前为止，很难找到一种符合此主题的膜材料。图1.4混合导体膜的氧渗透原理混合导体膜的氧渗透原理如上图1.3所示，当透氧膜的两边具有一定的氧分压梯度差异时，O2在高氧分压的那一端（pO2）被还原成氧离子进入晶格之内，然后由高氧分压的那一端向低氧分压（pO2）那一端扩散，然后在低氧分压那一端发生氧化反应而放出氧气，在整个的氧渗透的过程中主要由两个主

22、要过程组成：（1）气相与固相界面的氧发生交换：在这个过程内，有各种氧的吸附方式并且有可能按照下面方程式转化：O2O2吸附O-2吸附2O-吸附2O2-吸附2O2-晶格（1.4）（2）氧离子（氧空位）和电子（电子空穴）在膜的内部扩散。很显然，在以上的氧渗透过程中氧的化学势在混合导体当中从高氧分压的一端到低氧分压的一端不断的下降。若化学势的降低现象主要发生在体相的内部当中，即化学势主要推动了氧离子在晶格内的跃迁，那么体相内部的扩散是氧渗透的速率的控制步骤，就是体控制；若化学势的降低现象主要发生在混合导体的表面上，就是化学势主要运用在氧的表面的交换过程中，那么氧渗透的速率控制步骤就是表面交换，也就是表

23、面控制。体控制时，氧的渗透率反比于样品的厚度，而在表面控制的时候，氧的渗透率与它样品的厚度不存在任何关系。1.5 POM膜反应器的研究美国的Argonne国家实验室在1995年的时候首先提出了把陶瓷透氧膜用于甲烷部分氧化制合成气22,23的过程中。他们用的材料是由SrFeCo0.5Oy制得。在850度温度下实现了甲烷制合成气的过程，并且CH4的转化率高达98%，而一氧化碳的选择性则优于90%，并且该反应器的稳定运行时间超过了1000小时以上。这个过程比现有的重整制合成气的过程节约更多的成本，约达2550%左右。这项研究表明了膜反应器在天然气的转化上的巨大应用前景。他们也研究了SrCo0.8Fe

24、0.2O3-膜材料在膜反应器上的应用，他们发现这种材料在合成气条件下迅速破裂。南京化工大学的Lin等人利用La0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3-制得管庄透氧膜并组装成甲烷部分氧化的催化透氧反应器，催化剂使用Ni/-Al2O3。在低浓度甲烷进气条件下（7%），CH4转化率和一氧化碳的选择性均在96%以上。随甲烷进气浓度的不断提高，甲烷的转化率急剧的下降。反应器的稳定性相对较差，甲烷部分氧化反应几小时后，反应器随着膜的破碎而遭到破坏24,25。中国科学院大连物理研究所则以Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-为材料制作POM反应器，并对其进行深入的研究26,27，并在此基础上进行改

25、进，以BaCo0.4Fe0.4Zr0.2O3-为材料制作POM反应器，结果增强了其稳定性28,29，但是这种材料的膜在制作甲烷部分氧化的反应器反应条件下，长期稳定性仍不能满足实际应用的需求。要使得制作的甲烷部分氧化反应器达到实用化价值，膜材料必须具备高透氧率和制作成反应器后能够具有长期稳定性的特点，并且材料本身必须价格低廉。到现在，对于其研究大多数都是聚集到高透氧率的膜材料中，这些膜材料在制作成甲烷部分氧化反应器条件下很容易破裂和分解，因而无法在这种条件下长期稳定的工作，所以，寻找一种成本低廉的并且具有高稳定性的高效透氧膜成为一种发展需求。在大多数的膜反应器当，由于催化剂可以直接和透氧膜内壁接

26、触，使得透氧膜的内壁直接暴露在一个非常低的氧分压下，因此其对透氧膜材料稳定性的要求非常高。同一时间，催化剂和膜材料的直接接触也导致了其对膜材料的腐蚀作用。对于这种透氧膜制作的膜反应器，原料气体CH4沿着轴线方向传输，而氧气则按照径向方向传输，在膜管的顶端进气端非常容易造成供养严重不足的现象，这种现象会导致催化剂的积炭失活30。在甲烷部分氧化反应过程中，如果不加催化剂，此反应需要在高温高压下才能进行31,32，因此使用良好的催化剂也是甲烷部分氧化反应中不可或缺的。在以前的研究中，一般都是用Ni基催化剂和贵金属催化剂作为甲烷部分氧化的催化剂，因为这两类催化剂都具有非常高的催化活性和对目的产物的高选

27、择性33,34。Ni基催化剂对于甲烷的催化裂解反应具有良好的催化作用，因而，在甲烷部分氧化的反应中会产生严重的积碳现象35，这会导致这类催化剂在工作条件下的迅速失活。而且失活的催化剂没有办法通过通入氧化性气体的方式再生，氧化除碳所造成的高温也会导致金属的烧结和Ni金属的流失36。而贵金属的催化剂，也是无法避免积碳这一弊端，同样面临着催化剂不能再生的窘迫状况。此外，贵金属本身的价值高昂也是其在工业中不能大规模运用的重要制约。由此，开发一种抗积碳的，在甲烷部分氧化反应器条件下仍能长时间稳定工作的催化剂是非常必要的。22第二章 实验第二章 实验2.1 试剂和仪器2.1.1 实验试剂：实验使用的主要试

28、剂及其纯度等级和生产厂家如下：La(NO3)3 6H2O实验室自制；Sr(NO3)2 AR天津市巴斯夫化工有限公司；Co(NO3)2 6H2OAR国药集团化学试剂有限公司；Ni(NO3)2 6H2OAR天津市巴斯夫化工有限公司；乙二醇AR天津市巴斯夫化工有限公司；柠檬酸AR天津市天大化工实验厂；氨水AR国药集团化学试剂有限公司；硝酸AR烟台市双双化工有限公司；LSCN粉末实验室自制；无水乙醇AR烟台市双双化工有限公司；NMP电子级长信化学；PESF工业纯南京德缘塑料有限公司；银丝0.25，99.99%昆明贵金属研究院；导电银胶DB-80上海合成树脂研究所。2.1.2主要仪器：电动搅拌器，型号J

29、J-1，山东省龙口市电路制造厂；超级恒温水浴，型号HH-601，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；不锈钢调热电热板，型号DB-1 ，金坛市鑫鑫实验仪器厂；电热板，型号IP-5，山东省龙口市电炉制造厂；电子天平，型号HX-T，慈溪市天东衡器厂；行星式球磨机，型号QM-3SP2和QM-3SP04，南京大学仪器厂；电热真空干燥箱，型号XMTE100-2，上海树立仪器仪表有限公司；台式压片机，型号769YP-15A，天津市科器高新技术公司；高温箱式电阻炉，1. 型号SX2-4-13 ，配KSY-6D-16温度控制仪，龙口市电炉制造厂；2. 型号SX2-12-16，配KSY-D-16温度控制仪，龙口市电

30、炉制造厂；回转式电阻炉，型号SX2-2-9H，配KSY-4D-16温度控制仪，合肥科晶仪器公司；标准分样筛，上虞市道墟五四仪表厂；电热鼓风干燥箱，型号102，龙口市先科仪器公司；空气压缩机，型号CN60M ，常州市昊达电力设备有限公司；气相色谱仪，型号GC-6890，安捷伦科技有限公司；精密净化交流稳压电源，型号JJW-1KVA，广东易事特电源股份有限公司；电炉温度控制器，型号KSY-D-16，余姚市长丰仪表厂；数字微欧计，型号ZY9858，上海正阳仪表厂；催化反应过程测试装置，海安石油科研有限公司；自行设计制作的纺丝设备和气密性检测装置；电化学工作站，德国Zaher IM6eX。2.2 La

31、0.6Sr0.4Co0.8Ni0.2O3- 粉体的合成实验采用基于乙二醇-柠檬酸的方法合成La0.6Sr0.4Co0.8Ni0.2O3-a(LSCN)陶瓷粉体，具体步骤如下所示：（1）首先称取化学计量比的各种金属硝酸盐各0.3mol依次溶解于100ml的蒸馏水中，完全溶解后，加入计量的乙二醇、柠檬酸，（使总金属离子：乙二醇：柠檬酸的物质的量之比为1：1.8：1.5），然后放入恒温水浴连接的保温套中搅拌、加热形成透明的溶液；加入等量氨水和硝酸，调节pH值约为2。（2）继续加热搅拌，在80保温进行酯化和络合反应以形成金属和高分子网络结构的复合物，并蒸发出去多余的水来形成溶胶。（3）将溶胶转移至钢制

32、容器中，置于板式电阻炉上继续蒸发至有气泡产生时，快速的将温度升高到400左右，这时溶胶内产生大量气体，体积迅速膨胀，并燃烧，然后可以得到毛绒状的疏松的固体粉末物质。（4）将凝胶燃烧后的粉末收集起来放入坩埚中，放入马弗炉内高温焙烧使氧化物成相，将高温焙烧后的混合氧化物粉末进行XRD。将粉体球磨至少10h后，备用。2.3 双层中空纤维膜制备阳极LSCN铸膜液制备2份。取 N-甲基吡咯烷酮（NMP）放入广口瓶中，加入适量的聚醚砜（PESF），搅拌均匀，使PESF充分的溶解在NMP中直至成为均匀溶液。然后加入LSCN粉体，约阳极粉10%的造孔剂球状石墨(20-30m)，溶液中继续搅拌24h，即成铸膜液

33、。用旋转粘度计测定其粘度。铸膜液的组成如表1。表1 铸膜液组成材料/gLSCNNMP PESFBall graphite气隙/cm挤出速率/mL/min内层外层芯液LSCN67.535107.5201014LSCN42276020214通过相转化法制备双层中空纤维膜。在纺丝之前先将铸膜液在室温下进行脱气，然后装入不锈钢灌中，与三孔喷死头相连。在注射泵的推动下两种铸膜液以适宜的速率穿过三孔喷头。内、外凝胶浴为水。将制备的双层中空纤维膜前躯体在水中浸泡1天，使其中的溶剂排出，有机物充分凝固，以保证其结构稳定。再将双层中空纤维膜取出，切成约15cm的小段，并在室温干燥。将制备的双层中空纤维膜前躯体用

34、玻璃陶瓷无机胶粘剂粘结在陶瓷支架上，吊入高温管式炉中焙烧，先升温至200，再以4/min升温至800，保温2小时，再以2/min升温至1450，保温5小时，进行烧结。降温以相同的速率曲线，降至800，保温2h。自然降至室温，最后得到双层中空纤维膜。2.4 机械强度实验中空纤维膜的机械强度的测试是将中空纤维样本固定在跨据为32毫米的支架上，中心以0.5mm/min的速率施加集中载荷，记录下样品折断时所受的最大力，通过公式（2-4）计算样品的弯曲强度： （2-1） 其中F是样品发生折断时的临界弯曲力，L是固定距离（32mm），D是纤维膜的外径，d纤维膜的内径。其中内径和外径可以通过扫描电镜中获得。

35、2.5 中空纤维气密性测试自制一个不锈钢压力容器，圆筒长400mm，外径30mm，壁厚5mm，下端通过针型阀接氮气钢瓶，上端焊接DN30管法兰。全部采用氩弧密封焊保证气密性。用一块DN30的平板法兰作容器上封头，聚四氟乙烯垫密封，封头正中钻一直径1.5mm的孔，把需要测试的中空纤维陶瓷微管（=1.11.4mm）用硅橡胶密封在该孔中，外面露出10mm长度用于接硅胶管，位于容器内部纤维的另一端用硅橡胶封堵。实验装置如图2-5。测试的方法是，在压力罐的下端加入一定压强的氮气后，关闭阀门，观测密封罐中的压强变化。测试装置如图2-1。图2-1中空纤维气密性实验装置2.6 中空纤维膜CH4部分氧化及透氧量

36、的测试催化实验在自建的高温催化装置上进行。在800用H2还原双层膜内层0.5h。CH4走管内，流量均为2mL/min，同时配以Ar做平衡气，共100mL/min； 空气走管外，为防止CH4的完全氧化，因此其流量调整为50 ml/min。管内、管外尾气均组成用Aglient 6890色谱仪分析，并计算CH4的转化率，CO、H2收率及透氧量等。测试装置如图2-2。AirSealantHollow fiberT. C.Quartz tubesVessel headHeaterCH4+N2GCGC图2-2 CH4部分氧化的膜反应器装置第三章 结果与讨论第三章 结果与讨论3.1 双层中空纤维膜机械强度制

37、得的双层中空纤维膜的电镜图如下所示。图3.1制取的双层中空纤维膜的电镜图测得的直径为：1.78mm 内径为：1.48mm ，LSCN双层中空纤维膜的机械强度为： =8.58MPa3.2 双层膜的透氧性能测试如下POM反应器中的CH4转化率及透氧量的关系如图3.2.1所示。图3.2.1POM膜反应器中CH4转化率与透氧量的关系（800 oC, 0.5g Ni/AL2O3催化剂，CH4=2,4,6,8,10 mL/min，He=48,46,44,42,40 mL/min ）从图3.2.1中可以看出，随着CH4扫气量的增加，透氧量随之增大，在同一CH4扫气量下，膜的透氧性能从增大逐渐改变成缩小。而C

38、H4的转化率随着CH4扫气量的增加而增大，在4-6ml/min的扫气量时达到峰值，之后逐渐变小.3.3 甲烷部分氧化反应图3.3.1 POM膜反应器的结构示意图上图3.3.1是POM膜反应器的组装示意图。在800用H2还原双层膜内层0.5h。CH4走管内，流量均为2mL/min，同时配以Ar做平衡气，共100mL/min； 空气走管外，其流量调整为50 ml/min。将尾气接到气象色谱仪上检测得出结论图如3.3.2所示。图3.3.2不同CH4含量的POM膜反应器性能：CH4转化率，CO2，H2及CO的选择性（800 oC, 0.5g Ni/AL2O3催化剂，CH4=2,4,6,8,10 mL/

39、min，He=48,46,44,42,40 mL/min ）由所得的性能图可以看出，在800时，CH4转化率随着CH4扫气量的增大而增大，在4-6ml/min的扫气量达到峰值后逐渐减小。CO与H2的选择性均是随扫气量的增大而增大。相对的，CO2的选择性，则是随之减小。图3.3.3POM膜反应器出口H2/CO比以及氢气流量（800 oC, 0.5g Ni/AL2O3催化剂，CH4=2,4,6,8,10 mL/min，He=48,46,44,42,40 mL/min ）3.3.3图所示的表明，随着CH4扫气量的增大，H2/CO的比值增大，并且在同一扫气量下，H2/CO的3.3.3图所示的表明，随着

40、CH4扫气量的增大，H2/CO的比值增大，并且在同一扫气量下，H2/CO的比值是不变的。H2的流量随扫气量增大而变小，在6ml/min达到低谷，随之逐渐回升。第四章 结论第四章 结论本实验通过乙二醇-柠檬酸法制得LSCN粉体，再将粉体通过相转化的方法制得双层中空纤维膜的前驱体。将前驱体放置在空气炉中煅烧，烧制成双层中空纤维膜，然后检测其气密性，经检测气密性良好。然后测试它的机械性能，实验证明其机械性能良好，再将其组装成甲烷部分氧化反应器，在800用H2还原双层膜内层0.5h。CH4走管内，流量均为2mL/min，同时配以Ar做平衡气，共100mL/min； 空气走管外，其流量调整为50 ml/

41、min。将尾气接到气象色谱仪上检测检测双层膜的透氧性能，经检测后表明，透氧量与CH4的扫气量有关，随着扫气量的增大，透氧量逐渐增大。然后继续检测800时的转化率及CO,H2和CO2的选择性，本实验证明CH4转化率随着CH4扫气量的增大而增大，在4-6ml/min的扫气量达到峰值后逐渐减小。CO与H2的选择性均是随扫气量的增大而增大。相对的，CO2的选择性，则是随之减小。实验表明，LSCN膜反应器具有良好的性能。参考文献参考文献1 黄福堂，沈殿成，等国内外天然气利用技术发展概况国外油田工程，2000，(12)：28-312 J，HHong，KJYoonOxidative coupling of

42、methane over calcium chloridepromoted calcium chlorophosphateApplied Catalysis A：General 205(200 1)：253-2623 QJZhang，Dehua He，ct a1Comparatively high yield methanol production from gas phase oxidation of methaneApplied Catalysis A：General 224(2002)：201-2074 王海涛，等甲烷部分氧化制合成气催化反应的研究天津工业大学学报，200423(1)：4

43、35 Hui Lu, et a1Partial oxidation of methane in Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0203- methane reactorAt high pressuresCatalysis Today 104(2005)：1541556 V. V. Kharton，A.VKoValeVsky, APViskup，ALShaulaoxygen transport inCe0.8Gd0.202-based composite membranesSo1id State Ionics，2003，160：247-2587 张华，聂怀文，金江，等无机致密透氧膜研究进展材

44、料导报，2000,14(8)：3l-348 YNigara,YKosaka，KKawamura,JMizusaki，MIshigameOxygen permeability jnZrO-Ce02-MgO at high temperaturessolid State Ionices，1996,86-88：739-7449 Jonghee Han，YxZeng,YSLinoxygen permeation through fluorite-type Bismuthyttrium-copper oxide membranesJ Membrane Sci，1997，132：235-24310 SDi

45、ethelm，JVan herleOxygen transport through dense La0.6Sr0.4Fe0.8Co0.203- perovskhe-type permeation membranesJ Eur Ceram Soc，2004，24：1319-132311 zQDeng，wLiu，csChen，HLu，WSYangGermanium and iron cosubstitutcdSrCoO2.5+ as oxygen permeable membraneSolid State Ionics，2004，170：18719012 YTeraoko，HMZhang, SFurukawa，et a10xygen permeation through perovskite-type Oxides，ChemLett，1985：1 743一174613 梁敬魁，车广灿，陈小龙高Tc氧化物超导体系的相关系和晶体结构北京，科学出版社，199410312114 RCJin，YXChen，WZLi，et a1Mechanism for catalytic partial oxidation of methane to syngas