Luận án tiến sĩ: Tách màng CO2 và H2S cùng mô hình lò phản ứng màng WGS ứng dụng trong pin nhiên liệu

• Tác giả: Jin Huang
• Người hướng dẫn: Professor W. Winston Ho, Advisor
• Trường học: The Ohio State University
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: CO2 (H2S) Membrane Separations and WGS Membrane Reactor Modeling for Fuel Cells
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Columbus

• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGMENTS
• VITA
• FIELDS OF STUDY
• 1. TABLE OF CONTENTS
• 1.1. Abstract
• 1.2. List of Tables
• 1.3. List of Figures
• 1.4. List of Notations
• 2. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 2.1. MEMBRANE SEPARATION TECHNOLOGY
• 3. CHAPTER 6: MODELING OF CO2-SELECTIVE WGS MEMBRANE REACTOR FOR FUEL CELLS
• 3.1. Autothermal Reforming Syngas
• 3.2. Steam Reforming Syngas
• 3.3. Membrane Reactor Results
• Bibliography

I. Tách màng CO2 và H2S

Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển màng tách CO2 và H2S dựa trên cơ chế vận chuyển hỗ trợ. Màng tách CO2 đạt được độ thấm cao và độ chọn lọc vượt trội, với độ thấm CO2 trên 2000 Barrers và độ chọn lọc CO2/H2 lớn hơn 40. Màng tách H2S cũng cho thấy hiệu suất cao hơn gấp ba lần so với CO2 do tốc độ phản ứng nhanh hơn. Ứng dụng của công nghệ tách màng này trong việc thu hồi CO2 từ khí thải và khí tự nhiên đã chứng minh hiệu quả, đạt nồng độ CO2 khô trên 98% trong các thí nghiệm.

1.1. Cơ chế vận chuyển hỗ trợ

Cơ chế vận chuyển hỗ trợ là nền tảng cho hiệu suất cao của màng tách CO2 và H2S. Cơ chế này dựa trên phản ứng hóa học giữa các amin và khí axit, tạo ra các hợp chất trung gian dễ dàng khuếch tán qua màng. Điều này giúp tăng độ thấm và độ chọn lọc của màng, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ từ 100-150°C.

1.2. Ứng dụng thực tế

Màng tách CO2 đã được áp dụng để thu hồi CO2 từ khí thải và khí tự nhiên. Trong các thí nghiệm, việc sử dụng hơi nước làm khí quét đã giúp đạt nồng độ CO2 khô trên 98%. Công nghệ tách màng này cũng cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý khí thải và sản xuất nhiên liệu sạch.

II. Mô hình lò phản ứng màng WGS

Lò phản ứng màng WGS được nghiên cứu để tăng hiệu suất chuyển đổi CO và độ tinh khiết của H2. Mô hình một chiều không đẳng nhiệt được sử dụng để mô phỏng quá trình phản ứng và vận chuyển đồng thời trong lò phản ứng. Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ CO dưới 10 ppm và tỷ lệ thu hồi H2 trên 97% có thể đạt được từ khí tổng hợp.

2.1. Mô phỏng và thực nghiệm

Mô hình mô phỏng lò phản ứng màng WGS đã được xác nhận bằng các thí nghiệm thực tế. Việc loại bỏ CO2 đã làm dịch chuyển phản ứng WGS thuận, giảm đáng kể nồng độ CO xuống dưới 10 ppm. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cao, chứng minh tính khả thi của mô hình.

2.2. Ứng dụng trong pin nhiên liệu

Lò phản ứng màng WGS có tiềm năng lớn trong việc cung cấp H2 tinh khiết cho pin nhiên liệu. Việc tăng hiệu suất chuyển đổi CO và độ tinh khiết của H2 giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của pin nhiên liệu, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp và giao thông.

III. Công nghệ tách khí và xử lý khí thải

Nghiên cứu nhấn mạnh vai trò của công nghệ tách khí trong việc xử lý khí thải và sản xuất nhiên liệu sạch. Màng tách CO2 và H2S không chỉ giúp giảm lượng khí thải độc hại mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị như H2 tinh khiết. Quy trình tách khí được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao với chi phí thấp.

3.1. Tối ưu hóa quy trình

Quy trình tách khí được tối ưu hóa bằng cách điều chỉnh các thông số như áp suất, nhiệt độ và tỷ lệ khí quét. Việc giảm độ dày lớp chọn lọc trong màng tách đã giúp tăng đáng kể lượng CO2 thấm qua, cải thiện hiệu suất tổng thể của quy trình.

3.2. Ứng dụng trong công nghiệp

Công nghệ tách khí đã được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như năng lượng, hóa chất và môi trường. Việc thu hồi CO2 và H2S từ khí thải không chỉ giúp giảm ô nhiễm mà còn tạo ra các sản phẩm có giá trị, góp phần vào sự phát triển bền vững.