氢能载体甲基环己烷在Niγ-Al2O3催化剂上的脱氢反应研究,环己烷脱氢,脱氢催化剂,烷烃脱氢催化剂再生,乙苯脱氢催化剂,丙烷脱氢催化剂,长链烷烃脱氢催化剂,异丁烷脱氢催化剂,脱氢反应催化剂,氢能源

1.本发明涉及一种利用沼气制取氢气的方法，属于沼气利用技术领域。

2.制取绿氢方法主要有两种，一是光伏风电等绿电电解水制氢，另一就是利用生活垃圾及农村废弃物经过厌氧发酵生产沼气，然后转化其中的生物甲烷制取绿氢。
3.城市的生活垃圾、厨余垃圾及餐厨垃圾，垃圾填埋厂等经厌氧发酵即可产生大量沼气，并与城市人口正相关，这些沼气经过转化制绿氢用于城市公共交通的物流，就可对零碳城市做出贡献。
4.村镇的秸秆、畜禽粪便及农林废弃物等经过厌氧发酵也可生产大量沼气，通过对沼气中的生物甲烷转化制绿氢再与光伏电网相配合，就可实现农村零碳交通和绿色用能。
5.传统的沼气利用方法必须先脱除沼气中的co2，提高甲烷的浓度，然后才能够进行甲烷蒸汽转化生产氢，工艺比较繁琐。

6.为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种利用沼气制取氢气的方法，通过同步进行甲烷蒸汽转化与co2干重整反应，制备得到含有co和h2的合成气。
7.为达到上述目的，本发明提供了一种沼气制h2的方法，其包括以下步骤：
8.将催化剂装填于反应器；
9.将沼气和水输入反应器与催化剂接触转化为co和h2的合成气；
10.其中，所述催化剂为双功能催化剂，能够同时催化甲烷蒸汽转化与co2干重整反应。
11.在上述方法中，优选地，所述催化剂的活性组分为镍，助剂为碱金属和/或碱土金属，载体为氧化铝；以该催化剂的质量计，活性组分的含量为1
15％)，助剂的含量为0.1
10％)，余量为载体。其中，作为助剂的碱金属包括k等，碱土金属包括ca、mg等。其中，活性组分、助剂均是以氧化物的形式存在于催化剂之中。
12.在上述方法中，优选地，所述反应器为等温床反应器或变温床反应器。
13.根据本发明的具体实施方案，当采用等温床反应器时，等温床反应器的温度可以控制为700
1000℃。转化的具体工艺条件可以控制为：压力为常压
14.根据本发明的具体实施方案，本发明采用的等温床反应器可以为管式，催化剂装填于反应管内，感应线圈均匀缠绕在反应管的外壁上，在感应线圈通电之后，反应管与感应线圈之间产生电磁感应，反应管生热，从而实现对于反应管内部的原料的加热。其中，反应管与感应线圈之间可以以保温材料(例如水泥、防火材料等)填充。
15.根据本发明的具体实施方案，采用感应线圈为等温床反应器供能时，所述感应线圈均匀地缠绕在反应管外部。常规的蒸汽转化装置、干重整装置是通过燃油、燃气的燃烧提
供热量，通过燃烧室内的烧嘴进行燃烧供热，然后通过与反应管换热实现对于反应管的加热，进而加热反应管中的原料，然而由于燃烧室内不同区域的温度不均匀，导致这种换热往往都不均匀，热量会在局部区域集中，无法实现催化剂各部分的温度均能够均匀控制，转化反应也不均匀。而本发明通过感应线圈对反应管进行加热，加热效率高，而且感应线圈在反应管均匀分布，能够使反应管均匀地产生电磁感应，能够真正实现等温反应。
16.在上述方法中，优选地，输入所述感应线圈的电流的频率为中频或高频，其中，所述高频为5
17.在上述方法中，优选地，输入所述感应线圈的电流的频率通过电源和电容调节。所述感应线圈与所述电源连接形成回路，并且，所述电源与所述电容并联，如图1所示。其中，本发明所采用的电源可以是常用的工业电源，例如中频电源、高频电源。电源的功率等规格参数可以根据需要调节到的频率进行选择，所述电源的额定功率优选为100
500kw。电容的规格也可以根据需要进行选择，能够与电源配套，满足频率控制要求即可。
18.本发明所采用的感应线圈可以选自铁氧体线圈、铁芯线圈、空心线圈、铜芯线圈等中的一种或两种以上的组合。
19.根据本发明的具体实施方案，本发明所采用的反应管的尺寸可以根据需要进行选择，其中，反应管的内径可以为50
250mm，长度可以根据反应需要进行选择。
20.根据本发明的具体实施方案，反应管的材质分别可以为金属或合金，包括但不限于通常用于蒸汽转化的反应管、干重整的反应管的材料。所述金属或合金优选为能够耐受1000℃温度的金属或合金，更优选为能够耐受1200℃温度的金属或合金。本发明的反应管的材质分别可以选自316l不锈钢、304s不锈钢、hk40高温炉管材料、hp40高温炉管材料、hp micro alloy微合金钢或manaurite xtm蒸汽裂解炉用材料等。
21.在上述方法中，优选地，制备得到的co和h2的合成气通过co交换反应和变压吸附分离出h2。
22.本发明所提供的技术方案将光伏风电等绿电通过中频炉供能于沼气加水等温床转化制合成气，合成气经co变换和变压吸附提氢可真正实现零碳足迹绿氢。上述绿色来源的电包括光伏发电、风力发电和水力发电所获得的电中的一种或两种以上的组合。
23.本发明采用的双功能催化剂具有ch4与水蒸气转化生产co和h2及甲烷与co2转化生产co和h2的功能，沼气加水蒸气后，沼气中的甲烷与水合沼气中的co2同时转化为co和h2，沼气不需分离co2，较传统技术可省去沼气脱co2过程，经双功能催化剂转化生成为co与h2合成
气，该合成气可以用于还原铁的生产，也可以历经传统的co交换反应和变压吸附(psa)分离出h2，从而实现沼气不需脱除co2而双功能转化后，只需采用psa一次脱除co2就可生产出绿色h2。
24.图1为本发明的电源、感应线圈、电容器的电路示意图。
26.为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
6分别提供了一种利用利用沼气制取氢气的方法，其中，所采用的原料沼气的主要成分含量为：ch4、55％；co2、45％，h2s＜5ppm，所采用的催化剂如表1所示，反应条件和结果如表2所示。
本实施例采用等温床反应器，以感应线圈对反应管进行加热，如图2所示。图2中的左图为催化剂装填方式示意图，其中，靠近入口处的为常用填料，下方的是催化剂床层。图2中的右图为感应线圈的缠绕方式示意图，感应线圈均匀地缠绕在反应管的外壁上，在高度上对应于反应管内部的催化剂高度。
由表2的数据可以看出：在双功能催化剂的作用下，沼气在不脱除co2的情况下完成了转化，获得了含有较多h2和co的产品气，该产品气中的co浓度较高。
工业通用的甲烷蒸汽转化的水碳比需要达到3：1，以保证甲烷的转化率，而且，沼气是在脱除co2之后以较高浓度的甲烷进行蒸汽转化，很容易引起积碳。而本发明的技术方
案在不脱除co2的情况下进行甲烷蒸汽转化，以较低的水碳比进行反应，仍能够保证较高的甲烷转化率，同时还能够避免出现积碳。

地壳中含量由多到少的元素是： 氧、硅、铝、铁、钙、钠、镁 ；含量最多的金属元素是铝 元素。

1、有金属光泽：大多数金属都有银白色金属光泽，少数金属是特殊颜色如铜是紫红色，金是金黄色。

2、固体：除汞(液体)外，大多数为固体

3、导电性:电场中,自由电子定向运动.

4、传热性：自由电子与金属离子碰撞而交换能量.

5、延展性：形变末破坏金属键。延性：拉成细丝的性质。展性：压成薄片的性质。

三、金属的化学性质（离子方程式）

1、金属与氧气反应 镁条燃烧Mg+O2=（点燃）2MgO

（排在H前面的金属能置换出酸里的氢）

排在前面的金属能把排在后面的金属从其盐溶液中置换出来

Na、Mg、Al的原子结构示意图

金属最外层上的电子一般少于4个,反应中很容易失去电子,表现出较强的还原性。(做还原剂）

2.下列金属中，表面能形成致密氧化层，保护内层金属不被空气氧化的是（ ）

3.铁能压成薄片，这是因为（）

4.下列物质中，既能跟盐酸反应，又能和NaOH溶液反应的是（ ）

5.设 为阿伏加德罗常数的值，下列说法正确的是（ ）

A. 3.0g甲醛和乙酸的混合物中所含的原子数为 B. 与 充分反应，转移的电子数为 C. 的稀硫酸中含有的氢离子数目为 D. 4.6g有机物 的分子结构中碳氢键数目一定为

6.下表中的各组物质之间通过一步反应就能实现如图所示转化的是（ ）

7.蛟龙号载人潜水器外壳用特殊的钛合金材料制成，它可以在深海中承受 700 个大气压的压力。已知金属钛的原子序数为 22，化学性质与铝类似。下列说法错误的是（ ）

A. 在空气中将金属钛、铝混合后熔化可制得合金 B. 钛合金硬度比单质钛大C. TiO2一定条件下可能会溶于强酸或强碱 D. 钛合金的熔点低于单质钛

8.等质量的下列有机物完全燃烧消耗氧气(相同状况下)最多的是（ ）

9.设 为阿伏加德罗常数的值。下列说法正确的是（ ）

A. 6.2g 和6.4g 中，中子数均为3.2 B. 标准状况下，22.4mL 中含有的碳原子数为 C. 2L0.5mol/L 溶液充分水解后，所得 胶粒的数目为 D. 将氯气通入 溶液中，当有3 被氧化时，消耗标准状况下氯气33.6L

10.把X溶液逐滴滴入Y溶液中，与把Y溶液逐滴滴入X溶液中，反应现象不同的是( )

1.了解金属材料组成、性能及应用的联系。

2.认识铁合金的类型、常见铁合金的组成、性能及用途。

3.认识铝及氧化铝的化学性质，了解铝合金的特性、用途。

4.掌握物质的量在化学方程式计算中的应用及其格式。

（1）性能决定用途的观念

（2）物质的量在化学方程式计算中的应用

物质的量在化学方程式计算中的应用

[投影]展示古代炼铜场景。

[引入]金属材料的发展对技术、社会有重要意义，例如，古代冶炼铜就体现了化学的发展对社会各行业发展的影响，当时冶炼铜的技术对于国家军事和经济的发展具有很大的促进作用，同时也改善了百姓的生活条件。这节课就让我们一起来学习金属材料。

[设计意图]了解金属材料的发展历史，有利于学生体会化学、技术与社会的重要关系，激发社会责任感，提高求知欲。

[师]初中阶段我们就已经接触过金属材料，金属材料包括纯金属和它们的合金。那么什么是合金呢？

[投影]合金是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的，具有金属特性的混合物。

[师]那么合金究竟有哪些特性呢？

[学生活动]思考，并回答：

(1)合金的硬度一般比各成分金属的大。

(2)合金的熔点一般比各成分金属的低。

(3)合金的物理、化学及机械性能一般优于各成分金属。

（1）合金是混合物,不是纯净物。

（2）与一般混合物不同的是合金有固定的熔点,原因是合金有固定的组成。

（3）组成合金的物质不一定都是金属,也可以有非金属,但一定有金属。

（4）合金的用途比纯金属更广泛。

[思考]刚刚说到合金的硬度一般比其成分金属大，这是为什么呢？大家结合图片中纯金属与合金的结构比较来思考一下这个问题。

[投影]展示纯金属与合金的结构比较图。

纯金属内原子的排列 合金内原子的排列

[学生活动]学生思考并回答：纯金属所有原子的大小和形状相同，原子排列十分规整；加入或大或小的其他元素的原子后，改变了金属原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难，导致合金硬度变大。

[师]简单了解了合金之后，大家知道合金有哪些吗，合金又是如何分类的呢？上节课我们学习了铁及其重要的化合物，那么我们就先从铁的合金开始学习。

[讲解]铁合金分为生铁和钢。生铁的含碳量为2%~4.3%，硬度大、抗压、性脆、可以铸造成型，是制造机座、管道的重要材料；钢的含碳量为0.03%~2%，延展性好、机械性能好、可以锻轧和铸造，广泛用于制造机械和交通工具。

[投影]生活中下水井盖就是用生铁铸造的。

[师]钢则是用量最大、用途最广的合金，根据其化学成分可以分为两类：碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量高低可以分为低碳钢（含碳量低于0.3%）、中碳钢（含碳量介于0.3%—0.6%）和高碳钢（含碳量高于0.6%）。其中低碳钢的韧性、焊接性好，强度低，常用于制造钢板、铁丝和钢管等；中碳钢的强度高，韧性和加工性好，常用于制造钢轨、车轮和建材等；高碳钢的硬而脆，热处理后弹性好，常用于制造器械、弹簧和刀具等。

合金钢也叫特种钢，是在碳素钢里适量加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构发生变化。合金钢具有各种特殊性能，如强度，硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀等。

[师]不锈钢是最常见的一种合金钢，它的合金元素主要是铬(Cr)和镍(Ni)。常用的不锈钢中含Cr 18%、含Ni 8%。不锈钢在大气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。生活中常见的医疗器材、厨房用具和餐具等，很多都是用不锈钢制造的；有些地铁列车的车体材质也是不锈钢。

[过渡]我们知道铝的性质是很活泼的，铝原子在化学反应中容易失去三个电子，表现出还原性,那么为什么铝和铝合金制品应用如此广泛，哪位同学可以根据我们初中所学知识解释一下呢？

[生]铝和铝合金制品比较稳定的原因是表面覆盖着致密的氧化铝薄膜,保护内部金属。

[讲解]人们日常用的铝制品通常都是由铝合金制造的，其表面总是覆盖着致密的氧化铝薄膜，这层膜起着保护内部金属的作用。空气中，铝的表面自然形成的氧化膜很薄，耐磨性和抗蚀性还不够强。为了使铝制品适应于不同的用途，常采用化学方法对铝的表面进行处理，如增加膜的厚度，对氧化膜进行着色等。例如，化学氧化（用铬酸作氧化剂）可以使氧化膜产生美丽的颜色。

[实验1]在一支试管中加入5mL盐酸，再向试管中放入一小块铝片（未打磨）。观察现象。过一段时间后，将点燃的木条放在试管口，观察现象。

[生]铝片逐渐溶解，一段时间后产生气泡且速率由慢到快，将燃着的木条放在试管口，有爆鸣声（说明有氢气生成）。

[结论]铝和铝表面的氧化膜（氧化铝）都能与酸反应。

[师]请大家写出其中涉及到的化学方程式。

[实验2]在两支试管中分别加入少量的NaOH溶液，然后向其中一支试管放入一小块铝片，向另一支试管中放入用砂纸仔细打磨过的一小块铝片。

过一段时间后，将点燃的木条分别放在两支试管口，观察现象。

[生]可以看到，放入打磨过铝片的试管中立即产生气泡；而放入未打磨的铝片的试管中开始没有气泡，一段时间后才产生气泡。将燃着的木条分别放在两支试管口，均发出爆鸣声（说明均有氢气生成）。

[结论]铝和铝表面的氧化膜（氧化铝）都能与强碱反应。

[师]请大家写出其中涉及到的化学方程式。（严格地说，NaAlO2应为Na[Al(OH)4]（四羟基合铝酸钠），为书写方便，简化为NaAlO2。）

[讲解]像Al2O3这类既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物，叫做两性氧化物。

[提问]在日常生活中，能否用铝制餐具蒸煮或长时间存放酸性或碱性食物？为什么？

[生]不能，因为氧化铝和铝均能与酸、碱反应。

[师]纯铝的硬度和强度较小，不适合制造机器零件等。向铝中加入少量的合金元素，如Cu、Mg、Si、Mn及稀土元素等，可制成铝合金。铝合金是目前用途广泛的合金之一。

[师]中国作为世界上有色金属铸件的生产和消费大国之一，有色金属铸造已成为支撑国民经济发展的重要新兴产业，其中铝合金部品行业更是有色金属铸造行业的支柱。铝是地壳中含量最多的金属，与此同时，我国作为氧化铝、电解铝产量的世界第一生产大国，拥有丰富的劳动力资源以及巨大的消费市场，为我国铝合金部品行业的发展提供了良好的基础。2009年以来我国铝合金部品产量占全球产量的比重均在30%以上，2017年达到了40%，我国已成为国际铝合金铸造产业的中心。

[师]近年来，为满足为满足某些尖端技术的需要，人们又设计和合成了许多新型合金。

[讲解]例如能源是人类未来的理想能源之一,氢能利用存在两大难题:制取和储存。H2是一种易燃易爆的气体,要利用H2关键要解决H2的安全储存和运输问题。一般情况下,H2采用气态或液态储存,如在高压下把H2压入钢瓶,但运送笨重的钢瓶既不方便也不安全。储氢合金是一类能够大量吸收H2,并与H2结合成金属后氢化物的材料。具有实用价值的储氢合金要求储氢量大,金属氢化物既容易形成,稍稍加热又容易分解,室温下吸、观察放氢的速率快,如Ti-Fe合金和La-Ni合金等。新型储氢合金材料的研究和开发将为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。此外,钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。

[过渡]物质是由原子、分子、离子等粒子构成的，物质之间发生化学反应是按一定微观粒子数目关系进行的，化学方程式可以明确表示化学反应中这些粒子数之间的数目关系。这就是化学计量数的关系。如：我们以H2和O2的反应为例:

[总结]由上述分析可知，化学方程式中各物质的化学计量数之比，等于各物质的物质的量之比，等于参加反应的物质的物质的量之比。

[师]在高中阶段的化学计算中，我们将不再沿用初中的质量计算体系，而是要建立使用物质的量进行计算的新型模式。计算步骤与用质量计算步骤类似。我们一起来学习一下吧。

[投影]展示物质的量应用于化学方程式计算类的解题步骤。

（1）“审”：审清题目条件和题目要求

（2）“设”：设出的未知数直接用各物理量的符号表示，并且不带单位。

（3）“写”：依据题意写出并配平化学方程式。

（4）“标”：在化学方程式中有关物质的化学式下面标出已知物质和所求物质有关物理量的关系，并代入已知量和未知量。比较复杂的数量关系可先化简。

（5）“列”：将有关的几个量列出比例式。

（6）“解”：根据上述比例式求解未知数。

（7）“答”：根据题目要求简明地写出答案。

[强调]有关物质的量的计算中的“三个规范”

(1)书写规范：各种符号的书写要规范，大写字母与小写字母的意义各不相同。如“M”表示摩尔质量，而“m”表示质量，“N”表示微粒数，而“n”表示物质的量。

设未知数直接用各物理量的符号表示，且要注明物质(或粒子)的符号。如设参加反应HCl溶液的体积为V[HCl(aq)]。

各物理量及单位、物质的名称、公式等尽量用符号表示。如已知NaOH溶液的体积和物质的量浓度，求NaOH溶液的质量时就写成：m(NaOH)＝c(NaOH)×V[NaOH(aq)]×M(NaOH)。

(3)单位规范：把已知量代入计算式中计算时都要带单位且单位要统一。

五、物质的量在化学方程式计算中的应用

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