甲醇蒸汽重整制氢的热力学、能量与?分析：反应参数优化与系统性能评估

本研究针对甲醇蒸汽重整制氢(SRM)过程中反应参数优化与系统性能评估的关键问题，通过Aspen Plus软件采用吉布斯自由能最小化法，系统分析了温度(100-500°C)、水醇比(W/M=0-3)和压力(1-10 bar)对甲醇转化率、H2产率和CO选择性的影响。研究发现高温、低压和高W/M比可提升H2产率，但温度过高会因逆水气变换反应(rWGS)导致CO增加。研究首次将热效率与?效率分析相结合，为SRM工艺优化提供了热力学依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为零碳能源载体备受关注。然而，氢能产业链中制氢环节仍面临效率瓶颈和碳排放问题。甲醇蒸汽重整(SRM)因其反应条件温和、氢碳比高等优势成为分布式制氢的重要选择，但该过程涉及复杂的反应网络，包括甲醇分解、水气变换(WGS)等主反应以及二甲醚(DME)、甲酸甲酯等副反应路径，反应参数调控直接影响H₂产率和系统能效。现有研究多聚焦单一参数影响，缺乏对热力学性能的系统评估。

印度理工学院的研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表论文，采用Aspen Plus软件建立SRM过程的吉布斯自由能最小化模型，综合考虑12种可能产物（包括CH₄、C等副产物），首次将传统热力学分析与热效率（基于热力学第一定律）和?效率（基于第二定律）评价相结合。研究通过参数敏感性分析，揭示了温度、压力和水醇比(W/M)的协同作用机制。

关键技术包括：1）基于吉布斯自由能最小化原理的Aspen Plus流程模拟；2）考虑气相和固相（积碳）的多相平衡计算；3）引入热效率(η_th)和?效率(η_ex)的双重评价体系；4）对逆水气变换(rWGS)等关键反应的定量分析。

【Thermodynamic modeling and simulation】
通过建立包含标准吉布斯自由能(G_i⁰)和逸度(f_i)的多元方程组，模拟显示在250°C以上时甲醇转化率>90%，但最佳H₂产率出现在300°C（3.05 mol/mol甲醇）。压力升高至10 bar使H₂产率降低18%，证实勒夏特列原理对重整反应的影响。

【Equilibrium product distribution】
W/M比从1增至3时，CO选择性从15.2%骤降至1.8%，而H₂产率提升26%。温度超过400°C后，rWGS反应导致CO占比回升至12.3%。副产物分析显示CH₄在低温区(<200°C)占比达8.7%，而DME、HCOOH等中间体在W/M>2时被完全抑制。

【Conclusions】
该研究建立了SRM过程的全参数优化空间：最佳操作窗口为300-350°C、W/M=2.5、1-3 bar，此时η_th达68%而η_ex为54%。研究发现?损主要来自反应器热传导和未转化甲醇的化学?，为后续反应器设计提供了改进方向。这项工作首次将传统热力学分析与高级能量指标相结合，为分布式制氢系统的优化提供了量化工具。