涡轮柴油机膜反应器的应用于7.7

归功于AirProducts和NorskHydro公司的成就，反应器已经到了实际应用的边缘（Julsrud，2006），见7.5节图7-2。最近通过由厚度为1.4mm，含Ba_xSr_1-xCo_yFe_1-yO_3-δ钙钛矿在850℃下组成的膜测得氧通量为8ml/cm²×min＝1.9g/（m²×s）。反应器设计的重要工作也已在荷兰的ECN由Vente等（2005）完成。

对于大型并能应用于实际的膜，有三种不同构造正在研究设计中，允许的氧通量为10ml/（cm²×min），接近测得的数据，在我们的计算中，取适中值J_O2＝1.9g/（m²×s）。

对于由外径200mm、通道尺寸为1.5mm、壁厚0.5mm的管道组成的单体反应器（见图7-10），计算出的重要参数为活性表面积与体积比值为400m²/m³，如图7-9中箭头所示。

功率为217kW的柴油涡轮机需要的氧气量为1.102mol/s或35.26g/s（见表7-5，节点29）。假定活性表面积与体积比值为400m²/m³，氧通量J_O2为1.9g/（m²×s），我们需要的表面积为35.264/1.9＝18.56m²或者活性膜的体积为0.0464m³。假定直径为0.2m时，管状反应器的长度为0.0464/0.0314＝1.477m，也可以是两个各0.75m长的模块，选用比重最大的陶瓷（氧化锆），比重为6000kg/m³，它的有效活性容积比为0.64（由于有通道），质量约为0.0464×0.64×6000＝178.17kg。钢外壳的质量为1.5×3.14×0.2×0.002×8000＝15.06kg。ITMR的总质量即为178.75＋15.06＝193.8kg。由于柴油发动机原型机的质量为219kg，ITMR的质量约为它的88％。

对于车载的ZEMPES，存在一个根本的问题——额外附加的重量。引起附加重量有三方面的原因：膜反应器、高温热交换器H1和随车携带的液态二氧化碳。

原形发动机质量为219kg，燃料质量也有51kg，所以总质量将达到270kg，设计的出力为52kW，因此原型机的单位功率的比重为270/52＝5.19kg/kW。

问题是零排放操作需要其他一些辅助设备，所以能不能通过使涡轮柴油机功率增加到一定程度来保持这比重？由于增加了汽缸充气中氧的含量，下面的表格给出了肯定的答案。如果生产的与捕获的二氧化碳的质量为燃料质量的3倍，意味着为153kg，ITMR的质量为193kg，热交换器H1的质量为50kg，所以涡轮柴油机的比重为（219＋153＋1938＋50）/217＝2837kg/kW，与原型机相比减轻了一半。

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图7-9 单体ITM反应器的汽缸形状的几何特性［由Sundkvist等（2007）计算，箭头显示为涡轮柴油机设计点，选取参数见图7-10］

表7-5 涡轮柴油机节点处参数

（续）

注：P为压力（kPa）；T为温度（K）；M为质量流量（mol/s）；H为焓（kJ/s）。