透氧膜反应器将氧气分离与催化反应整合在一起,在合成气制备、纯氧燃烧和水分解制氢等多个领域均有良好的应用前景。基于透氧膜的甲烷部分氧化膜反应器使用空气作为氧源来制备合成气,不仅有效降低制氧成本,生成的合成气中不含氮气和NOx,避免了后续繁琐耗能的非目标产物除杂过程,且供氧方式温和又均匀,相比甲烷与氧气直接共混更为安全,降低了爆炸风险,有效避免局部过热造成膜和催化剂的损伤失活等问题。将甲烷部分氧化膜反应器与甲烷二氧化碳重整或甲烷水汽重整耦合起来可以进一步提高甲烷转化率与合成气产量。基于透氧膜的合成气燃烧膜反应器可作为火管锅炉的火筒使用,合成气燃烧产生的热量用来加热外部的水产生高温蒸汽用于供热。火管锅炉用合成气燃烧膜反应器集氧气分离、合成气燃烧、蒸汽发生和CO2捕获于一体,燃烧后尾气中不含NOx,为工业上亟待解决的合成气稳定燃烧和降低污染物NOx的排放等问题提供了更佳解决方案。基于透氧膜的水分解制氢膜反应器通过原位移除产物中的O2打破了水分解平衡的限制,促使平衡不断向着生成氢气的方向移动,从而可以使反应持续不断地进行,实现氢气的连续性制备。将甲烷燃烧与水分解制氢耦合在一个膜反应器中,通过热交换,可以很大程度补偿水分解反应所需的热量,不但可以提高反应器的制氢能力,还可实现CO2的高浓度捕获。由于耦合了氧分离过程,透氧膜反应器内部行为,如流动、传热传质与化学反应等要比常规反应器更为复杂。而膜反应器的研究大多集中在实验方面,数值模拟方面的研究少有报道,因此对其开展仿真模拟研究十分必要。本论文针对这三种典型膜反应器过程,采用计算流体力学方法建立了各个膜反应器过程的仿真模型,对膜反应器过程进行了模拟分析,探究了各个膜反应器内部运行状态与特性,并研究了运行方式和条件等对膜反应器性能的影响规律。主要工作包括以下几个方面:构建并验证了管式LSCoF-6428膜反应器内甲烷部分氧化反应的二维轴对称稳态CFD模型,分析了甲烷空速、吹扫气中分别加入CO2、H2O及CO2-H2O混合气体对膜反应器温度分布、透氧量、甲烷转化率、H2/CO摩尔比以及合成气产量等性能的影响。研究发现,吹扫气为纯甲烷时,受膜透氧能力的限制,透氧量与合成气产量均随甲烷空速增大先增大而后趋于稳定。1158 K下反应器最优甲烷空速为9.21 min-1,超过该值时合成气产量基本不再增加且甲烷转化率会开始下降。在吹扫气中加入CO2、H2O或CO2-H2O混合气体可以极大提高甲烷转化率与合成气产量,并改变H2/CO摩尔比,但反应器内温度会逐渐降低。当吹扫气中分别加入CO2、H2O与CO2-H2O（CO2:H2O=1:2）混合气体,甲烷空速分别在15.92、17.04和16.51 min-1时,甲烷刚好完全转化,同时反应器内温度刚好降到了 973K,合成气产量分别增大到了6.49×10-08、5.20×10-08和5.64×10-08kg/cm2·s,约为纯甲烷时的2.3、1.8和2倍。加入CO2后合成气中H2/CO摩尔比小于2,加入H2O后大于2,加入CO2-H2O（CO2:H2O=1:2）混合气体后H2/CO摩尔比始终为2,适用于后续的费托反应。改变混合气中CO2与H2O的比例可以调节H2/CO摩尔比。构建并验证了火管锅炉用双流程管式LSCoF-6428合成气燃烧膜反应器的二维轴对称稳态CFD模型,分析了膜反应器的透氧性能和产热能力,并研究了膜两侧入口气体温度、sweep侧气体入口流率、CO2的含量以及合成气的组分变化对膜反应器性能的影响。研究发现,外壁面为485K的等温壁面时,膜温度沿轴向方向先有较大幅度降低,然后由于折流板的作用在靠近feed侧出口处有一小峰值出现。入口处氧通量最大,可达5.30×10-7 mol/cm2·s。产热功率为255.95 W,功率密度可达20.37 kW/m2。膜两侧气体入口温度对膜温度、氧通量和产热功率的影响程度相当。两侧入口气体温度同时从1073升高到1273K时,氧通量从0.59×10-7 增大到了 20.46× 10-7 mol/cm2·s,产热功率从 188.89 增到了 383.81 W,增大了一倍。辐射传热占比约72%-78%,对流占比约22%-28%。膜温度、氧渗透和产热功率均随着sweep侧吹扫气入口流率的增大而增大,随CO2含量的增大而减小,随H2/CO质量比的增大而增大。吹扫气流率从2×10-6增大到4×10-5 kg/s时,产热功率从148.73增到了 217.59 W。CO2质量分数从50%增加到90%时,产热功率从276.14降到了 194.44 W。对于火管锅炉用膜反应器,可以不添加稀释气CO2。H2/CO质量比从0.1:0.9增大到0.9:0.1时,产热功率从189.77增到了 320.75W。随着H2/CO质量比的增大,产物气中H2O含量的增多,混合气体的辐射出射度会减小,辐射传热速率占总传热速率的比例会减小。构建并验证了管式LSCuF-7328透氧膜反应器内水分解制氢与甲烷燃烧耦合的二维轴对称稳态CFD模型,研究了在耦合了甲烷燃烧反应的情况下,燃料流率、甲烷含量、入口温度以及膜厚度对膜反应器性能的影响。研究发现,当存在甲烷燃烧反应时,在反应器径向方向由于水分解的吸热作用,越靠近透氧膜温度越低,越靠近轴心温度越高。由于氧气沿轴向均匀缓慢的渗透,轴向温度分布均较为均匀。甲烷燃烧与水分解反应的耦合可以大大提高膜反应器的制氢能力。在一定条件下,有甲烷燃烧时的平均氢气产率可增大到无化学反应时的3倍。膜温度随燃料流率增大逐渐降低,在靠近反应器入口处,氧通量随燃料流率的增大而增大,之后则随燃料流率的增大而减小。当甲烷含量较低时,膜温度在靠近出口处出现了最低值之后略微有所升高。当甲烷含量较高时,膜内没有温度峰值出现,且轴向温度变化较小。甲烷转化率随着燃料流率和甲烷含量的增大而减小,氢气产率变化趋势相反。若要保证膜反应器的氢气产率,甲烷需过量,且由于膜反应器的透氧量有限,当甲烷已过量时,继续增大甲烷含量或燃料流率,氢气产率仅有小幅度的增长。提高入口气体的温度或减小膜厚可以提高甲烷转化率、增大透氧量和氢气产率。膜温度随入口气体温度的增大而增大,随膜厚的增大而减小。