觸媒檢測裝置

专利摘要:
一種觸媒檢測裝置，係可適用於液態進料，其包括一管型加熱爐單元、一U型管反應單元、一氣體質量流量控制單元、一定量單元、二壓力量測單元、一氣水分離單元及一氣相層析單元所構成。當運用時，天然氣及空氣流量係由該氣體質量流量控制單元精確控制流量，通至該U型管反應單元，而水之進料方式係由該定量單元將純水直接以十六分之一英吋不鏽鋼管注入該U型管反應單元，使純水沿著管壁往下流入，並在該U型管反應單元入口端之前半段受熱氣化成水蒸氣，藉由天然氣及空氣帶至管中觸媒區進行重組反應。透過後端氣相層析，將提供燃料電池發電需求之產氣體積及組成進行分析，藉由提供觸媒性能之穩定性測試，俾供使用者了解重組觸媒之產氫效能。藉此，本發明具有結構簡單、操作靈活、且設備及操作成本低，明顯具有較大規模經濟優勢等優點。
公开号:TW201301646A
申请号:TW100122099
申请日:2011-06-24
公开日:2013-01-01
发明作者:Ning-Yih Hsu；Chun-Ching Chien；Yu Chao
申请人:Atomic Energy Council；
IPC主号:Y02E60-00

专利说明:
觸媒檢測裝置
本發明係有關於一種觸媒檢測裝置，尤指涉及一種可適用於液態進料，特別係指可一體完成氣、液進料而與觸媒進行重組反應之裝置。
從十八世紀工業革命後，人類開始懂得大量使用能源，石化能源雖然帶領人類進步，得以機械力代替人力，然而長期使用石化能源，卻已經使地球明顯暖化。鑑此，氫能係眾多替代能源選項之一，也係最受看重之一種潔淨能源，由於氫氣在氧化後只產生人類需要之水及熱之產物，相較於太陽能之低能量密度及生產製程不環保，風能之不穩定，生質能之部分食物排斥性，以及碳氫燃料燃燒造成溫室氣體大量排放，顯然氫能為較乾淨之能源型態。
因此，氫能源發展系統中之產氫工程即相當重要，產生之氫氣可供各種燃料電池使用，而固態氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)係近年發展重點項目之一，不僅可兼顧環保，亦可在新能源領域中找到一條出路，係在高溫環境中以豐富氫氣作為燃料之潔淨能源。而能產生含有豐富氫氣之原料，包括甲烷、甲醇、乙醇、天然氣、液化石油氣與汽油等等，皆能經由高溫重組反應以產生氫氣，而產氫過程之重要關鍵即為觸媒之穩定性優劣，當具備良好性能之觸媒再搭配適當之操作條件，即可得到高氫氣產率(Y%)及燃料之高轉化率(X%)。
對此，檢測觸媒之性能即為首項要事；惟，目前一般習用之觸媒檢測裝置，其對原料之進料僅提供氣態進料，意即，其係將原料中之水先另外加熱為水蒸氣型態後，再與天然氣及空氣依一定比例混合，藉由觸媒重組反應以產生富氫氣體(Reformate)，而提供燃料電池發電需求。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時做到一體完成氣液進料之所需。
職是之故，鑑於習知技術之各項問題，為了能夠兼顧解決之，發展一種能避免已知技術之方法與設備之缺點，並且能夠進行符合實用進步性與產業利用性之方法與設備有其必要。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種可適用於液態進料，可一體完成氣、液進料而與觸媒進行重組反應之觸媒檢測裝置。
本發明之次要目的係在於，提供一種可同時進行氣、液態之進料，使純水沿著管壁往下流入，並在反應器入口端之前半段受熱氣化成水蒸氣，藉由天然氣及空氣帶至觸媒區進行重組反應之觸媒檢測裝置。
為達以上之目的，本發明係一種觸媒檢測裝置，其至少包括一管型加熱爐單元、一U型管反應單元、一氣體質量流量控制單元、一定量單元、二壓力量測單元、一氣水分離單元及一氣相層析單元所構成。
上述所提之管型加熱爐單元用以提供水氣化、氣體預熱及反應溫度之控制，該管型加熱爐單元之內徑係為52～78毫米(mm)之間，且其長度為160～240mm之間。其中較佳之內徑為65mm，長度係為200mm。
上述所提之U型管反應單元係設置於該管型加熱爐單元中，於其出口端底部設有一觸媒區，提供觸媒填裝於其中，並自該出口端處連接有一熱電偶至該觸媒區，俾以量測管中觸媒之溫度，該U型管反應單元之內徑係為8～12mm之間，而其外徑則為9.6～14.4mm之間，且該U型管反應單元之長度係為720～1080mm之間。其中較佳之內徑為10mm，外徑係為12mm，且其長度為900mm。
上述所提之氣體質量流量控制單元係連接於該U型管反應單元入口端，包括空氣質量流量單元及天然氣質量流量單元，用以將重組反應之空氣及天然氣進料定量，使空氣及天然氣通入該U型管反應單元中。
上述所提之定量單元係連接於該U型管反應單元入口端，用以控制水流量，將純水直接以十六分之一英吋不鏽鋼管注入該U型管反應單元。
上述所提之壓力量測單元係分別設置於該U型管反應單元入口端及出口端，用以量測之壓力差值，監測觸媒是否有粉化或碳析出而附著於管路致壓力差值逐漸上升之情形。
上述所提之氣水分離單元係置於該U型管反應單元出口端，並與該U型管反應單元出口端之間設置有一冷卻單元，該氣水分離單元具有一容置空間，用以將該U型管反應單元產出之高溫重組氣體，經該冷卻單元降溫冷凝後進行氣水分離，使冷卻凝結之液體導出至該容置空間中，而冷卻未凝結之氣體則經一聚乙烯(Polyethylene,PE)管路引出收集，並於氣體量多時令其經一排氣管路引出至室外排除。其中，該PE管路內係裝填有一乾燥劑，用以乾燥欲進入該氣相層析單元之混合氣體產物。
上述所提之氣相層析單元係與該氣水分離單元連接，用以將該氣水分離單元所分離且經乾燥後之混合氣體產物進行產氣分析，俾以分析重組產物組成。
於一實施例中，上述U型管反應單元入口端與該氣體質量流量控制單元及該定量單元之間設有一四通管件或三通管件，作為天然氣、空氣及水之輸入。
於一實施例中，上述氣水分離單元具有一第一通路及一第二通路，以使該第一通路提供該冷卻單元出口端連接、及該第二通路提供該排氣管路及該PE管路連接，其中，該第二通路與該氣相層析單元及室外之間係設有一三通管件，藉此作為混合氣體產物之輸出。
請參閱『第1圖』所示，係本發明之結構示意圖。如圖所示：本發明係一種觸媒檢測裝置，係可適用於液態進料，其至少包括一管型加熱爐單元1、一U型管反應單元2、一氣體質量流量控制單元3、一定量單元4、二壓力量測單元5、一氣水分離單元6及一氣相層析單元7所構成。
上述所提之管型加熱爐單元1係為1000℃可程式高溫爐，用以提供水氣化、氣體預熱及反應溫度之控制，該管型加熱爐單元1之內徑係為52～78毫米(mm)之間，且其長度為160～240mm之間，其中較佳之內徑為65mm，長度係為200mm。
該U型管反應單元2係為U型石英管，設置於該管型加熱爐單元1中，於其出口端底部設有一觸媒區21，提供觸媒9填裝於其中，並自該出口端處連接有一熱電偶22至該觸媒區21，俾以量測管中觸媒9之溫度。該U型管反應單元2之內徑係為8～12mm之間，而其外徑則為9.6～14.4mm之間，且該U型管反應單元2之長度係為720～1080mm之間，其中較佳之內徑為10mm，外徑係為12mm，且其長度為900mm。
該氣體質量流量控制單元3係連接於該U型管反應單元2入口端，其包括空氣質量流量單元31及天然氣質量流量單元32，用以將重組反應之空氣(Air)及天然氣(NG)進料定量，使空氣及天然氣通入該U型管反應單元2中。
該定量單元4係為針筒泵浦，連接於該U型管反應單元2入口端，用以控制水流量，將純水直接以十六分之一英吋不鏽鋼管注入該U型管反應單元2。
該些壓力量測單元5係分別設置於該U型管反應單元2入口端及出口端，用以量測之壓力差值，監測觸媒是否有粉化或碳析出而附著於管路致壓力差值逐漸上升之情形。
該氣水分離單元6係置於該U型管反應單元2出口端，並與該U型管反應單元2出口端之間設置有一冷卻單元8，該氣水分離單元6具有一容置空間61，用以將該U型管反應單元2產出之高溫重組氣體，經該冷卻單元8降溫冷凝後進行氣水分離，使冷卻凝結之液體導出至該容置空間61中，而冷卻未凝結之氣體則經一聚乙烯(Polyethylene,PE)管路64引出收集，並於氣體量多時令其經一排氣管路65引出至室外排除。其中，該PE管路64內係裝填有一乾燥劑641，用以乾燥欲進入該氣相層析單元7之混合氣體產物。
該氣相層析單元7係與該氣水分離單元6連接，用以將該氣水分離單元6所分離且經乾燥後之混合氣體產物進行產氣分析，俾以分析重組產物組成。
上述U型管反應單元2入口端與該氣體質量流量控制單元3及該定量單元4之間設有一四通管件23，作為天然氣、空氣及水之輸入。於另一實施例中，亦可為三通管件(圖中未示)，可將該空氣質量流量單元31及該天然氣質量流量單元32並聯為一管路。
上述氣水分離單元6具有一第一通路62及一第二通路63，以使該第一通路62提供該冷卻單元8出口端連接、及該第二通路63提供該排氣管路65及該PE管路64連接，其中，該第二通路63與該氣相層析單元7及室外之間係設有一三通管件66，藉此作為混合氣體產物之輸出。
於一較佳實施例中，上述U型管反應單元2為一支內徑10mm之U型石英管，且上述觸媒區21係以一段長3公分且直徑3mm之小石英管211，放置於該U型管反應單元2出口端底部，並在該小石英管211中填裝約7克觸媒9，再於該小石英管211上、下方各放置一石英綿212所成；之後將裝填觸媒9之U型管反應單元2固定於上述管型加熱爐單元1中，並使重組產氫之實驗反應溫度固定在780℃至1000℃中進行。在該U型管反應單元2入口端裝設上述四通管件23，作為天然氣、空氣及水之進入；而出口端後方則裝設上述三通管件66，以使產物流出外，另於出口端處可接上述熱電偶22以量測該觸媒區21中觸媒9之溫度。產出之高溫氣需先經過上述冷卻單元8及氣水分離單元6，之後以該三通管件66連接排氣之一側，把大量氣體由上述排氣管路65排至室外，而連接分析之另一側，透過上述管內裝填有乾燥劑之PE管路64，把部分氣體由該PE管路64先經乾燥後進入上述氣相層析單元7加以分析。
當運用時，天然氣及空氣流量係由上述氣體質量流量控制單元3精確控制流量，通至該U型管反應單元2，而水之進料方式係由上述定量單元4將純水直接以十六分之一英吋不鏽鋼管注入該U型管反應單元，使純水沿著管壁往下流入，並在該U型管反應單元2入口端之前半段受熱氣化成水蒸氣，藉由天然氣及空氣帶至該觸媒區21進行重組反應。待反應物進料反應約3分鐘後，產出之高溫氣經該冷卻單元8冷凝及該氣水分離單元6氣水分離後，由該氣相層析單元7進行產氣分析，設定每小時偵測分析生成之氣體成份並記錄之。於其中，本發明另於進料入口端及出口端各加裝一壓力量測單元5，可使觸媒檢測裝置在進行長期運轉時，藉其量測之壓力差值有無逐漸上升之趨勢，監測觸媒是否有粉化或碳析出而附著於管路之情形發生。
藉此，本發明之結構係可同時進行氣、液態之進料，無需將液態另於他處先行氣化為氣態後再進料。本裝置係可一體完成氣、液進料而與觸媒進行重組反應，透過後端氣相層析，將提供燃料電池發電需求之產氣體積及組成進行分析，藉由提供觸媒性能之穩定性測試，俾供使用者了解重組觸媒之產氫效能。因此，本發明具有結構簡單、操作靈活、且設備及操作成本低(可一體使用氣、液態進料)，明顯具有較大規模經濟優勢等優點。
綜上所述，本發明係一種觸媒檢測裝置，可有效改善習用之種種缺點，係為可一體完成氣、液進料而與觸媒進行重組反應，透過後端氣相層析，將提供燃料電池發電需求之產氣體積及組成進行分析，藉由提供觸媒性能之穩定性測試，俾供使用者了解重組觸媒之產氫效能，具有結構簡單、操作靈活、且設備及操作成本低，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1．．．管型加熱爐單元
2．．．U型管反應單元
21．．．觸媒區
211．．．小石英管
212．．．石英綿
22．．．熱電偶
23．．．四通管件
3．．．氣體質量流量控制單元
31．．．空氣質量流量單元
32．．．天然氣質量流量單元
4．．．定量單元
5．．．壓力量測單元
6．．．氣水分離單元
61．．．容置空間
62．．．第一通路
63．．．第二通路
64．．．聚乙烯管路
641．．．乾燥劑
65．．．排氣管路
66．．．三通管件
7．．．氣相層析單元
8．．．冷卻單元
9．．．觸媒
第1圖，係本發明之結構示意圖。
1．．．管型加熱爐單元
2．．．U型管反應單元
21．．．觸媒區
211．．．小石英管
212．．．石英綿
22．．．熱電偶
23．．．四通管件
3．．．氣體質量流量控制單元
31．．．空氣質量流量單元
32．．．天然氣質量流量單元
4．．．定量單元
5．．．壓力量測單元
6．．．氣水分離單元
61．．．容置空間
62．．．第一通路
63．．．第二通路
64．．．聚乙烯管路
641．．．乾燥劑
65．．．排氣管路
66．．．三通管件
7．．．氣相層析單元
8．．．冷卻單元
9．．．觸媒

权利要求:
Claims (11)
[1] 一種觸媒檢測裝置，係可適用於液態進料，其包括：一管型加熱爐單元，用以提供水氣化、氣體預熱及反應溫度之控制，該管型加熱爐單元之內徑係為52～78毫米(mm)之間，且其長度為160～240mm之間；一U型管反應單元，係設置於該管型加熱爐單元中，於其出口端底部設有一觸媒區，提供觸媒填裝於其中，並自該出口端處連接有一熱電偶至該觸媒區，俾以量測管中觸媒之溫度，該U型管反應單元之內徑係為8～12mm之間，而其外徑則為9.6～14.4mm之間，且該U型管反應單元之長度係為720～1080mm之間；一氣體質量流量控制單元，係連接於該U型管反應單元入口端，用以將重組反應之空氣(Air)及天然氣(NG)進料定量，使空氣及天然氣通入該U型管反應單元中；一定量單元，係連接於該U型管反應單元入口端，用以控制水流量，將純水直接以十六分之一英吋不鏽鋼管注入該U型管反應單元，使純水沿著管壁往下流入，並在該U型管反應單元入口端之前半段受熱氣化成水蒸氣，藉由天然氣及空氣帶至該觸媒區進行重組反應；二壓力量測單元，係分別設置於該U型管反應單元入口端及出口端，用以量測之壓力差值，監測觸媒是否有粉化或碳析出而附著於管路致壓力差值逐漸上升之情形；一氣水分離單元，係置於該U型管反應單元出口端，具有一容置空間，用以將該U型管反應單元產出之高溫重組氣體，經一冷卻單元降溫冷凝後進行氣水分離，使冷卻凝結之液體導出至該容置空間中，而冷卻未凝結之氣體則經一聚乙烯(Polyethylene,PE)管路引出收集，並於氣體量多時令其經一排氣管路引出至室外排除；以及一氣相層析單元，係與該氣水分離單元連接，用以將該氣水分離單元所分離之混合氣體產物經一乾燥劑乾燥後進行產氣分析，俾以分析重組產物組成。
[2] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該管型加熱爐單元係為可程式高溫爐，其內徑為65mm，長度係為200mm。
[3] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該U型管反應單元係為U型石英管，其內徑為10mm，外徑係為12mm，且其長度為900mm。
[4] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該氣體質量流量控制單元係包括空氣質量流量單元及天然氣質量流量單元。
[5] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該定量單元係為針筒泵浦。
[6] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該U型管反應單元入口端與該氣體質量流量控制單元及該定量單元之間設有一四通管件，作為天然氣、空氣及水之輸入。
[7] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該U型管反應單元入口端與該氣體質量流量控制單元及該定量單元之間設有一三通管件，作為天然氣、空氣及水之輸入。
[8] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該冷卻單元係設置於該U型管反應單元出口端與該氣水分離單元之間。
[9] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該氣水分離單元具有一第一通路，用以提供與該冷卻單元出口端連接。
[10] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該氣水分離單元具有一第二通路，其與該氣相層析單元及室外之間設有一三通管件，用以提供與該排氣管路及該PE管路連接，作為混合氣體產物之輸出。
[11] 依申請專利範圍第1項所述之觸媒檢測裝置，其中，該乾燥劑係裝填於該PE管路內，用以乾燥欲進入該氣相層析單元之混合氣體產物。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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TWI441379B|2014-06-11|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-03-11| MM4A| Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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TW100122099A|TWI441379B|2011-06-24|2011-06-24|觸媒檢測裝置|TW100122099A| TWI441379B|2011-06-24|2011-06-24|觸媒檢測裝置|