TWI651125B - 觸媒催化反應系統及其反應氣體輻射導流方法 - Google Patents
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Abstract
一種觸媒催化反應系統，係包括一燃料供應模組、一反應器模組、一加熱模組。該反應器模組中的反應氣體導流結構包括一第一垂直流道、一第二垂直流道、一承置部、一內管，該內管的底端與該承置部之間具有一間距並定義為一反應區，並連通於該第二垂直流道的底端。反應氣體通過氣流入口導入至該第一垂直流道及該貫通孔導入至該第二垂直流道後，藉由重力通過該第二垂直流道導引至該反應區，使反應氣體由該內管底端的四周緣導入至該內管的一中空通道，從而產生一由外而內輻射方向的反應氣體通過承置在該承置部上的待反應物的表面。
Description
本發明係關於一種觸媒催化反應測試系統，特別是指一種觸媒催化反應系統及其反應氣體輻射導流方法。
查奈米碳管及石墨烯(Graphene)都是由碳原子組成，只是原子排列方法不同而已。由於這兩種材料具有比矽具有更好的導電性、導熱性及材料強度，故極具產業利用的潛力價值。
奈米碳管的製程方面，有採用例如電弧放電法、電爐加熱法、熱裂解化學氣相合成法等各種不同方式。以熱裂解化學氣相合成法成長出石墨烯為例，在一預設溫度、壓力、氣體流量的條件下，利用例如氫氣、氬氣、甲烷混合氣體的反應氣體作為碳源以在基板上生長出石墨烯。
在石墨烯的生成過程中，催化劑扮演非常重要的角色，其對生成的石墨烯之結構和結晶方向與觸媒的大小、種類有極大的關係。為了要對奈米碳管或石墨烯的特性進行分析、採樣測試，有業者設計出生成物的反應測試器。再者，反應器模組內部的氣體流道設計也非常重要。如何設計出具有良好反應效果的反應器流道，即為業者研發的重要議題。
在先前技術中所使用的反應器模組中，一般僅是將反應氣體導流通過腔體，使反應氣體與待反應物產生反應而生成石墨烯，其缺點為氣體流道短、氣體滯流時間短，導致氣體反應效能差。再者，反應器模組一般都會要求
在特定的高溫及高壓條件下進行反應，但先前技術中所使用的反應器模組若要達到此一要求，通常都需要高成本。
本發明的一目的即是提供一種針對奈米碳管、石墨烯或其它奈米材料的反應器模組的觸媒催化反應系統，以提供較長的氣體流道及氣體滯流時間，達到最佳的氣體反應效果，同時又能達到所要求的高溫及高壓反應條件。
本發明的另一目的是提供一種反應器模組的反應氣體輻射導流方法，使反應氣體以輻射方向型式通過待反應物的表面，從而達到最佳的反應效能。
本發明所採用之技術手段係在觸媒催化反應系統中包括一燃料供應模組、一反應器模組、一加熱模組。該反應器模組中的反應氣體導流結構包括一第一垂直流道、一第二垂直流道、一承置部、一內管，該內管的底端與該承置部之間具有一間距並定義為一反應區，並連通於該第二垂直流道的底端。反應氣體通過氣流入口導入至該第一垂直流道及該貫通孔導入至該第二垂直流道後，藉由重力通過該第二垂直流道導引至該反應區，使反應氣體由該內管底端的四周緣導入至該內管的一中空通道，從而產生一由外而內輻射方向的反應氣體通過承置在該承置部上的待反應物的表面。
其中，反應氣體導流結構係由一外管、一中置導流管及一內管所構成。外管的內壁面與該中置導流管的外壁面之間形成該第一垂直流道，該中置導流管的內壁面與該內管的外壁面之間形成該第二垂直流道，該第二垂直流道的頂端經由該貫通孔連通於該第一垂直流道的頂端。
較佳地，該外管、該中置導流管、該內管係以不鏽鋼材料所製作。
較佳地，該中置導流管係包括一導流套管及一螺合的導流端帽。
較佳地反應氣體包括氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氮氣、氬氣、硫氧化物、硫化氫、甲烷或其它碳烴類氣體之一。
較佳地，該觸媒催化反應系統還包括一氣體混合模組連結於該燃料供應模組。
較佳地，該觸媒催化反應系統還包括一冷卻過濾模組連結於該反應器模組的該氣流出口。
在本發明的反應氣體輻射導流方法中，係將一反應氣體通過該氣流入口導入至該第一垂直流道；將該反應氣體由該第一垂直流道導入至該第二垂直流道；將該反應氣體藉由重力通過該第二垂直流道導引至該反應區；將該反應氣體由該內管的內管底端的四周緣導入至該內管的一中空通道，從而產生一由外而內輻射方向的反應氣體通過承置在該承置部上的待反應物的表面；將該反應氣體通過該內管的該中空通道而由該氣流出口導出。
在效果方面，本發明提供觸媒催化反應系統及其反應氣體輻射導流方法，以提供例如奈米碳管、石墨烯或其它奈米材料的催化製備的反應器模組具有較長的反應氣體通道、延長反應氣體停滯時間、均勻反應面、均勻加熱、氣體均勻反應。特別地，反應氣體係以輻射方向型式通過待反應物的表面，從而達到最佳的反應效能，進而達到反應器模組的良好觸媒催化反應效果。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及附呈圖式作進一步之說明。
1‧‧‧燃料供應模組
2‧‧‧氣體混合模組
3‧‧‧加熱模組
4‧‧‧反應器模組
41‧‧‧外管
411‧‧‧中空部
412‧‧‧氣流入口
413‧‧‧氣流出口
414‧‧‧貫通孔
42‧‧‧中置導流管
42a‧‧‧導流套管
42b‧‧‧導流端帽
421‧‧‧承置部
43‧‧‧內管
431‧‧‧內管底端
432‧‧‧中空通道
5‧‧‧冷卻過濾模組
A‧‧‧反應氣體
B‧‧‧待反應物
H1‧‧‧氣體導入區
H2‧‧‧反應區
T‧‧‧測溫元件
V1‧‧‧第一垂直流道
V2‧‧‧第二垂直流道
圖1顯示本發明之管路系統示意圖。
圖2顯示本發明的反應器模組的立體圖。
圖3顯示本發明中的反應器模組相關組件分離時的立體分解圖。
圖4顯示本發明的反應器模組的剖視圖。
圖5顯示本發明的反應器模組的內部氣流導引示意圖。
圖6顯示本發明反應氣體輻射導流方法的流程圖。
參閱圖1所示，其係本發明之管路系統示意圖，其顯示反應測試系統主要包括一燃料供應模組1、一氣體混合模組2、一加熱模組3、一反應器模組4、一冷卻過濾模組5。
燃料供應模組1中包括數個控制閥件而可供應反應所需的反應氣體A，例如該反應氣體A包括氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氮氣、氬氣、硫氧化物、硫化氫、甲烷或其它碳烴類氣體之一。
燃料供應模組1所供應的反應氣體經氣體混合模組2供應至反應器模組4中進行反應，並由加熱模組3加熱。反應完成後的氣體則可通過冷卻過濾模組5進行冷卻及過濾後再予以排放。
本發明之管路系統中，亦可在需要的位置裝設各式控制閥件(例如開關閥、流量控制閥)。此外，亦可在需要偵測壓力、溫度的位置裝設壓力錶及溫度錶，以作為控制器的控制依據。
圖2顯示本發明中的反應器模組4的立體圖，圖3顯示本發明中的反應器模組4相關組件分離時的立體分解圖，而圖4顯示本發明的反應器模組4的剖視圖。反應器模組4中包括有一反應氣體導流結構，其包括：一外管41，具有一中空部411，該外管41的底部形成一氣流入口412。外管41外環面係結合該加熱模組3，以使該加熱模組3中的反應氣體受到加熱。
一中置導流管42，其管徑較該外管41的管徑為小，可同軸地容置定位在該外管41的中空部411中。該中置導流管42約位中段位置形成至少一貫通孔414。該中置導流管42的底部形成一承置部421，且該承置部421的底面與該外管41的該氣流入口412之間保持一間距，並定義為氣體導入區H1。氣體導入區H1中可配置一測溫元件T(例如熱電偶)，用以感測該氣體導入區H1的溫度。
較佳實施例中，中置導流管42係包括一導流套管42a及一導流端帽42b，其中該導流套管42a的底端係可分離地結合於導流端帽42b的頂部。例如，導流套管42a的底端可設有螺紋結構，而在導流端帽42b的頂部設有對應螺紋結構，可使該導流端帽42b螺合於該導流套管42a。
一內管43，其管徑較該中置導流管42的管徑為小，可由該中置導流管42的該頂部開放端同軸地容置定位該中置導流管42中，且該內管43的內管底端431與該中置導流管42的該承置部421之間具有一間距並定義為一反應區H2，供承置適量之待反應物B(例如觸媒)，該內管43具有一中空通道432，並連通於氣流出口413。
較佳實施例，前述的外管41、中置導流管42、內管43係可選擇以不鏽鋼材料、陶瓷材料或合金材料(例如Inconel合金或其它合金材料)之一所製
作。本發明較佳實施例中，例如該外管41係可以不鏽鋼材料製作，而中置導流管42與內管43可以陶瓷材料製作，具有良好的抗壓及耐溫效果。
圖5顯示本發明的反應器模組的內部氣流導引示意圖。如圖所示，反應氣體A係由該外管41的該氣流入口412導入後，通過該中置導流管42的該承置部421底面間的氣體導入區H1、該外管3的內壁面與該中置導流管4的外壁面之間所形成的第一垂直流道V1、該貫通孔414、該中置導流管42的內壁面與該內管43的外壁面之間的第二垂直流道V2、該反應區H2、該內管43的該中空通道432、該氣流出口413導出。
基於本發明的系統架構，圖6顯示本發明反應氣體輻射導流方法的流程圖。茲同時參閱圖5，對本發明的步驟說明如後：步驟101：在一觸媒催化反應系統中，建置一包括有氣流入口412、氣流出口413、第一垂直流道V1、第二垂直流道V2、貫通孔414、內管43、承置部421、反應區H2的反應器模組3，並將該反應器模組3連結一燃料供應模組1、一氣體混合模組2、一加熱模組3、一冷卻過濾模組5；步驟102：以加熱模組3對反應器模組4進行加熱；步驟103：將燃料供應模組1、氣體混合模組2所供應的反應氣體A通過該氣流入口412導入至該第一垂直流道V1；步驟104：將該反應氣體A通過該貫通孔414導入至該第二垂直流道V2；步驟105：將該反應氣體A藉由重力通過該第二垂直流道V2導引至該反應區H2；步驟106：將該反應氣體A由該內管43的內管底端431的四周緣導入至該內管43的中空通道432，從而產生一由外而內輻射方向的反應氣體A通過承置在該
承置部421上的待反應物B的表面，並在內管43的內壁面附著生成物(例如石墨烯)；步驟107：將該反應氣體A通過該內管43的該中空通道432而由該氣流出口413導出；步驟108：將氣流出口413導出的反應氣體A通過冷卻過濾模組5進行冷卻及過濾後予以排放。
當完成奈米碳管、石墨烯或其它奈米材料的催化製備步驟之後，可以將中置導流管42連同內管43由外管41的頂部取出，再將導流端帽42b由導流套管42a分、離，即可簡便地將生成於內管43的底部區段的生成物進行採樣取出，以作後續的特性分析及檢測。
由於本發明的反應器模組具有特殊的氣體導流結構，故可提供反應氣體較長的反應氣體通道、延長反應氣體停滯時間。特別是當反應氣體A由第二垂直流道V2導入至內管43的中空通道432過程中，會在內管43的內管底端431的四周緣產生一由外而內輻射方向的反應氣體A通過承置在該承置部421上的待反應物B的表面，使反應氣體與待反應物的表面進行均勻加熱及均勻氣體反應的效果，進而達到反應器模組的良好觸媒催化反應效果。
以上實施例僅為例示性說明本發明之系統設計，而非用於限制本發明。任何熟於此項技藝之人士均可在本發明之系統設計及精神下，對上述實施例進行修改及變化，唯這些改變仍屬本發明之精神及以下所界定之專利範圍中。因此本發明之權利保護範圍應如後述之申請專利範圍所列。
Claims (10)
- 一種觸媒催化反應系統，包括：一燃料供應模組，用以供應反應所需的至少一反應氣體；一反應器模組，具有一反應氣體導流結構、一氣流入口、一氣流出口，其中該反應氣體導流結構包括：至少一第一垂直流道，連通於該氣流入口，該至少一第一垂直流道係由一具有中空部的外管所定義；至少一第二垂直流道，連通於該第一垂直流道，該至少一第二垂直流道係由一同軸地容置定位在該外管的該中空部的中置導流管所定義；一承置部，供承置適量之觸媒，其係位在該至少一第二垂直流道的底部；一內管，具有一中空通道連通於該氣流出口，該內管的底端與該承置部之間具有一間距並定義為一反應區，並連通於該第二垂直流道的底端；一加熱模組，結合在該反應器模組的該外管的外環面，用以提供熱能至該反應器模組。
- 如申請專利範圍第1項之觸媒催化反應系統，其中該中置導流管形成至少一貫通孔以連通該第一垂直流道與該第二垂直流道，而在該中置導流管的底部形成該承置部，且該承置部的底面與該外管的該氣流入口之間形成一氣體導入區，連通於該氣流入口；該內管的內管底端與該中置導流管的該承置部之間具有一間距並定義為該反應區。
- 如申請專利範圍第2項之觸媒催化反應系統，其中該外管、該中置導流管、該內管係以陶瓷材料、合金材料之一所製作。
- 如申請專利範圍第2項之觸媒催化反應系統，其中該中置導流管係包括：一導流套管，其底端設有一螺紋結構，該貫通孔係開設在該導流套管；一導流端帽，其頂端設有對應於該導流套管的該螺紋結構的對應螺紋結構，使該導流端帽螺合於該導流套管。
- 如申請專利範圍第2項之觸媒催化反應系統，其中該氣體導入區更配置一測溫元件，用以感測該氣體導入區的溫度。
- 如申請專利範圍第1項之觸媒催化反應系統，其中該反應氣體包括氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氮氣、氬氣、硫氧化物、硫化氫、甲烷或其它碳烴類氣體之一。
- 如申請專利範圍第1項之觸媒催化反應系統，還包括一氣體混合模組連結於該燃料供應模組以及一冷卻過濾模組連結於該反應器模組的該氣流出口。
- 一種觸媒催化反應系統的反應氣體輻射導流方法，係在一反應器模組中具有一反應氣體導流結構、一氣流入口、一氣流出口，其中該反應氣體導流結構中包括一第一垂直流道、一第二垂直流道、一內管、一承置部，其中該第一垂直流道的一端係連通於該氣流入口，該內管的底端與該承置部之間具有一間距並定義為一反應區，該方法包括：(a)將一反應氣體通過該氣流入口導入至該第一垂直流道；(b)將該反應氣體由該第一垂直流道導入至該第二垂直流道；(c)將該反應氣體藉由重力通過該第二垂直流道導引至該反應區； (d)將該反應氣體由該內管的內管底端的四周緣導入至該內管的一中空通道，從而產生一由外而內輻射方向的反應氣體通過承置在該承置部上的待反應物的表面；(e)將該反應氣體通過該內管的該中空通道而由該氣流出口導出。
- 如申請專利範圍第8項之觸媒催化反應系統的反應氣體輻射導流方法，其中該反應氣體係由下而上由該氣流入口導流至該第一垂直流道，再通過至少一貫通孔由上而下導流通過該第二垂直流道至該反應區。
- 如申請專利範圍第8項之觸媒催化反應系統的反應氣體輻射導流方法，更包括對該反應氣體以一加熱模組進行加熱的步驟。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1239014A (zh) * | 1998-06-03 | 1999-12-22 | 普拉塞尔技术有限公司 | 带有陶瓷膜的合成气体反应器 |
-
2017
- 2017-11-09 TW TW106138747A patent/TWI651125B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1239014A (zh) * | 1998-06-03 | 1999-12-22 | 普拉塞尔技术有限公司 | 带有陶瓷膜的合成气体反应器 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201918277A (zh) | 2019-05-16 |
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