研究方法

內；因此本實驗以氮氣(N2)當攜行氣體(Carrier Gas)，將霧化後之液體進料帶入重組 器，使其在反應區中與觸媒接觸，重組反應製氫。氮氣在整個重組過程中，並不參與

(

)

0.34 8

D = π T ρ f

T 表示液體的表面張力 ρ 表示液體的密度

ƒ 表示霧化發生的超音波頻率

由(4.1)式可知：不同的液體在相同的頻率下會得到不同的霧化粒子大小【31】。

4-1-2 超音波振盪霧化器之型式

本實驗所使用之超音波霧化進料系統為利用市面上現有的超音波霧化加濕器 (Nebulizer)之壓電片加以改裝設計。其原本之廠牌型號為京華超音波公司所生產之超 音波加濕器，型號為 KT-100A。此超音波加濕器原本規格如表 4.1 所示。

在本實驗中，吾人將超音波霧化器內之壓電片加以改裝於特製之容器(Tank)內，

以利重組反應進行。進料經由超音波振盪霧化後，其產生的粒徑經由 Insitece 公司所 生產之雷射繞射粒徑分析儀量測後，發現其霧化粒徑平均約為 3.2μm，如圖 4.5 所 示。經由量測可見，以超音波振盪器來霧化液體進料，可得不錯之霧化效果；而細小 之液滴，更可增加反應面積，提昇整體效率。

4-2 甲醇重組反應系統

甲醇重組反應系統是由重組器反應本體、溫控系統以及觸媒結構所組成，為整個 研究的核心之一。

4-2-1 重組器本體結構

關於重組器的設計，本研究為參考美國專利中【18】，Ahmed 等人所設計之圓管 型反應器。圓管型反應器具有易裝配、易拆卸及易維修等特點，故本實驗以此為參考，

設計一反應器內徑為 44mm，長 420mm 的管型反應器，如圖 4.6。反應器內徑的設計 乃搭配金屬觸媒床之外徑，本實驗所使用的金屬觸媒床與市售機車觸媒外徑相同，以 利於未來觸媒床之取得，並期能順利運用於汽機車上。

在重組器內管中配置有兩個由 Fe-Cr-Al 組成，開孔密度為 300 cells/in²的金屬蜂 巢狀擔體，如圖 4.7 所示；分別裝置於反應區與預熱區內。在反應區之金屬蜂巢狀擔 體中，被覆著觸媒以作為觸媒床。而在重組器預熱區內之金屬蜂巢狀擔體並無被覆觸 媒，其作用在防止燃料進料時，由於超音波霧化的不完全，會導致過大的液滴直接進

入重組反應區內。若過大液滴直接衝擊在觸媒床上，如此會直接影響觸媒活性，造成 反應效率不佳。而蜂巢狀的擔體，可緩衝液滴流速，可使氣化不完全之液滴在預熱區 內加熱再蒸發為氣體，使得進入反應區內全為氣相間的反應較為單純，更可使得進料 均勻分佈。此外開孔密度為 300 cells/in²蜂巢狀的設計，利於反應時的熱傳遞，可使 反應溫度均勻，減少熱點產生，增加反應速率。

在溫度量測方面，設計在距離反應區前後約 2 公分處，各安置了一支熱電偶，量 測並紀錄反應前後的溫度。

4-2-2 重組器溫控系統

關於重組器上的溫控系統，本實驗所使用的熱源是以電熱片加熱方式來提供，單 片最大功率輸出為 500 瓦特。本反應器共需使用兩片電熱片來提供熱源，一片裝置 在預熱區內用以預熱霧化後之液體進料，使其達到反應需求溫度；另一片則裝置在反 應區觸媒床外圍，供應及維持進行反應時所需求之能量。兩組電熱片皆利用溫控箱以 定功率方式來控制使用，而在重組器預熱區與反應區之外圍，則以纏繞保溫耐熱棉方 式以防止熱量散失。

4-2-3 重組器觸媒結構

關於重組器觸媒的選用方面，由相關文獻中可知，在傳統上將碳氫化合物經由重 組反應而產生高濃度氫氣之製程，通常使用 CuO/ZnO 觸媒。因此，在觸媒的選用方 面，以工研院化工所所提供之商業用觸媒來進行反應，其商品型號為 Nissan Girdler 之 G66B，組成成分有 CuO-ZnO/Al₂O₃ 。其製作方式為先將該商品觸媒與黏結劑混合、

研磨成漿料之後，再被覆於開孔密度 300 cells/in² 之 Fe-Cr-Al 的金屬蜂巢狀擔體；

觸媒培燒溫度為 450 ℃，持續兩個小時，而整顆觸媒床的觸媒附著量約 12 g。

4-3 量測及分析系統

量測分析系統，主要在介紹將重組反應後之氣體用來分析量測的儀器。反應重組 後的氣體經由儀器分析後，可量測出氣體產率、甲醇轉化率、各產出氣體成分濃度等。

4-3-1 產出氣體流量量測系統

為了正確獲知產出氣體流率，在氣體冷凝出口接一浮子式流量計<1>，用以量測 產出氣體流率。產出之氣體，通過流量計後，由於氣相層析儀(GC)每分鐘所能量測之 氣體樣品有限；因此，在產出氣體進入氣相層析儀前，另外設置一浮子式流量計<2>，

用以推算正確之產物流率；而未送入分析的產出氣體，則經由其他管路排放，以避免 管路積壓現象所造成之流場變化，影響整體效率。浮子式流量計規格如表 4.2。

4-3-2 產出氣體分析系統

本實驗所使用之氣體分析系統有兩套，在實驗進行中同時使用。一為氣相層析儀 (Gas Chromatograph，GC)，圖 4.8。主要用來量測產出氣體之氫氣及二氧化碳組成。

而另一套儀器則為非分散性紅外線(Non-dispersive Infrared Analyzer，NDIR)氣體測 定器，圖 4.9。可用來量測產出氣體之一氧化碳、二氧化碳濃度等。 Conductivity Detector，TCD)與火焰游離偵測器(Flame Ionization Detector ，FID)兩種，

其原理及特性分述如下：

大，所以在 TCD A 中以氦氣為攜行氣體，用以量測二氧化碳濃度，而在 TCD B 中則 以氬氣為攜行氣體，用以量測氫氣、一氧化碳濃度。氣相層析儀之詳細規格設定情況 如表 4.3 所示。

實驗中所使用的氣相層析儀內包含有兩種不同的填充管柱(Column)，分別為 Porapakq (PQ)和 Molecular sieve 5A (MS-5A)。由於 MS-5A 的管柱可分析氫氣、氮氣 及一氧化碳，但卻無法分析二氧化碳、水與甲醇；而 PQ 管柱可分析一氧化碳、二氧 示意圖【33】。本研究使用的非分散性紅外線氣體測定器為日本 RIKEN KEIKI 公司 所生產之 RI-803ET 型測定器。用來作一氧化碳與二氧化碳的濃度分析，可獲得此兩

再處理過程，並可省卻積分報表紙張的使用。

2. 在管柱的選擇方面：TCD A 主要用以量測二氧化碳濃度為主，因此管柱的

(2) 調整 TCD 中攜行氣體流速，並設定 INJECTOR、OVEN、DETECTOR 溫 度。

(3) 氣相層析儀開機後，待 DETECTOR 和 INJECTOR 溫度達設定後，將 OVEN Power 打開，使 OVEN 加熱。

(4) 溫度皆達定值後，打開 TCD Power，設定所需之 TCD 電流與振幅大小。

在打開 TCD Power 前，一定要確認在管路中有攜行氣體的流入，以避免

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