臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用鐵系（高溫）催化劑及銅系（低溫）催化劑進行水氣轉移( )反應之實驗探討，以得知觸媒對於氫氣產生之效應。實驗的溫度區間分為兩部份：高溫轉移設定在300〜500℃；低溫轉移則設定為120〜400℃。實驗過程同時整合量測儀器與監測軟體，以分析一氧化碳之轉化率，其中一氧化碳及二氧化碳濃度的偵測乃利用氣體分析儀而氫氣的產生則利用氣相層析儀測量。研究結果顯示，在高溫催化劑作用下，一氧化碳轉化率或氫氣的產生明顯受反應溫度影響，轉化率介於40〜95%，當一氧化碳與蒸汽比為一比八時，實驗溫度在500℃時轉化率最高可達到95.3%；至於低溫催化劑，反應溫度對轉化率的影響較小，當溫度在200℃以上時，轉化率可達90%以上，當一氧化碳與蒸汽比為一比八時，實驗溫度在200℃時轉化率最高可達到98%。此外，當提升一氧化碳與蒸汽量比例時，水氣轉移反應的效率將較高。比較催化劑在串聯狀態下是否會造成不同之實驗結果，以前低溫配後高溫轉移或前高溫配後低溫轉移進行產氫及轉化率比較，在前高溫後低溫轉移部分轉化率都有90％以上，隨著溫度升高轉化率並不會有明顯的改變，溫度效應影響不大，在前低溫轉移後高溫轉移部分，反應進行到300℃時轉化率會上升，從88.7％上升至95.4％。

Behaviors of water gas shift reaction under the effects of high temperature catalyst (HTC) and low temperature catalyst (LTC) are investigated experimentally. The reaction temperature with HTC ranges from 300℃ to 500℃, whereas it varies from 120℃ to 400℃ for the reaction with LTC. In the experiments, carbon monoxide and carbon dioxide are analyzed by a gas analyzer and hydrogen is measured by a gas chromatography. The results suggest that, with the effect of HTC, CO conversion is between 40% and 95%. When CO/steam ratio is 1/8 and the reaction temperature is 500℃, CO conversion can reach 95.3%. With regard to LTC, CO conversion is relatively insensitive to the reaction temperature. Once the reaction temperature is as high as 200℃, CO conversion is over 90%, and it even reaches 98% for the condition of CO/steam ratio being 1/8. In general, increasing CO/steam ratio will increase CO conversion which is consistent with Le Chatelier’s principle. The effect of catalysts packing pattern on CO conversion is also taken into consideration. For the pattern of HTC followed by LTC, CO conversion is always higher than 90% and it is hardly affected by reaction temperature. Considering the pattern of LTC followed by HTC, CO conversion rises from 88.7% to 95.4% when the reaction temperature is 300℃.

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中文摘要------------------------------------------------------------------------ i
英文摘要----------------------------------------------------------------------- ii
目錄---------------------------------------------------------------------------- iii
表目錄-------------------------------------------------------------------------- iv
圖目錄------------------------------------------------------------------------- vii
第一章 緒論------------------------------------------------------------------1
1-1石油危機的衝擊----------------------------------------------------1
1-2氫能應用-------------------------------------------------------------2
1-3產氫方法回顧------------------------------------------------------ 4
1-4研究目的及內容---------------------------------------------------6
第二章 文獻回顧------------------------------------------------------------8
2-1高溫水氣轉移反應-------------------------------------------------8
2-2低溫水氣轉移反應----------------------------------------------- 11
2-3無催化劑水氣轉移反應----------------------------------------- 15
第三章 轉移反應實驗設備與儀器-----------------------------------17
3-1 催化劑之基本分析----------------------------------------------17
3-1-1 催化劑簡介------------------------------------------------17
3-1-2 掃描式電子顯微鏡---------------------------------------17
3-2 反應實驗設備---------------------------------------------------18
3-2-1 合成氣供氣子系統---------------------------------------18
3-2-2蒸氣產氣子系統--------------------------------------------19
3-2-3反應爐體及反應管子系統--------------------------------19
3-2-4 氣體採樣子系統------------------------------------------19
3-2-5 產氣分析子系統------------------------------------------20
3-2-6 連續式分析子系統---------------------------------------20
第四章 實驗步驟-----------------------------------------------------------21
4-1 實驗步驟------------------------------------------------------21
4-2 水氣轉移反應配比計算------------------------------------22
4-3 滯留時間計算------------------------------------------------23
第五章 結果與討論--------------------------------------------------------25
5-1 水分解反應------------------------------------------------------25
5-2 高溫水氣轉移反應---------------------------------------------26
5-3 低溫水氣轉移反應---------------------------------------------29
5-4 混合測試---------------------------------------------------------30
第六章 結論與未來工作--------------------------------------------------34
參考文獻---------------------------------------------------------------36
附錄-故障排除--------------------------------------------------------38

表目錄 頁次
表3-1 SHT-4、MDC-7催化劑之基本資料---------------------------42
表3-2 SHT-4 表面元素分析結果(EDS)-------------------------------43表3-3 MDC-7 表面元素分析結果(EDS)------------------------------43
表3-4 擩動泵檢量線資料------------------------------------------------44
表3-5 實驗分析儀器設備------------------------------------------------44
表3-6 操作參數------------------------------------------------------------45
表4-1 400℃滯留時間表--------------------------------------------------45
表4-2 轉移實驗條件------------------------------------------------------46
表4-3 各種催化劑最佳操作溫度與轉化率比較---------------------47

圖目錄　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　頁次
圖2-1 水氣轉移反應三分類---------------------------------------------48
圖3-1 高溫催化劑與低溫催化劑外觀觀察---------------------------49
圖3-2 SHT-4在電子顯微鏡下的觀察---------------------------------50
圖3-3 MDC-7在電子顯微鏡下的觀察--------------------------------51
圖3-4 SHT-4表面元素分析之選定區域表面元素分析之結果---52
圖3-5 MDC-7表面元素分析之選定區域表面元素分析之結果--53
圖3-6 系統圖---------------------------------------------------------------54
圖3-7 蒸氣產生機內部玻璃管------------------------------------------55
圖3-8 擩動泵檢量線------------------------------------------------------55
圖3-9 反應管---------------------------------------------------------------56
圖3-10 排除水汽之冷凝裝置-------------------------------------------56
圖3-11 氣體分析儀(GAS ANALYZER)-------------------------------57
圖3-12 氣相層析儀(GAS CHROMATOGRAPH)--------------------57
圖3-13 Labview監控系統之連續監測之情形------------------------58
圖4-1 實驗流程圖---------------------------------------------------------59
圖4-2 GC檢量線----------------------------------------------------------60
圖4-3 GC校正分析圖----------------------------------------------------60
圖4-4 水氣轉移反應一氧化碳與蒸汽配比計算示意圖------------61
圖5-1 只通入蒸汽及氮氣下之空白試驗(a) H2O : N2 = 4 : 10(b) H2O : N2 = 8 : 10，H2的生成濃度(SHT-4)-------------------62
圖5-2 只通入蒸汽及氮氣下之空白試驗(a) H2O : N2 = 4 : 10(b) H2O : N2 = 8 : 10，水分解效率分布圖(SHT-4)--------------63
圖5-3 只通入蒸汽及氮氣下之空白試驗(a) H2O : N2 = 4 : 10(b) H2O : N2 = 8 : 10，H2的生成濃度(MDC-7)-------------------64
圖5-4 只通入蒸汽及氮氣下之空白試驗(a) H2O : N2 = 4 : 10(b) H2O : N2 = 8 : 10，水分解效率分布圖(MDC-7)--------------------65
圖5-5 不同催化劑長度下(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4催化劑，CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9)---------------------------------------------------------------------66
圖5-6 SHT-4催化劑增加之成長率-------------------------------------67
圖5-7 不同反應溫度(a)CO、CO2及H2 的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4催化劑，催化劑長度8cm，CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9)----------------------------------------------------------68
圖5-8 不同反應溫度(a)CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4催化劑，催化劑長度8cm，CO : H2O : N2 = 1 : 8 : 9)----------------------------------------------------------69
圖5-9 不同反應比例狀態下(a)轉化率之分佈圖(SHT-4催化劑，催化劑長度8cm，比例為一比四時CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9、比例為一比八時CO : H2O : N2 =1 : 8 : 9)---------------------70
圖5-10 不同催化劑長度下(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(MDC-7催化劑，CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9)-------------------------------------------------------------------71
圖5-11 MDC-7催化劑增加之成長率---------------------------------72
圖5-12 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(MDC-7催化劑，催化劑長度8cm，CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9)-----------------------------------------------------73
圖5-13 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(MDC-7催化劑，催化劑長度8cm，CO : H2O : N2 = 1 : 8 : 9)-----------------------------------------------------74
圖5-14 不同反應比例狀態下(a)轉化率之分佈圖(MDC-7催化劑，催化劑長度8cm，比例為一比四時 CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9、比例為一比八時CO : H2O : N2 =1 : 8 : 9)--------------75
圖5-15 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度各為4cm，CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9)--------------------------------76
圖5-16 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度各為4cm，CO : H2O : N2 = 1 : 8 : 9)--------------------------------77
圖5-17 不同反應比例狀態下(a)轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度8cm，比例為一比四時 CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9、比例為一比八時CO : H2O : N2 =1 : 8 : 9)-----78
圖5-18 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度各為4cm，CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9)--------------------------------79
圖5-19 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度各為4cm，CO : H2O : N2 = 1 : 8 : 9)--------------------------------80
圖5-20 不同反應比例狀態下(a)轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度8cm，比例為一比四時 CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9、比例為一比八時CO : H2O : N2 =1 : 8 : 9)----81
圖5-21 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度各為4cm並均勻混合，CO : H2O : N2 = 1 : 4: 9)-----------------------82
圖5-22 不同反應溫度(a) CO、CO2及H2的生成濃度及(b)CO轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度各為4cm並均勻混合，CO : H2O : N2 = 1 : 8: 9)-----------------------83
圖5-23 不同反應比例狀態下(a)轉化率之分佈圖(SHT-4、MDC-7催化劑，催化劑長度8cm，比例為一比四時 CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9、比例為一比八時CO : H2O : N2 =1 : 8 : 9)-----84
圖5-24 所有反應條件下之轉化率比較SHT-4、MDC-7、4S4M; 4M4S、MIXTURE(a)比例為1比4時 CO : H2O : N2 = 1 : 4 : 9(b)比例為1比8時CO : H2O : N2 =1 : 8 : 9）-----------85

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