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   ProboStat催化膜反应器(CMR)

       介绍

      在从空气中分离氧气,从合成气中分离氢气,从烟气中分离CO2等的应用中,致密陶瓷膜或金属膜以及微孔陶瓷膜具有很大潜力,在各种能源技术中减少使用化石燃料产生的CO2排放都很重要。另外,它们可以应用于氧化/还原或氢化/脱氢过程。它们可以用作独立膜(膜反应器,MR)或与催化剂紧密结合(催化膜反应器,CMR)。在后者中,膜可以有效地去除或添加反应物,从而改变热力学平衡,从而改变产率和/或选择性。

      许多膜在高温下运行,尤其是致密的陶瓷膜,利用了离子和电子的双极传输对气体渗透产生的优越选择性。对于这些,管状膜-通常具有由多孔主结构支撑的薄膜(“不对称膜”)的致密膜-在实验室测试和概念证明阶段,是更节省空间的整体式或平面分层膜组件的良好替代品。管状装置的主要优点是可以进行冷密封,易于更换管,以及用相对简单的几何方法将催化剂,气流和分析结合起来。

但是,这种用于管状(以及其他)膜的实验室装置的建造既费时又昂贵,并且缺乏标准和商业化的产品。 NORECS ProboStat样品架系统可在高温和受控气氛下进行电特性表征,已经得到广泛运用和认可,现在可作为专用版本用于更优化的催化膜反应器测试。

     

      标准ProboStat版本 

      ProboStat是一种样品架,适用于在热区支撑并密封在支撑管顶部的盘状膜,或在热区封闭的管状膜,否则在低温区密封样品架。支撑管或膜管密封于基座并形成内部腔室,而外部封闭管形成外部腔室。 对于标准版的ProboStatTM,两个腔室中的每个腔室都有两个气体接口(进出气口-总共四个)和多个电气引线(内部为4个,外部为12个)。这些馈通可用于电极,热电偶和内部欧姆加热器,以及氧气传感器等。ProboStat适用于对多种几何形状的样品进行电学测量,以及通过圆盘或管状膜的渗透。

      下图显示了管状膜的三种不同设置。左侧的两个图显示封闭的中型管状膜,内部带有冲洗管。 最左侧照片展示的是基座和膜管,而示意图还显示了内部冲洗管和外部封闭管。 可以使用外部腔室的冲洗管,但为简单起见,在图中省略了冲洗管。第三幅图显示的是薄膜管,而不是最里面的细管,而中型的开口管则用于引导气体沿薄膜侧流动。最右图显示了装有催化剂的导管,以使其用作催化膜反应器。 当然,在另外两种设置中,催化剂也可以放置在膜管的表面。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       通常来说,要将ProboStat™管插入垂直管式炉中。装置热区的温度取决于所用的高温炉和材料,但通常可以达到1200°C(最高1600°C)。基座在靠近热区的顶部可以承受大约250°C的温度,而底部则可以承受100°C。使用可以耐受并加热到165°C或250°C的特殊版本进行实验时,在输入或输出ProboStat™的过程中必须保持蒸气温热。下图显示了标准的ProboStat(左)和250°C版本的基座(右),其中气体馈通在高温顶盒中产生,而电气馈通在较低温度的底盒中产生。 250°C型基座在颈部设有三个K型热电偶(N1和N2),一个位于顶盒(TB)以监控其温度,以及在热区中通向热电偶的馈通孔。

       基座加热系统可帮助用户加热ProboStat冷区域部件的气体管线。

      在实验中,设备热区位于目标温度下的炉内。通过基座上的气体连接将所需的气体供给到样品区

域。对于从气源到样品(和/或返回)的某些气体,需要一个最低温度,以避免水或有机蒸气在Probo

-Stat基座的冷区凝结。基座加热系统是ProboStat基座的补充功能,有助于冷区的加热和控制。

      基座加热系统以安装在基座内部的其他K型热电偶的形式提供顶箱中的温度反馈。另外,加热器

和绝缘层安装在基座的六角形上机身上。用户读取并解释热电偶电压,并使用随附的可调电源控制区

域温度。由于操作条件的改变,法兰区域可能易受低温影响,并且可能需要外部绝缘或外部加热。通

过监控位于法兰区域的热电偶,可以随时了解内部温度并采取适当的措施。

如果测试的管子很短,由于基座顶部(颈部位置)的最高温度为250°C,这会限制热区域温度和均匀

性。内部加热器可以在一定范围内帮助改善这一状况并获得均匀的温度。

      ProboStat可以在大气压或低于大气压的条件下与氧化铝或石英外部封闭管一起使用。通过将超

合金钢管用在陶瓷管的外部或直接将其代替,压力可能会增加。实际压力极限取决于热区域(由于钢

管)和基座颈部(由于聚合物穿通绝缘)的温度,并且根据Swagelok气体接口的规格,在任何情况

下压力均限制在25 atm。

      管子通常用耐高温的胶粘剂固定在插座上,其所耐高温温度与基座的颈部相同-250-300°C(取决于时间和气氛)。

 

       ProboStat CMR  

       ProboStat的特别版本-ProboStatTM CMR(催化膜反应器)-具有第5个气体接口。通过使用定制的管座,可以冲洗膜管的内部以及外部腔室,并沿着催化膜的外壁引导反应气体。下图试图描述如何完成这一设置(左)。中间的图显示了特殊插座的结构,该插座允许同时安装膜管和气体引导(或催化剂固定)管。右图显示了三种气体如何流入系统以及如何排出两种气体。顶部控制泄露的设置将外部产品冲洗惰性气体和反应物气体混合在一起,并使其通过弯曲的石英管进行分析。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       这是一个如何使用ProboStatTM CMR的例子。使用者可以用适合自己的方式来使用5种气体接头并为其管子定制插座。

      上方左图显示了内部欧姆加热器(Pt10Rh)围绕活性膜区域的缠绕式样。使用此功能有助于在膜的高温部分达到工作温度,同时在电池周围的管式炉中使用较少的功率。这有助于防止基座的颈部和该部分的管子密封部分过热。也可以在膜管内部使用一个小的欧姆Pt10Rh加热器,以帮助减小内部和外部膜之间的温度梯度。热电偶可以放置在几个不同位置以监控温度和梯度。

 

       其他须知

      ProboStat尤其是ProboStatTM CMR具有多种用途,并为设置渗透和其他实验提供多种可能性。热区中的所有零件都可以轻松更换,可以从NORECS订购标准尺寸或定制尺寸及材料,也可以由用户自行制作。咨询我们或者查阅手册,都可以为您提供相关建议和帮助。但是ProboStatTM和(由于其通常苛刻的用途)ProboStatTM CMR也有其局限性。设置可能非常复杂,并且根据用户的管子和尺寸,用户有责任了解有关设置和测量相关知识,并且陶瓷的尺寸需在限定范围之内。

      管子的尺寸特别重要。理想的长度应至少为30厘米,例如5厘米在冷区,10厘米在过渡区,15厘米在热区。对于更短的管子,一定有一部分要让步,冷区可能会过热,并且密封件和零件的寿命会缩短。过渡区变短,并且会给管子造成压力。热区变短可能造成受热不均匀。短管可以用金属或陶瓷的立管延长,但需要使用热封。

      管的厚度也很关键。ProboStatTM封闭管的内部空间直径约为30毫米。这限制了膜和中间管的外径。理想情况下,膜管的外径约为10毫米。同样,膜管的内径也不能太小,因为如果太小,无法装入气体冲洗管,加热器和热电偶。

如果管子很长,则在胶合过程中管子的笔直程度和正确对准也很重要,因为有几根不同的管子相互衔接。
      总而言之,除非管子太短,使用管状膜进行常规ProboStatTM膜渗透测试的设置会非常简单,而要利用CMR版本的第五种气体带来的其他可能性,需要更仔细地考虑直径和其他细节。我们为用户提供最合适而优质的零件,但是客户有义务了解自己的设置目的。

热区中的零件(例如欧姆加热器)的使用寿命可能有限。用户可以自己修理,也可以从NORECS订购。
      ProboStatTM CMR可以当作常规的ProboStatTM进行渗透和催化测试,不使用第5种气体接头,并且使用常规的而不是专用的CMR插座即可。
      在特殊版本中,所有常规电极穿通线均用补偿导线代替,以便在热区增加热电偶的数量-总共可以加至7个。

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