催化劑的實驗室制備及活性評價

1.實驗室制備

       催化劑的主要組分、載體及次要組分選定后，就可進行催化劑的實驗室制備。用于實驗室制備工作的催化劑所必須滿足的要求可以不同于工業生產用的催化劑，它可以用各種很不適用于大規模生產的方法來制備，制備的方法決定于希望最終組成具備怎樣的物理及化學特性，以及所需要的功能。制備方法可以是簡單的(如一般的實驗室儀器及玻璃器具)但如需要對給定的反應具有最大的活性及選擇性，就可能需要采用特殊制備方法。所以實驗室制備的主要精力在于開發工藝過程所需要的一個具體催化劑樣板，而不是催化劑的完善]業制法，其制備方法也可以是多種多樣的。

       在為一種新的催化反應開發一種新的催化劑時，實驗室制備工作大致有以下幾個方面：

①通過所提出的催化反應過程及已有的活性圖譜等資料，選擇幾種最有可能的活性分，并確定實驗室制備路線，對初選催化劑的催化活性及選擇性作初步評價，選定值得進步進行考察的活性組分;

②通過實驗室制備及評價確定載體及次要組分的種類及作用;

③對初步篩選的一至兩種催化劑進行較詳盡的反應動力學研究:

④ 測定新制備的、試驗用過的及失活催化劑的化學組成、比表面積、孔結構及機械強度等數據;

⑤在催化活性及選擇性達到預期要求時進行催化劑中毒性及壽命試驗:

初瘺乞就嵿憾5錚悟活性組分制備催化劑并進行催化活性及選擇性試驗不滿意 滿意

⑥ 為催化劑放大試驗及工業應用試驗提供數據。

        對以上各個階段的實驗室試制過程可歸結為圖 2-7 所示過程。

       催化劑的制備方法應保證所制得的催化劑具有所要求的物化性質(如化學組成、比表面積、最佳的孔結構及適宜的機械強度等)。同時，催化劑的制備方法應盡量簡單和經濟，所用原科應價廉且容易獲得，并能得到重復結果。而隨著環境保護法規的嚴格，要求催化劑制備過程應盡量減少或避免有害物質進入周圍環境中。盡管催化劑品種很多，化學組成各異，催化作用機理千變萬化，但催化劑的活性主要源于各種組分之間所形成的一種或多種化合物或固溶體。制備催化劑的實驗方法很多，其中，制備固體催化劑的常用方法有以下幾種類型。

(1)沉淀法

       所謂沉淀是指一種化學反應過程，在過程進行中參加反應的離子或分子被結合，生成沉淀物從溶液中分離出來。制備催化劑的沉淀法常用的有單組分沉淀法及多組分共沉淀法。

       單組分沉淀法是通過沉淀劑與一種待沉淀組分作用以制取單一組分沉淀物的方法。經沉淀產生的水合氧化物或難溶或微溶的金屬鹽類的結品或凝膠與溶液分離后，再經洗滌、干燥、焙燒等工序即可制得單組分催化劑。這種方法由于沉淀物是單組分，因此操作簡單，常用于制備單組分非貴金屬催化劑或載體。

       多組分共沉淀法是將催化劑所需兩個或兩個以上組分同時沉淀的一種方法。其特點是一次可以同時獲得幾種催化劑組分，而且各組分之間的比例較為恒定，分布也較均勻，常用于制備多組分催化劑或載體。

(2)浸漬法

       是在一種載體上浸漬活性組分的技術，是制備負載型催化劑廣為采用的方法。一般是將預先制好的載體浸漬含有活性組分及助催化劑的水溶液，當浸漬平衡后，分離剩余液體，此時活性組分以化合物或離子形式負載在載體上，再經干燥、焙燒等處理制得成品催化劑。浸漬法操作簡單，而且可使用各種市售載體。根據操作方法不同，浸漬法又可分為等體積溶液浸漬法、過量溶液浸漬法及多次浸漬法等。

(3)熱分解法

        又稱固相反應法，是以原料的熱分解作用為基礎的一種催化劑制備方法。該法使用可加熱分解的鹽類(如硝酸鹽、乙酸鹽、甲酸鹽、草酸鹽及磷酸鹽等)為原料，經焙燒分解得到相應的氧化物。熱分解產物是一種微細粒子的凝聚體，其結構及形狀與原料性質、熱分解溫度、分解時間及操作氣氛等因素有關。

(4)混合法

       一種制造多組分固體催化劑的方法，該法是將兩種或兩種以上的催化劑組分以粉狀粒子形態，在混合設備上經機械混合后，再經干燥、焙燒及還原等操作制成產品。根據被混合物料的物相不同，混合法又可分為干混與濕混兩種類型。兩者同屬單純的機械混合，所以催化劑組分間的分散程度不如沉淀法及浸漬法。為了提高催化劑的機械強度，可加入適量黏合劑。

        上述催化劑制備方法簡單可行，無需采用復雜的設備，在實驗室即可進行催化劑制備。但應認識到，制備方法不同，催化劑的化學組成及相組成可能會不同，特別是多組分催化劑，這種現象更為嚴重些。其原因則比較復雜，其中一個原因是多組分之間發生反應而生成某些化合物或固溶體;再者或是在制備過程中帶人雜質，特別是摻雜了不水解產物的結果。作為例子，表2-12示出了不同制備方法對 MgO-A1,0,催化劑體系相組成的影響。從表中可以看出，采用共沉淀法(序號1)及在氫氧化鋁凝膠上沉淀(序號2)的方法，可獲得良好的尖晶石結構，而序號3及4的方法就不能生成化學計量的尖品石結構。顯然，相組成不同，也必然會影響所制得催化劑的活性及選擇性。

       此外，催化劑制備方法對催化劑的物化性質(如比表面積、孔蛉;),溶液共沉淀響。圖2-8示出了用沉淀法制造硅鋁催化劑時，化學組成及pH 值對硅鋁催化劑比表面積的影響。可以看出Si0,及 AL,0,的組成比不同，沉淀操作的 pH 值不同，對硅鋁催化劑比表面積有很大影響。

       上面的一些例子說明，催化劑制備是十分復雜的技術，涉及的影響因素很多。因此，發現實驗室所制備的催化劑在催化活性及選擇性達不到預期要求時，也不要輕易否定。而應采用多種方法，包括物理化學、膠體化學、結晶化學及現代分析測試方法等多種理論及手段進行分析及判斷，找出真正影響催化劑性能的因素，并進行反復測試及評價考核，最后篩選出性能合乎要求的催化劑。如果倉促決定，則有可能淘汰最佳的催化劑配方。

2.催化劑實驗室評價

       一個工業規模的催化反應器常需要裝填數噸甚至數百噸的催化劑，對于某些工業催化劑有時需要以年計的時間考察其使用壽命。因此，以工業規模的試驗來評價催化劑，其風險及代價是極大的。而且，一種催化劑的活性、選擇性及穩定性不僅取決于工藝操作條件，也取決于反應器設計、催化劑裝填情況、反應進料中所含雜質的性質及含量，以及操作不正常的頻繁程度等。除非在實驗室評價催化劑時，這些條件無法確切模擬，一般情況下，無人肯冒為評價新開發的催化劑而引起生產損失的風險。

       因此，如果能充分了解所開發項目的催化反應機理，那么大多數催化劑都有可能在實驗室或中間試驗條件下進行有效的考察。在現階段，催化劑的配方篩選不能脫離實驗方法，對催化劑進行實驗室評價的主要目的有:①對開發一種新工藝過程所研制的各種催化劑進行性能評價;②對改進現有工藝過程的各種催化劑進行性能評價;③為取代現有工藝過程而對催化劑進行質量評價:④為現有工藝過程選擇最佳工藝操作條件而發展一種動力學模型:⑤為設計一種新催化過程提供基礎數據而開發一種動力學模型。

       研制新催化劑需要試驗相當大量的各種配方，而評價一種催化劑除了要考察影響催化劑性能的因素以外，有時還應將新試制的催化劑制備工藝與舊催化劑的制備工藝、技術經濟指標進行綜合比較，所以催化劑評價工作是比篩選更為細致而深入的工作。

        催化劑的活性、選擇性、穩定性是評價一種實用催化劑的三大主要指標。在這些指標初步達到要求時，作為一種工業催化劑，還應進一步考慮其他因素，如制備條件難易、機械強度大小、抗毒性、外觀幾何形狀及原材料來源和價格等。作為參考，表2-13示出了評價催化劑所涉及的一些項目。雖然所包含內容很多，但對于有些催化劑，已有許多可參考的經驗數據及資料，可根據對催化劑的影響程度，擇其主要進行評價考核。但對開發一種新型的催化過程及催化劑時，寧可在小規模試驗中多費些人力、物力，也要減少或避免在工業應用試驗或生產使用過程中失敗的風險。

表 2-13 評價催化劑的項目

3.評價用反應器

        所有催化反應都需在特定的反應器中實施，同樣，催化劑的實驗室評價和反應動力學考察，也需在實驗室的反應器中運行。目前，用何種反應器型式或方法，或用何種性能指標來衡量一種催化劑的質量優劣性，還沒有實現標準化或統一的定義。除去催化裂化、合成氨等少數催化劑有一定的標準評價方法外，其他多數催化劑還是根據反應體系性質、反應速率過程條件、熱性質及所需信息種類來選擇評價用反應器，由于評價方法常隨催化劑開發的品種而異，有時評價方法的某些細節同樣也是不會輕易公開的秘密，像催化劑配方或制備技術一樣是催化劑技術的一部分。

        實驗室用反應器實質上是大型工業催化反應器的模擬和微型化，其主要特點是催化劑床小，也即催化劑裝人量少，溫度可以準確測量及控制，縮小了不希望有的溫度梯度及濃度梯度，減少了傳熱和傳質效應的影響。而從另一方面看，由于反應器直徑小、催化劑用量少小的催化劑床對低濃度的毒物卻敏感很多，所以反應物必須有足夠的凈化純度，否則會對評價數據的準確性造成不利影響。

        為適應催化劑開發的需要，目前已開發出許多供催化劑評價用的一般或特殊用途的實驗反應器，簡要介紹如下:

(1)積分反應器

        反應物系連續流人反應器后，其組成有明顯的變化，這種反應器就稱為積分反應器，是實驗室常見的微型管式反應器。如圖2-9所示，反應器通常是一根細管，用以裝填催化劑管長要比裝填的催化劑床層高出許多。使用時，將一定量的催化劑(數毫升至數十亳升)裝人反應器中，原料從反應器底部進人，反應后的氣體從反應器上部取出。在這種反應器中，催化劑床層上下端的反應速率變化較大，沿催化劑床層縱向有較顯著的濃度梯度和溫度梯度。所以，這種反應器大多用于轉化率較高的反應體系，其反應速率是催化劑床層沿床高各個部位反應速率的積分結果。

        如圖2-10所示，設裝入催化劑的總體積為VK，反應氣流速為V1，單位體積催化劑床層的反應速率為ω，反應物的轉化率為x。假設反應器中反應物的濃度只有縱向變化而無徑向變化，則催化劑微小體積元dVK中的物料平衡關系為：

ωdVK=Vrdx                           (2-1)

或                                                                   
                                                   (2-2)

因為Vr為定值，所以有：

                                  (2-3)

       根據上述關系，只要在實驗中改變VKVr，就可測得相應的反應轉化率x，如以x對VKVr作圖，取曲線上任何一點的斜率，即得到對應此點的反應速率，此法即為用積分反應器測定反應速率的圖解微分法。

       當然，也可將上述微分形式的速率方程進行積分，求得反應速率，此法稱為積分法，即：

                           (2-4)

       但積分結果只有在知道ω和x的函數關系后才能得到，即ω=f(x)，而這種關系只有通過假定機理才能確定，即：

                                                                (2-5)

         ω與x的函數關系隨反應機理不同而有所不同。有關不同類型反應速率方程的微分式及積分式可參見相關文獻。

         積分反應器常是工業反應器的按比例縮小，對某些反應可以較方便地得到較為直觀的評價數據，其數據準確性接近于工業反應器，但采用這種反應器測定動力學數據只適用于等溫反應，并有以下缺點:①不能直接測得反應速率，而必須用圖解微分法求得，誤差較大;②它與理想置換反應器偏離較大，在催化劑床層的徑向存在著溫度和濃度梯度，在軸向存在溝流與返混，反應器停留時間分布不一。而且由于轉化率較高、產生熱效應較大，床層難于維持恒溫。

        在動力學研究中，積分反應器又可分為等溫積分反應器及絕熱積分反應器。如果整個反應器處于等溫狀態，稱為等溫積分反應器;如果反應器與外界絕熱，則稱為絕熱積分反應器。等溫積分反應器由于結構簡單，在分析精度上要求不是特別高時，一般總是優先選用。為盡可能實現等溫操作，可采取以下措施:①減小管徑，使徑向溫度盡可能保持均勻，在管徑為催化劑粒徑的1~6倍以上時，減小管徑對改善恒溫性能有很大作用;②使用各種恒溫導熱介質，如用整塊金屬或流沙浴間接供熱;③催化劑用惰性物質稀釋。絕熱積分反應器為直徑均一、絕熱良好、催化劑裝填均勻的管式反應器，反應體系與外界不發生熱交換。對于放熱反應，反應體系溫度上升所需的熱量來源于反應熱，吸熱反應所需要的反應熱來源于反應體系溫度降低釋放出來的熱量。但這種反應器的數據采集及數學解析比較困難。

       由上可知，操作積分反應器的方式是等溫操作。尤其是在測定動力學數據時，這樣做可以限制變量數目，使積分容易。實際上，因受熱傳遞的若干控制，難以實現等溫作，特別對強反應熱的反應更是如此。這時也可使用管式絕熱反應器來克服上述困難。由于工業規模反應器在正常情況下大多采取絕熱操作，因此小型絕熱反應器也可用于催化劑壽命試驗或用于模擬工業操作。

       有時，在缺少動力學數據的情況下，為了在積分反應器中進行催化劑活性的對比，一種簡易而有效的方法是在規定的進口和出口條件下測定不同催化劑的空間速度。這時，空速與活性成正比，這樣就可用于催化劑性能的對比。由于此時管式反應器既不在等溫下也不在絕熱狀態下操作，稱其為假等溫。由于反應條件不能嚴格規定，這種反應器所得的數據不能用于工藝放大的目的，但它可作為控制的目的使用，并對不同催化劑的性能作快速對比。(2)微分反應器

       微分反應器結構形狀與積分反應器相似，但催化劑床層更短更細，催化劑裝填量更少而且轉化率較積分反應器低得多。它與積分反應器一樣，也是固定床反應器。

       微分反應器中反應物組分的濃度或組成沿催化劑床層變化很小，故可當作恒定值，所以反應器各點的反應速率也是相同的。它主要用于轉化率較小的催化反應體系。與積分反應器相比較，其的特征是催化劑床層內無濃度梯度和溫度梯度，整個床層流體性質的均勻度保證了活塞式流動。由于組分的濃度值恒定，床層各部分反應速率都相同，因此改變每一個操作參數(如溫度、壓力、反應物濃度等)所引起的反應速率改變就可分別加以考察。由于反應速率可以直接從流速、進出口反應物濃度計算出來，因而微分反應器更適合于導出動力學數據。由于轉化率低，產生的熱效應小。

       微分反應器的缺點是需要高的氣速以保持微分狀態，對于比主反應慢得多的副反應也常難以模擬。此外，由于轉化率低，需采用準確而靈敏的分析方法，分析精度要求高，否則難以保證實驗數據的準確性及重復性，這常常限制了人們對這種反應器的選用。

       在單程管式微分反應器中，由于反應器內催化劑上的反應速率相等，即為定值，因此反應速率表示式可寫成:    

所以:

       式中，當x日=0時，x=x，即為轉化率。在實驗中測定一次V、下 和與此條件相應的轉化率后代入上式，就可求得反應速率w。由此可見，采用微分反應器，每測定一次，就可直接求得反應速率。反之，用積分反應器測定反應速率要進行一系列的測定，計算較麻煩。由上可知，積分反應器比微分反應器的結構簡單，尤其是積分反應器可以得到較多的反應產物，便于分析，并可直接對比催化劑的活性，但這兩類反應器均不能避免因催化劑床層中存在的溫度和濃度梯度而導致所測數據的可靠性降低。因此，在準確測定活性評價數據時，特別是進行反應動力學研究時，采用下述無梯度反應器更為有利。

(3)無梯度反應器

        所謂無梯度反應器，其特點是反應物料在反應器內呈全混流，化學反應在等溫和等濃度下進行，因而可按全混流模型處理實驗數據。由于消除了溫度梯度及濃度梯度，反應器內流動相接近理想混合，催化劑顆粒和反應器之間的直徑比不需要像管式反應器那樣嚴格限制。因此它可以裝填不經破碎的原粒度催化劑，甚至只需裝填一定原粒度催化劑，即可測定其表觀催化活性及考察反應動力學特性，因而這類反應器為實驗室所常用。無梯度反應器按氣體流動方式，可分為外循環無梯度反應器、連續攪拌釜式反應器及內循環無梯度反應器。

①外循環無梯度反應器 外循環無梯度反應器又稱循環流動反應器，如圖2-11所示，其特點是將反應后大部分出口氣通過反應器體外回路進行再循環，并與少量新鮮氣混合。推動氣流循環的動力是不沾染反應混合物的循環泵。

        在這種外循環反應系統中，由于連續引入一小股新鮮物料，同時又從反應器出口放VCYC出一股流出物，使系統達到穩定狀態。由于圖2-11外循環無梯度反應器示意圖連續進料和連續出料時循環氣的流量大大超過進料量和出料量，可將系統調至十分趨近于真正的微分操作，即系統內的濃度梯度和溫度梯度可小至忽略不計。

        設反應系統穩定后原料氣所含產物濃度為C，出口處產物的濃度為C，進化劑床層前，原料氣與循環氣混合后產物的濃度為，進料速度為V,則進口處反應產物的物料平衡關系為:

VrC0+VrRC2=(1+R)VrC1         (2--9)

式中，R為循環比，系循環量與原料進入量之比。

式（2-9）左側部分為一份體積的反應物與R份體積循環氣混合后反應產物的總量；右側部分表示通過催化劑床層后反應產物的總量，經簡化后，又可寫成：

C1=C0+RC2R+1                                 (2-10)

假如通過催化劑床層后反應物濃度的變化為ΔC，即：

                              ΔC=C2-C1                                (2-11)

將式（2-10）代入上式，即得到：

                         ΔC=C2-C0+RC2R+1=C2-C0R+1                        (2-12)

又設ΔCA=C2-C0，則ΔC=ΔCA/(R+1)，因循環比R大于1，所以ΔC<ΔCA，即C0<C1。此外，由式（2-10），可求得：

                                    R=C1-C0C2-C1                                 (2-13)

所以，由C0、C1及C2的值就可求得循環比R。

因單位時間內通過催化劑床層的原料氣流量為(R+1)Vr，所以反應速率可表示為：

                  (2-14)

式中， VK為反應器中催化劑的量。

       由此可見，外循環無梯度反應器中，反應速率只與反應器進口和出口處產物的濃度有關，而與循環比無關，而實驗時為了測定方便，常采用較大的R值。

       外循環無梯度反應器具有兩個特點：一是反應器雖然是微分操作，但原料氣和出口氣的總濃度差可以很大，這樣對分析誤差的要求就可以降低。當然，這還要取決于總的轉化率如何，如果將其調整得過小，就會失去應用循環系統的好處；二是反應器實現微分操作，所以，反應器內溫度梯度很小。反之，它也必須采用大量的循環氣，以提供或移走熱量。

       這種反應器的主要問題是：①很難找到一個合適的循環泵，對泵的要求是不能沾染反應混合物，滯留量要少，循環量要大，中等壓差，氣密性要好；②外循環反應器具有較大的自由體積與催化劑體積之比，因而組分的變化不靈敏，系統達到穩定的時間較長。當由一個操作條件轉換到另一條件時，需較長時間才能達到穩態，而這期間卻可能有利于副反應的發生。由于可能造成副產物或雜質濃度的累積，故對可能產生副產物的反應應少用這類反應器。

  ②連續攪拌釜式反應器

       在這種反應器中，反應物連續通入釜中，并通過攪拌器使其               混合，同時與催化劑充分接觸，為了平衡流進的反應物，應將含反應物和產物的氣體不斷從系統中除去(如圖2-12所示)。假定反應器內流體為全混合，器內各處均勻一致，反應器出口處的物料流的濃度與器內一樣，就可直接測量作為濃度函數的反應速率，也即反應物進人反應器的流速=反應物流出-VC反應器的流速+反應物在反應器中因反應而消失的流速。其反應速圖2-12 連續攪拌釜式率o也可按上述外循環無梯度反應器同樣的方法進行分析，并可反應器示意圖得到類似的結果，即:  

          ω= (C2-C0)         (2--15)                    

式中，Vk為催化劑體積。

連續攪拌釜式反應器特別適宜于中毒反應的微分研究。因為它與管式反應器相比，能使全部催化劑同時暴露于同樣濃度的毒物中。

③內循環無梯度反應器 內循環無梯度反應器是繼連續攪拌釜式反應器之后發展起來的一種新型反應器，它不僅克服了外循環無梯度反應器的一些缺點，且具有其他反應器所具有的優點。它是借助劇烈攪拌推動氣流在反應器內高速循環流動，達到反應器內的理想混合以消除其中的溫度梯度及濃度梯度。根據催化劑的放置及攪拌方式不同有旋轉籃式催化反應器、帶攪拌槳式催化反應器及旋轉槽式連續攪拌反應器等。由于這類反應器的組件都盛在一個容器內，也適用于高壓反應體系。圖2-13為內循環無梯度反應器的示意圖，裝置上部為催化劑筐及風道，催化劑裝在筐內，其下部為渦輪葉輪，當它作高速轉動時，強制氣流通過催化劑床層后再從風道吸回。也可設計成為相反方向流動，通過催化劑床層的反應物流速及循環速率可通過轉速調節。由于氣體混合均勻，可以達到溫度及濃度的無梯度狀態。而且攪拌器一般都用電磁驅動，可將動密封變為靜密封，避免滲漏。

(4)色譜微型反應器

       隨著色譜技術的進展，將微型反應器與色譜儀聯用，組成一個統一體用于催化劑活性評價，這種方法稱為“微型色譜技術"。現代化的色譜只需幾微升樣品就能夠進行分析，這就為用極少量催化劑作快速篩選測試工作提供了有利手段，而且可在實驗室內進行加壓操作。這一技術的顯著優點是:①可快速提高催化劑或反應原料的測試速率;②只需少量的催化劑及原料;③簡化等溫操作;④可消除取樣誤差，因所有產品都能進行分析;⑤能進行脈沖操作;⑥可采用的空速，并可在高壓下操作。由于這些特點，近些年來，微型色譜技術又進一步發展到與熱天平、紅外吸收光譜及差熱等聯合使用，以及與還原和脫附裝置的聯用等。

       實際上，色譜微型反應器初始所指的是“脈沖反應器"，其形式如圖2-14所示，反應物是脈沖進料而不是連續進料。將一次脈沖的反應物注射入反應器連續流動的載氣流中，脈沖通過微型反應器，同時作為試樣進入色譜儀，它安裝在管線出口上，脈沖中引出的反應物和產物即被分離和分析。

       色譜微型反應器按設計不同有多種類型，下面是幾種例子。

①將微型反應器直接聯接在色譜柱上(相當于一般色譜儀進樣閥的位置)，載氣以恒定流速流經微型反應器、色譜柱、檢測器后再排空。圖2-15為其流程示意圖。反應物從微型反應器前部周期性地注入，并由載氣帶進微型反應器中，反應后的產物經色譜柱分離，最后經檢測器進行定性定量分析。

②連續流動法。這種方法的示意流程如圖2-16所示。反應產物是連續地、以一定流速流經微型反應器進行反應，而尾氣或是排空或是經色譜柱分離后進人檢測器對產物進行定性定量分析。

      采用這種微型催化技術可以研究催化劑的物化性質、催化活性、選擇性以及反應動力學及其機理，但采用這種型式反應器時，由于只有少量反應物瞬時地流經催化劑床層，所以反應物的組成有時并不能反映整個催化反應過程的實質。

③將所要考察的催化劑裝入色譜柱內，使色譜柱處于催化反應所要求的溫度、壓力催化劑裝填量等條件下，再以惰性氣體或反應物之一作載氣，反應物以脈沖方式由載氣帶入色譜柱(即催化劑床層)進行反應，所得產物及剩余反應物立即在色譜柱(即催化劑)上進行分離，再經檢測器進行定性定量測定。圖2-17 為其流程示意圖。

       這種方法的特點是產物(包括中間產物和最終產物)在反應過程中立即分離，所以它們之間的相互作用或逆反應可以略去，從而使轉化率顯著增大。所以對平衡常數所限制的反應，這種操作技術就特別有利。

作為例子，圖2-18示出了典型的脈沖反應器的工藝過程。

       如圖2-18所示，在色譜儀的試樣注人口及色譜柱之間連入微型反應器，反應器的裝填量為50mg至幾克，反應管內徑3~10mm，反應物通過定量旋塞加人，如為液體時，約為0.1~50mL，并采用氦氣作載氣，當反應物加人量增加時，脈沖開始出現，并采用熱導型檢測器來測定，也可用氫焰型檢測器來測定。反應生成物可分別按氣體生成物及液體生成物加以分析。

       但在脈沖反應器中，有必要時從氣體至液體，其沸點范圍相差很大的全部成分進行一次測定，但這時用一個色譜柱有一定困難。所以，通常是將幾個色譜柱連起來使用，為了能正確計算物料平衡及轉化率，反應物的加入量要準確。

       脈沖反應器的操作優點是快速簡便，所需時間比用穩態系統大為減少，適用于催化劑配方的快速初選，而且也能較直觀地考察催化劑與反應物最初作用情況及中毒效應等。這種方法的主要缺點是催化劑表面不能建立平衡條件，脈沖通過催化劑的過程中，反應物的表面濃度在發生變化，從反應器所觀察到的選擇性有一定局限性，易獲得錯誤信息。

(5)流化床反應器

       催化劑的評價，如按催化劑床型來分，可分為固定床及流化床兩類。

       當液體(氣體或液體)以較低的速度穿過固體顆粒層時，流體只穿過處于穩定狀態的顆粒之間的空隙，這時床層的高度不發生變化。流體通過床層的壓力降p與流體的線速度成正比，因此阻力是隨線速度增加而呈比例上升，這種情況，即為固定床。圖2-19中直線AB與CD 即代表固定床階段。

       當流體的線速增加，催化劑顆粒就互相離開而不接dv司觸，整個床層開始膨脹，此時，床層的壓力降Ap不再隨線速增加而增大，床層處于流化狀態并隨線速的增加而不斷膨脹，料層界面不斷上移，但仍能保持明顯的界面，這種情況就稱為流化床階段。圖2-19中C點所對應的線速下限(u…)為開始流化的線速，也稱臨界流化速圖2-19定床和流化床示意圖度。而當流體的線速繼續增大，達到或超過如圖中E點所對應的線速上限u時，床層的界面已不復存在，流體已進入輸送階段，催化劑顆粒也就被流體帶走，故u也稱帶出速度輸送階段也可稱為稀相流化床階段，而流化床階段則稱為濃相流化階段。

       在流化床階段中，流體以泡沫狀形式通過膨脹了的床層上升，床層宛如沸騰的液體，所以流化床又稱為沸騰床。

       根據上述流態化原理，可以將催化劑床從固定床轉化為流化床，從而使反應過程在很多方面產生質的變化。

      與固定床相比較，流化床反應器具有以下特點:①流化床采用的催化劑顆粒直徑遠小于固定床所用顆粒直徑，因此，催化劑顆粒外表面積遠大于固定床顆粒的外表面積，因而有利于傳質及反應過程，床層溫度穩定，有利于控制床溫。②由于催化劑顆粒直徑較小，催化劑顆粒的內擴散影響可被忽略，而且由于流化床中流體流速較快，外擴散的影響也很小。宏觀動力學方程與本征動力學方程相同，反應速率獲得提高。③流化床中，流體通過催化劑床層時基本上可看作平推流，催化劑顆粒在床內運動接近全混流，如在床內加入內部構件則容易改變床層內的流動狀態以適應不同反應需要。④固定床催化劑在使用過程中會因中毒或活性表面為副產物所覆蓋，最終需對催化劑進行更換或再生。而流化床反應器則可將部分消耗的催化劑連續抽出且加入新鮮催化劑，可使催化劑維持在一定水平上流化床反應器的主要缺點是:由于催化劑顆粒在反應床層內運動激烈，故要求催化劑有足夠的耐磨強度。顆粒在床內被氣流帶出損失較大，對使用貴金屬催化劑的過程是不利的。此外，催化劑對反應器壁的磨損也較固定床嚴重。

        目前，流化床催化反應器已廣泛用于考察多種流化床催化劑的反應性能及反應動力學機理，如重油催化裂化、丙烯氨氧化制丙烯腈、乙烯或乙烷氧氯化制二氯乙烷、萘氧化制苯酐等催化反應。考察及測定的變量有反應溫度及壓力、出口氣體組成、催化劑粒度分布、床層密度及黏度、催化劑的活性及選擇性、傳熱及傳質狀況、氣泡尺寸等。流化床反應器可用硬質玻璃或金屬O,材料制造。反應原料的凈化精制、計量及乙烯-產物分析等與固定床反應器類似，只是反應狀態不同，因而導致實驗測試參數有所不同。

作為參考，圖2-20為乙烯氧化制乙酸乙烯酯的流化床催化劑評價示意圖，其主反應為:

C2H4+CH3COOH+12O2→→CH3COOCH====CH2+H2O+147Kj/mol

  流化床反應器采用內徑為φ22mm、高為400mm(其中上端為擴大部分，高為100mm)的玻璃制反應器，外部用電熱套加熱，以控制反應溫度。

產品展示

產品詳情：

       SSC-PEFC20光電流動反應池實現雙室二、三、四電極的電化學實驗，可以實現雙光路照射，用于半導體材料的氣-固-液三相界面光電催化或電催化的性能評價，可應用在流動和循環光電催化N2、CO2還原反應。反應池的優勢在于采用高純CO2為原料氣可以直接參與反應，在催化劑表面形成氣-固-液三相界面的催化體系，并且配合整套體系可在流動相狀態下不斷為催化劑表面提供反應原料。

       SSC-PEFC20光電流動反應池解決了商業電催化CO2還原反應存在的漏液、漏氣問題，采用全新的純鈦材質池體，實現全新的外觀設計和更加方便的操作。既保證了實驗原理的簡單可行，又提高了CO2還原反應的催化活性，為實現CO2還原的工業化提供了可行方案。