CN101501489A - 催化剂和催化剂体系的快速连续实验 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过多个站(1－6)测试催化剂的方法，其中各个站可容纳通用反应器模块(7)以实现无人看管的、自动的、快速连续实验。所述方法包括：设置预负载催化剂反应器的存储站(1)、烃反应站(4)、与所述烃反应站串联的一个或多个另外的预处理(2－3)和/或后处理站(5)，和用于在站之间的净化室(9)内移动催化剂反应器(7)的机械装置(8)，在所述预处理站(2－3)内用处理气体预处理所述预负载的催化剂反应器(7)，使所述预负载的催化剂反应器(7)与烃反应物在烃反应站(4)内反应，在所述后处理站内用处理气体后处理所述预负载的催化剂反应器(7)，并重复上述步骤以使得对于两个不同的预负载催化剂反应器(7)同时进行预处理、反应和后处理步骤。

Description

催化剂和催化剂体系的快速连续实验

技术领域

本发明涉及催化剂测试领域。更具体地，涉及改进的通过自动化测试催化剂和催化剂体系的改进方法。仍更具体地，本发明涉及通过将催化剂处理和反应测试和表征引入不同站用于同时实验的测试催化剂和催化剂体系的改进方法。

背景技术

通常通过“大规模并行”方法实现高产出的催化剂测试，所述方法在High-Throughput Screening in Chemical Catalysis(2004 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.and KGaA，Weinheim中讨论。在该现有技术中，以高度取决于手工操作的方式将一批材料作为单一批次测试。在该实验方法中，将催化剂装入阵列中的各个孔内，密封并然后加热至统一的操作温度。一旦达到所述温度，则进行反应(通常是烃(HC))测试。反应之后的任何表征(即BET分析，结焦量)要求单独的操作。来自阵列中的各个催化剂要求一个接一个的手动卸载、隔离、称重和再次装载入各个另外的表征装置内。整体上，催化剂的顺序表征变成缓慢的步骤并且不再是高产出的。尽管在该现有技术方法中所述测试和表征结果和操作自然地是完全不同的，为产生催化剂的完整评价，需要包括二者。

已经使用催化剂反应器的并行测试用于需要长时间测试的材料。然而，在其中必须将反应测试和表征技术结合起来以产生完整分析的材料评估中，如在德国专利No.DE19809477C2中提到的并行测试，并非总是有效的。例如，大量的碳沉积在高温下的非均相反应器中评测的材料上。没有随后的催化剂表征，必须通过碳平衡计算沉积在催化剂上的焦炭量。然而，这种方法论是不可靠的，因为其需要测量所有的物种并且精确测量。缺失的组分和错误的传播导致高度不准确、离散的结果。从而，使得由所有那些测量值计算焦炭是不适用的。

由于可能必须从反应器将材料的阵列卸载至新的反应器中用于除焦和一个接一个的测试，对于并行的反应器体系，焦炭的直接测量(很可能通过燃烧)不是可行的解决方案。或者，并行方法中的反应器可能必须被转换为另一个实验性的设置。另一种方法是重新设计烃进料系统以包括被联锁装置适当隔开的空气和烃进料二者(尽管是可能的，也具有相当的危险性)，从而完成焦炭测量。所有这些方法对于高产出的实验变为瓶颈。

并行装置本身是复杂的机械。必须在数据质量和复杂性之间达到折中。结果是并行装置不含有足够的仪器以控制关键的工艺参数，即压力、流量、和各个独立反应器的温度。此外，对于“大规模并行”一些参数具有有限范围的操作温度。尽管可以一次测试许多催化剂的催化剂性能，数据的质量受到影响。这导致测试结果中的高度变异性。

需要一种测试催化剂和催化剂体系的改进方法，以缓解上述与利用大规模并行技术的现有技术相关的问题。

发明内容

已经发现，通过使用多站式测试装置并使测试协议自动化以使得反应器可更快循环(或缩短反应时间)，导致测试、表征和改变反应器的总时间减少，可有利地更有效地进行催化剂和催化剂体系的连续测试。

根据本发明，公开了通过多个站测试催化剂和催化剂体系的有利方法，其中各个站可容纳常见的反应器模块以实现无人看管的、自动的、快速连续实验，包括以下步骤：(a)在一个或多个净化室内设置预负载催化剂反应器的存储站、烃反应站、与所述烃反应站串联的后处理站，和用于在所述一个或多个净化室内移动催化剂反应器的机械装置，(b)用所述机械装置将预负载的催化剂反应器从所述存储站移至所述烃反应站，(c)在受控的时间、温度、流速和压力条件下，使所述预负载的催化剂反应器与烃反应物在所述烃反应站内反应，(d)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述烃反应站移至所述后处理站，(e)在所述后处理站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，用处理气体后处理所述预负载的催化剂反应器，(f)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述后处理站移至所述存储站，和(g)重复上述步骤，使得对于两个不同的预负载催化剂反应器同时进行反应和后处理步骤。

本发明的另一个方面涉及通过多个站测试催化剂和催化剂系统的有利方法，其中各个站可容纳通用反应器模块以实现无人看管的、自动的、快速连续实验，包括以下步骤：(a)在一个或多个净化室内设置预负载催化剂反应器的存储站、预处理站、与所述预处理站串联的烃反应站，和用于在所述一个或多个净化室内移动催化剂反应器的机械装置，(b)用所述机械装置将预负载的催化剂反应器从所述存储站移至所述预处理站，(c)在受控的时间、温度、流速和压力条件下，在所述预处理站内用处理气体预处理所述预负载的催化剂反应器，(d)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述预处理站移至所述烃反应站，(e)在所述烃反应站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，使所述预负载的催化剂反应器与烃反应物反应，(f)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述烃反应站移至所述存储站，和(g)重复上述步骤，使得对于两个不同的预负载催化剂反应器同时进行所述预处理和反应步骤。

本公开的另一个方面涉及通过多个站测试催化剂和催化剂系统的有利方法，其中各个站可容纳通用反应器模块以实现无人看管的、自动的、快速连续实验，包括以下步骤：(a)在一个或多个净化室内设置预负载催化剂反应器的存储站、预处理站、与所述预处理站串联的烃反应站、与所述烃反应站串联的后处理站，和用于在所述一个或多个净化室内移动催化剂反应器的机械装置，(b)用所述机械装置将预负载的催化剂反应器从所述存储站移至所述预处理站，(c)在受控的时间、温度、流速和压力条件下，在所述预处理站内用处理气体预处理所述预负载的催化剂反应器，(d)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述预处理站移至所述烃反应站，(e)在所述烃反应站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，使所述预负载的催化剂反应器与烃反应物反应，(f)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述烃反应站移至所述后处理站，(g)在所述后处理站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，用处理气体后处理所述预负载的催化剂反应器，(h)用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述后处理站移至所述存储站，和(i)重复上述步骤，使得对于两个不同的预负载催化剂反应器同时进行所述预处理、反应和后处理步骤。

通过本文公开的快速连续实验和由此的用途/应用，由测试催化剂和催化剂体系的有利方法产生了许多益处。

例如，在本公开的示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了催化剂测试时间的减少。

在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了高的可重复性和测试数据质量。

在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了催化剂测试设备的自动化无人看管操作。

在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了在自动化测试和表征协议中编程各种设置和指令的能力(例如，各催化剂具有其自己的方法以确定其待被测试、表征、处理、再次测试、再次表征、再次处理等等的顺序)。

在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法同时进行预处理、反应、后处理和表征步骤。

在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法用于更高的测试温度。

在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法使得可表征测试结果而不将所述催化剂暴露于可能改变结果的环境条件下。

仍在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法使得可通过同时评价多于一种的催化剂反应器而依次进行高产出的实验。

仍在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的大批反应器的预处理和后处理方法使得可减少反应站内的时间，从而增加产出率。

仍在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法使得可以任何具体的顺序进行预处理、烃测试、表征、老化和后处理，包括再现若干步骤。

仍在本公开的另一个示例性实施方式中，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了以使得可进行连续、自动操作的方式用于各个站队列的开发(HC测试，老化等)，以使得最小化停机时间和最优化产出。

由下面的详细说明，特别是结合其附图阅读，本文所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系方法的这些和其他优点、特征和特性和它们有利的应用和/或用途将是显而易见的。

附图说明

图1描述了通过快速连续实验测试催化剂方法的示例性示意图，所述实验包括存储、预处理、烃反应、后处理和表征站。

图2描述了通过快速连续实验测试催化剂方法的另一个示例性示意图，所述实验包括组合存储/预处理、烃反应、和表征站。

具体实施方式

本发明涉及利用连续测试作为手段以快速测试催化剂和催化剂体系的新方法。所述利用快速连续测试作为手段以测试催化剂和催化剂体系的方法相对于现有技术的不同之处在于，提供和利用设计待在烃测试站、和预处理、后处理、老化和/或表征站之间运送的模块反应器，并利用自动化使得这些含催化剂的反应器在站之间被整体运输，以用于连续处理、测试和表征之目的。用于高产出测试的现有技术方法使用一个测试站用于同时测试(也称为并行测试)多于一个的催化剂反应器，而本发明利用多站方式。

本发明还公开了用于大批处理预负载的催化剂反应器的方法(在预处理、后处理和老化站中)，同时以连续方式测试预负载的催化剂反应器(在烃反应测试和表征站中)以实现实验时间的减少。大批处理定义为在给定的站内同时调整或处理多于一个的预负载催化剂反应器，并且确实需要要求主动测试材料的内在性能或任何演化或转化产物的性能。以连续方式测试被定义为每次测试一个预负载催化剂反应器。“大规模”并行是指，当同时处理约24个或更多的预负载催化剂反应器的情况(以并行方式)。通过使一个或多个催化剂反应器的并行处理与一种催化剂反应器的连续测试解耦，减少了测试催化剂反应器的时间(通过反应和表征)使得可进行更快速的连续实验。此外，在站之间和站内使用自动机械和计算机控制处理使得允许进行无人看管、过程自动化和进一步最小化处理、反应和表征预负载催化剂反应器所需的时间。此外，现有技术并行进行催化剂反应器测试的方法最适用于在给定的条件设定下同时测试不同的催化剂材料，而本发明更有利地在处理和测试条件范围下用于测试单一的催化剂材料。

实现“大规模并行”高产出催化剂测试的另一种途径是通过催化剂的连续测试。由于缺乏对并行装置中关键参数的控制，研究人员通过借助连续方式的实验性矩阵进行催化剂和催化剂体系的测试。并行装置不适用于快速连续操作。并行体系复杂的密封机制是个问题并阻碍了快速和自动化的反应器交换。结果，并行体系要求手动的催化剂卸载、称重和在任何其他步骤之前的再次装载，这是麻烦且耗时的。当将由反应器交换和密封事宜产生的系统停机时间包括在内时，并行系统总的产出会比快速连续系统更低。

本发明公开了利用连续测试以快速评价催化体系的改进方法。适用于通过本发明的快速连续方法测试的示例性催化剂类型包括但不限于，沸石、混合金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、负载金属和它们的组合。催化剂类型可被负载在金属或聚合物载体材料上。催化剂和催化剂载体被包含在用于测试目的的反应器内。反应器的一个示例性但非限制性类型是便携且容易通过机械装置运送的石英管或其他管式类型的反应器。可以使用聚合或接枝材料以提供管式反应器和到达反应器的供应/流出物线之间的密封。

本发明的快速连续方法适用于任何多相催化剂反应，一种优选的反应是烃的加氢处理。在烃反应站或装置中测试本发明反应器中的催化剂。所述HC反应站每次在用于HC反应物类型、温度、压力、反应时间和流速的控制条件下测试一个反应器。用于反应催化剂的示例性烃包括但不限于，甲烷、更高级的烷烃、烯烃、芳香族化合物、醇、醚、含氧化合物、含碳化合物、含氢化合物和含氧化合物。

在紧邻HC反应站处可以是催化剂反应器存储架，也称为催化剂反应器托盘，存储站、存储托盘或前室。所述存储站或托盘可含有任意数量的预负载催化剂反应器队列用于HC测试、表征或处理(预处理和后处理)。所述存储站或托盘可容纳通用反应器模块。所述通用反应器模块可以是单独的反应器管或反应器管阵列。即所述通用反应器模块允许一个或多个预负载催化剂反应器在装置的不同站之间具有容易互换性和可运输性。在用于HC测试、老化或表征的准备中，可用惰性气体吹扫存储站或托盘至预定的压力。此外，在用于HC测试、老化或表征的准备中，可加热或冷却所述存储站或托盘至预定的温度。

除HC反应站之外，本发明的快速连续方法包括至少一个或多个与HC反应站串联的另外的站或装置。一个或多个另外的站或装置的示例性类型是在HC反应站之前用于处理催化剂的预处理站。例如，在预处理站中，可以干燥新的或废弃的催化剂以防止在HC反应之前的催化剂降解。一个或多个另外的站或装置的另一种示例性类型是在HC反应站之后用于处理催化剂的后处理站。在HC反应步骤之前进行预处理步骤，在HC反应步骤之后进行催化剂后处理步骤。例如，在后处理站中，可以在空气中氧化用过的催化剂(脱碳或钝化)以防止自燃。其他示例性的、预处理和后处理类型包括但不限于：干燥、钝化处理、氧化、还原、碳化、硫化、氮化和磷化。在预处理和后处理站中，可以在控制条件下调整一个或多个反应器的气体类型、温度、压力、反应时间、和流速。用于预处理和后处理催化剂反应器的示例性气体包括但不限于，氢气、空气、氧气、氮气、氦气、氩气、氨、水蒸气、硫化氢、含硫化合物、含氧化合物、含氮化合物、含磷化合物、含碳化合物和它们的任意组合。这些气体还可以被稀释(如用之前列出的气体)以控制反应速率和释放或消耗的热量。

在HC反应测试之前，可以在惰性气氛下在加热单元内进行催化剂干燥一段预定的时间和温度。

与HC反应站或装置串联的至少一个或多个另外的站或装置的另一种示例性类型是用于催化剂老化的老化站。示例性的催化剂老化处理包括但不限于：热、水热、还原、氧化、渗碳处理或其组合。

与HC反应站或装置串联的至少一个或多个另外的站或装置的另一种示例性类型是用于在HC反应之前或之后表征催化剂材料的催化剂表征站。示例性的催化剂表征方法包括但不限于：气相色谱分析、质谱分析、红外光谱分析、化学吸附、酸度测定、吸附、解吸、BET分析、BJH分析、表面积、孔体积、XRD、XRF和ICP。

将所述催化剂站、HC反应站和至少一个或多个另外的站以及用于移动站之间的催化剂反应器的机械装置引入到用于催化剂的无氧存储的净化室或手套箱内。示例性的吹扫气体包括但不限于：氦气、氢气、氮气、氩气、及其混合物。通过由适用于高温应用的结构材料制造所述站、反应器、手套箱和机械装置，可以在高温下进行所述快速连续方法。

使用由可编程逻辑控制器或计算机控制的机械装置，在手套箱内将催化剂反应器从站移动到另外的站。可编程所述的PLC或计算机以实现催化剂反应器在HC反应、预处理、后处理、老化和表征站之间任意次序的移动。所述机械装置可以在手套箱内由支撑桥或臂装置支撑。可将任意的大量测试和表征协议编程到PLC或计算机内，用于改变各个站催化剂反应器移动的顺序和时间。也可以使用计算机或PLC界面用于控制站的温度、测试时间(上升、保持和下降)、气体流速、和压力。例如，可以通过改变整个临界流孔内的压差而控制流量。此外，可利用PLC打开和关闭气体阀，用于依次使不同类型气体通过手套箱装置。还可使用计算机或PLC界面用于采集和计算由催化剂表征站产生的催化剂性能数据。计算机或PLC界面也可使用模糊逻辑。例如，可以利用模糊逻辑以确定测试特定催化剂反应器的开始和停止时间。

在本发明一个示例性的实施方式中，本发明的快速连续方法包括用于整体干燥的预处理站，用于HC反应的测试站和用于测试积焦的表征站(再生)。上述的站被包含在具有耦合至PLC或计算机上的机械装置的手套箱内。所述PLC或计算机可被编程为仅进行反应测试或脱焦。还可以编程所述PLC或计算机以在HC反应之后进行各催化剂样品的脱焦。此外，PLC或计算机可以被编程为具有用于脱焦的缓变率和保持时间。或者，可以编程PLC或计算机以对各个催化剂样品多次改变反应/脱焦，并且可以改变重时空速(WHSV)以确定单一样品的反应动力学。

在本发明另一个实施方式中，快速连续方法可设有第三站。所述第三站可以是另一个催化剂表征站或老化站以扩增HC反应站和脱焦站。在本发明另一个实施方式中，所述快速连续方法可以设有第四站。例如用于在HC测试之前预先调节催化剂反应器的预处理站。在本发明另一个选择性实施方式中，本发明的快速连续方法可以在手套箱装置内设有五个或更多的站。在利用两个或更多站的本发明各个实施方式中，以连续的方法学操作所述工艺以实现高产出的测试。本发明的快速连续方法在可以与HC反应站结合使用的站的数量和类型方面没有限制。可以与HC反应站串联的方式，使用一个或多个预处理、后处理、老化和表征站的任意组合，以实现高产出的测试。

在本发明另一个示例性的实施方式中，使装填有催化剂的反应器从站至站以类似装配线的方式(连续)通过。在各个站处，进行特定的处理、测试(即HC)或表征操作。利用支撑托盘提供用于支撑和选择管的队列。设置净化室以减少与空气的接触并减少测试前再次处理催化剂、处理或表征所需的时间。各个站含有不同的反应器或反应器组，并且通过计算机控制操作参数以组织选择、时间和操作条件。在净化室内的优化机械操作使得可进行高产出的自动化、无人看管实验。

在本发明另一个示例性的实施方式中，以这样的方式设计反应器，即使得反应器可在烃测试和脱焦装置之间被运送，所述装置引入巧妙的自动化以使得含催化剂的反应器可被整体运送至脱焦装置，在那里进行操作。此外，可任选将反应器运送至用于其他表征(即BET)的体系，其中使用含催化材料的相同反应器。该方法使得可在进行脱焦和/或BET表征测试的同时，下一个催化剂经历HC反应。

在本发明中，为以有效的方式实现连续测试，构建两个(或多个)装置或站。对于上面的例子，以毗邻方式构建脱焦站和烃反应站，以使得在HC反应站内一种催化剂样品的反应与催化剂脱焦站内另一种催化剂样品的脱焦同时进行。通过机械传递装置和编程程序而自动控制站和反应器装置之间的样品交换。可以利用计算机队列系统跟踪催化剂样品的位置，运行存储的程序(协议)，并提供所述完整快速连续体系的无人看管操作。可利用进料口来操作所有装置的气体组合物。此外，独立控制各个装置或站的压力、温度和流速。

在本发明中，为改进反应测试(或脱焦)之间的循环时间，将所有装置或站包含在惰性气氛下并排队，同时保持在加热单元内。这使得无需预先干燥和广泛预热样品。脱水样品有利地使得可更快地升温至反应(操作)温度，还防止了反应和脱焦之间样品的无意氧化。从而，通过样品处理，循环时间和数据质量均得到了改进。仅允许样品冷却至足以使得在反应器装置和样品站之间传递的时间。可以通过利用移动的分式炉加热器设计实现循环时间的进一步减少，所述设计使得反应器管在站之间转移而无需冗长的加热和冷却循环。加热器保持在高温设定值下并从反应器管处移开，同时风扇将冷空气吹过反应器使得进行更快的热传递。

图1是本发明通过多个站用于测试催化剂和催化剂体系方法的示例性工艺示意图，其中各个站可容纳通用反应器模块以完成无人看管的、自动的快速连续实验。该图包括以下组分，催化剂库或存储托盘或站1，第一预处理站2，第二预处理站3，烃反应站4，后处理站5，催化剂表征站6，一个或多个预负载的催化剂反应器管7，顶部的自动门式机架8，吹扫气体罩9，和计算机或可编程的逻辑控制器10。自动门式机架8使预负载的催化剂反应器管7在吹扫气体罩9界限内的所有站1、2、3、4、5、6之间移动，使得催化剂反应器管7在工艺内移动而不与空气接触(绝氧工艺条件)。用于排序催化剂的催化剂库或存储站1包括至少一个、优选多个预负载的催化剂反应器管7。所述自动门式机架8将反应器管7从催化剂库或存储站1移至第一预处理站2用于预先处理。自动门式机架8还将反应器管7从第一预处理站2移至第二预处理站3用于第二次预先处理。在各个预处理站2、3内，可同时进行多个催化剂反应器7的预先处理。在一个非限制性实施例中，所述第一预处理站2干燥一个或多个催化剂反应器7，第二预处理站氧化所述一个或多个催化剂反应器。

参考图1，在预处理调整之后，自动门式机架8将催化剂反应器管7从第二预处理站3移至用于烃反应测试的烃反应站4。在一个非限制性的实施例中，烃反应站4使预负载的催化剂反应器管7与烃接触。在反应站4内，在任意给定的时间测试单独的预负载催化剂反应器7。没有在烃反应站4内测试多个催化剂反应器7。在烃反应测试之后，自动门式机架8将反应器管7移至后处理站5用于后处理测试。可以在后处理站5内同时后处理多个催化剂反应器7。在一个非限制性的实施例中，所述后处理站5经一个或多个催化剂反应器管7作用以脱焦。在后处理测试之后，自动门式机架8将反应器管7移至表征站6用于测试催化剂的性能。在表征站6内，在任意给定的时间表征单独的预负载催化剂反应器7。在一个非限制性的实施例中，表征站6测量催化剂反应器管7的BET。在催化剂表征之后，自动门式机架8可将反应器管7移回至催化剂库或存储站1。也可以加热各个站1、2、3、4、5、6，并控制温度、压力和/或气体流速。

图1中的虚线表示选定组分之间的联系，以使得可通过耦合到计算机或可编程逻辑控制器10上的自动门式机架8进行机械自动化。所述计算机10不仅可用于控制自动门式机架8的移动，还可用于更新用于各个站的测试队列、自动化催化剂选择、进料流速、压力、温度和其他操作条件。出于清楚的原因，并未说明图1中的一些其他设备阀、加热带、流量控制器、气筒、加热带、炉加热器等，但是对于本领域普通技术人员将是显而易见的。

图2是本发明通过多个站测试催化剂和催化剂体系方法的另一种示例性工艺示意图，其中各个站可容纳通用反应器模块以实现无人看管的、自动化快速连续实验。图2与图1的不同之处在于包括组合的催化剂反应器存储和预处理站23，并且不包括后处理站。图2包括以下元件：催化剂库/存储/干燥/预处理站23，烃反应站40，表征体系50，一个或多个预负载催化剂反应器管27，高架的自动门式机架28，吹扫气体罩29，和计算机或可编程的逻辑控制器30。烃反应体系40包括一个或多个气筒41，烃进料体系42，烃反应站43(其包括催化剂反应器管固定机械44，其顶部和底部座带有聚合“面”密封，和在催化剂反应器管27周围的炉加热器45)，和用于在线反应测试/测量的分析仪器46。在线分析仪器46可包括气相色谱分析、质谱分析、红外探测仪或其组合。所述表征体系50包括一个或多个气筒51，气体进料系统52、表征站53(其包括催化剂反应器管固定机械54，其顶部和底部座带有聚合“面”密封，和在催化剂反应器管27周围的炉加热器55)。分析56是用于分析表征系统的产物流出物的。

参考图2，自动门式机架28使预负载的催化剂反应器管27在存储/预处理站23之间移动，烃反应站43和表征站53在吹扫气体罩29的界限内，使得催化剂反应器管27在工艺内移动而不与空气接触(无氧处理条件)。用于排序催化剂的存储/预处理站23包括至少一个、优选多个预负载的催化剂反应器管27。可以在存储/预处理站23内同时预处理多个催化剂反应器27。在一个非限制性的实施例中，所述存储/预处理站23干燥一个或多个催化剂反应器27。然后自动门式机架28将催化剂反应器管27从存储/预处理站23移至烃反应站43用于烃反应测试。在一个非限制性的实施例中，烃反应站43使预负载的催化剂反应器管27与甲烷接触。在反应站43内，在任意给定的时间测试单独的预负载催化剂反应器27。不在烃反应站43内测试多个催化剂反应器27。

再次参考图2，在烃反应测试之后，自动门式机架28将反应器管27移至表征站53用于测试催化剂性能。在表征站53内，在任意给定的时间表征单独的预负载催化剂反应器27。在一个非限制性的实施例中，表征站53测量催化剂反应器管27的表面积。在催化剂表征之后，自动门式机架28可将反应器管27移回至存储/预处理站23。也可加热各个站23、43、53并控制温度。

图2中的虚线表示选定组分之间的联系，使得可通过耦合到计算机或可编程逻辑控制器30上的自动门式机架28进行机械自动化。所述计算机30不仅可用于控制自动门式机架28的移动，还可用于固定和更新用于各个站的测试队列、自动化催化剂选择、进料组成、进料流速、压力、温度和其他操作条件。出于清楚的原因，并未说明图2中一些其他设备阀、流量控制器、液体收集容器等，但是对于本领域普通技术人员将是显而易见的。

本发明公开的利用连续测试作为手段以快速测试催化剂和催化剂体系的方法其优点包括：特别是，改进了准确性、再现性和产生测试数据的质量，提高了测试产出率(减少了测试时间)，提供了装置的自动化、无人看管的操作，赋予了编程多种序列和设定的能力，提供了多种工艺(预处理、HC反应测试、后处理、老化和表征)的组合，并提供了更高的操作温度。此外，在本发明的快速连续方法中，研究者利用了操作(预处理、HC反应、后处理和表征)的不同时间尺度而对产出无不利影响。更具体地，关于增大的测试产出率，大批预处理催化剂装填的反应器的方法使得可减少在反应器内的时间，因为在下一个连续的测试如烃测试之前已经完成了预处理步骤，从而提高了产出率。更具体地，关于提供编程多种序列和设定的能力，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了以任何特定顺序进行预处理、烃测试、表征、老化和后处理的能力，包括重复若干步骤。更具体地，关于赋予设备自动化无人看管的操作，所公开的通过快速连续实验测试催化剂和催化剂体系的方法提供了以如下方式开发用于各个站(HC测试、老化等)的序列，其中所述方式使得可进行连续、无人看管的操作从而最小化下降时间和最优化产出。所公开的利用连续测试作为手段快速测试催化剂和催化剂体系的方法可应用于实验室测试环境，尤其是高产出的测试环境中。

申请人试图公开所公开发明主题的所有可合理预期的实施方式和应用。然而，可能存在作为等同方式的不可预见的、预期的变化方式。尽管结合其具体的示例性实施方式描述了本发明，根据上述说明书的描述，不偏离本发明的精神或范围的许多改变、变化方式和变体对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。因而，本公开意图包括所有这类上述详细说明内容的改变、变化方式和变体。

下面的实施例用于说明本发明及其优点而非限制其范围。

实施例

实施例1：

将预煅烧的催化剂装填的管式反应器的存储站或托盘(各自0.25g)置于手套箱的前室内。抽空所述前室，然后氮吹扫至4英寸水柱(标准规格)。然后将托盘转移至手套箱的惰性气氛内的加热单元。所述加热单元已经含有当前用于反应测试和脱焦的若干托盘。位于加热单元内托盘中的二十五个催化剂装填的反应器已经到达120℃的稳定状态。同样将在加热托盘内的各个反应器连续暴露于惰性吹扫下，以干燥各催化剂足够的时间，从而使得各催化剂装填的反应器被认为进行了适当的预处理并可用于烃测试。自动机械装置从预装载的托盘上选择反应器管，并将其转移到烃装置内用于测试。然后，开动(自动)由两侧构成的400℃的炉以装入催化剂，并以5℃/分钟加热至800℃。保持所述催化剂装填的反应器约90分钟，然后在20分钟内通过风扇强制冷却至400℃。类似的，将用过的催化剂反应器送回反应器托盘。然后将其传送至焦炭表征装置。与烃测试装置类似，开动(自动)由两部分构成的炉以装入结焦(用过)催化剂的反应器。然后混合表征进料加热器以在He中含有1％的氧。随后进行程序升温氧化(TPO)以确定催化剂上焦炭的重量百分数和其相对于燃烧温度的分布。以5℃/分钟将催化剂装填的反应器从200℃加热至800℃。随各个测试完成，通过串联的自动机械自动选择新的催化剂反应器。对于反应器托盘的1个循环，总的测试时间小于3小时。

预处理干燥时间                        2.5小时

烃测试时间(和冷却)                    3.0小时

程序升温氧化                          ～2小时

对于一个反应器完成实验的总时间         ～3小时

通过任何一个步骤的最长时间确定用于预处理、HC反应和表征的一个循环的总时间。

实施例2：(对比例)

用0.25g的催化剂装填反应器。将反应器手动装载到传统的3区炉装置内(需要约0.5小时)。进行压力实验并然后以1℃/分钟从30℃加热至120℃，保持1小时以进行干燥(总时间为2.5小时)。然后以5℃/分钟将催化剂装填的反应器加热至800℃。然后进料烃气体并使其反应约1小时。反应的总时间约3.3小时。因为传统炉的重量和没有风扇，冷却需要约2小时。同时，将废弃催化剂(不同)的样品装载至装置以完成程序升温氧化，以5℃/分钟从25℃升至800℃。由于必须卸载反应器和装载TGA(热重分析仪)盘，需要0.5小时装载所述仪器。此外，无惰性气氛的条件下，必须在25℃开始氧化而不是200℃下，从而总时间需要3小时。

预处理干燥时间和反应器装载           3.0小时

烃测试时间                          3.3小时

冷却时间                            2.0小时

程序升温氧化                        3.0小时

总计，与实施例1的3小时相比，所述工艺的1个循环需要8小时。

实施例3：

权利要求1的方法，其中通过整个临界流孔的压差或者通过使用自动化的可变孔如阀而控制工艺流体。

实施例4：

实施例1的方法，其中使用聚合或接枝材料，以提供在任何预处理、反应、后处理或表征站之间管式反应器和供给/流出物线路之间的密封。

实施例5：

实施例1的方法，其中将模糊逻辑与进料分析结合以确定实施例1中的开始时间。

实施例6：

实施例1的方法，其中设定协议以在各反应之后脱焦各样品。

实施例7：

实施例1的方法，其中设定协议以对于各样品多次改变反应/脱焦，并由此改变WHSV以确定单一样品的反应动力学。

实施例8：

实施例1的方法，其中设定协议以仅仅进行反应测试或脱焦。

实施例9：

实施例1的方法，其中以用于脱焦的升温速率和保持时间编程温度(程序升温氧化)。

实施例10：

实施例1的方法，其中将任意数量的反应、预处理、后处理和表征结合以连续方法学操作。

实施例11：

实施例1的方法，其中以高输出方式实现更高温度的操作(通过结构材料)。

实施例12：

实施例1的方法，其中实现烃反应、脱焦和表征的多个循环。

实施例13：

实施例1的方法，其中大批干燥含有催化剂的反应器管(预处理)以最小化或减少反应测试时间。

实施例14：

实施例1的方法，其中编程自动机械以提供用于预处理干燥站、烃反应站和脱焦表征站之间反应器管的传送，以使得可进行无人看管、昼夜不停的操作。

实施例15：

实施例1的方法，其中程序化阀以设定烃进料混合物的规格，在反应前进行进料分析，根据预定的、程序化的程序开始和停止向含有催化剂的反应器中进料。

实施例16：

实施例1的方法，其中用于烃测试和脱焦的炉被自动化以满足特定的设定值、升温速率和保持时间，从而以更有效和准确的方式测试催化剂。

实施例17：

实施例1的方法，为了围绕在装填催化剂的反应器周围，其中用于烃测试的炉受到自动机械的控制，以如通过计算机所确定的按时自动开启和关闭。

实施例18：

实施例1的方法，其中使用风扇以使得可对于任何站进行炉的快速冷却。

实施例19：

实施例1的方法，其中使用质谱仪、气相色谱仪或红外池以测量所述催化剂或其一种或多种来自测试或表征的随后产物的性能。

Claims (44)

1.一种通过多个站测试催化剂和催化剂体系的方法，其中各个站能够容纳常见的反应器模块以实现无人看管的、自动的、快速连续实验，包括以下步骤：

在一个或多个净化室内设置预负载催化剂反应器的存储站、烃反应站、与所述烃反应站串联的后处理站，和用于在所述一个或多个净化室内移动催化剂反应器的机械装置，

用所述机械装置将预负载的催化剂反应器从所述存储站移至所述烃反应站，

在受控的时间、温度、流速和压力条件下，使所述预负载的催化剂反应器与烃反应物在所述烃反应站内反应，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述烃反应站移至所述后处理站，

在所述后处理站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，用处理气体后处理所述预负载的催化剂反应器，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述后处理站移至所述存储站，和

重复上述步骤，使得对于两个不同的预负载催化剂反应器同时进行反应和后处理步骤。

2.权利要求1所述的方法，其中所述常见的反应器模块是预负载的催化剂反应器或预负载催化剂反应器的阵列。

3.权利要求1所述的方法，其中所述预负载的催化剂反应器装载有选自如下的催化剂：沸石、混合金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、负载金属及其组合。

4.权利要求1所述的方法，其中所述烃反应站和所述后处理站被包含在一个净化室内。

5.权利要求1所述的方法，其中所述烃反应物选自：甲烷、更高级的烷烃、烯烃、芳香族化合物、醇、醚、含氧化合物、含碳化合物、含氢化合物和含氧化合物。

6.权利要求1所述的方法，其中所述后处理步骤选自：脱焦、干燥、钝化处理、氧化、还原、碳化、硫化、氮化和磷化。

7.权利要求2所述的方法，其中在所述通用反应器模块上进行所述大批后处理步骤，以在所述烃反应站内使得具有更快的循环时间。

8.权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

提供与所述烃反应站和所述后处理站串联的催化剂老化站，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述存储站、烃反应物站、和后处理站中的一个移至所述催化剂老化站，和

使所述催化剂老化站中的所述预负载的催化剂反应器经热处理、水热处理、还原、氧化、渗碳处理或其组合作用。

9.权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供与所述烃反应站和所述后处理站串联的催化剂表征站，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述存储站、烃反应物站、和后处理站中的一个移至所述催化剂表征站，和

使所述催化剂表征站中所述预负载的催化剂反应器经气相色谱分析、质谱分析、红外光谱分析、化学吸附、酸度测定、吸附、解吸、BET分析、BJH分析、表面积、孔体积、XRD、XRF和ICP、程序升温氧化、程序升温反应和程序升温还原。

10.权利要求1所述的方法，其中通过可编程逻辑控制器或计算机控制所述机械装置。

11.权利要求10所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机进一步控制站的温度、测试时间、气体流速、和压力。

12.权利要求9所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机收集、分析和记录来自所述催化剂表征站的催化剂性能数据。

13.权利要求1所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机收集并存储待在所述存储站、所述烃反应站和所述后处理站之间移动的所述预负载催化剂反应器的队列，以最优化各个站的利用。

14.权利要求1所述的方法，其中用氮气、氢气、氦气、氩气、或其混合物吹扫所述净化室。

15.一种通过多个站测试催化剂和催化剂系统的方法，其中各个站可容纳通用反应器模块以实现无人看管的、自动的、快速连续实验，包括以下步骤：

在一个或多个净化室内设置预负载催化剂反应器的存储站、预处理站、与所述预处理站串联的烃反应站，和用于在所述一个或多个净化室内移动催化剂反应器的机械装置，

用所述机械装置将预负载的催化剂反应器从所述存储站移至所述预处理站，

在受控的时间、温度、流速和压力条件下，在所述预处理站内用处理气体预处理所述预负载的催化剂反应器，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述预处理站移至所述烃反应站，

在所述烃反应站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，使所述预负载的催化剂反应器与烃反应物反应，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述烃反应站移至所述存储站，和

重复上述步骤，使得对于两个不同的预负载催化剂反应器同时进行所述预处理和反应步骤。

16.权利要求15所述的方法，其中所述常见的反应器模块是预负载的催化剂反应器或预负载催化剂反应器的阵列。

17.权利要求15所述的方法，其中所述预负载的催化剂反应器装载有选自如下的催化剂：沸石、混合金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、负载金属及其组合。

18.权利要求15所述的方法，其中所述烃反应站和所述预处理站被包含在一个净化室内。

19.权利要求16所述的方法，其中在所述通用反应器模块上进行所述大批预处理步骤，以在所述烃反应站内使得具有更快的循环时间。

20.权利要求15所述的方法，其中所述预处理步骤选自：脱焦、干燥、钝化处理、氧化、还原、碳化、硫化、氮化和磷化。

21.权利要求15所述的方法，其中所述烃反应物选自：甲烷、更高级的烷烃、烯烃、芳香族化合物、醇、醚、含氧化合物、含碳化合物、含氢化合物和含氧化合物。

22.权利要求15所述的方法，还包括以下步骤：

提供与所述预处理站和所述烃反应站串联的催化剂老化站，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述存储站、烃反应物站、和预处理站中的一个移至所述催化剂老化站，和

使所述催化剂老化站中的所述预负载催化剂反应器经热处理、水热处理、还原、氧化、渗碳处理或其组合作用。

23.权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供与所述烃反应站和所述预处理站串联的催化剂表征站，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述存储站、烃反应物站、和预处理站中的一个移至所述催化剂表征站，和

使所述催化剂表征站中所述预负载的催化剂反应器经气相色谱分析、质谱分析、红外光谱分析、化学吸附、酸度测定、吸附、解吸、BET分析、BJH分析、表面积、孔体积、XRD、XRF或ICP。

24.权利要求15所述的方法，其中通过可编程逻辑控制器或计算机控制所述机械装置。

25.权利要求24所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机进一步控制站的温度、测试时间、气体流速、和压力。

26.权利要求23所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机收集、分析和记录来自所述催化剂表征站的催化剂性能数据。

27.权利要求15所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机收集并存储待在所述存储站、所述烃反应站和所述预处理站之间移动的预负载催化剂反应器的队列，以最优化各个站的利用。

28.权利要求15所述的方法，其中用氮气、氢气、氦气、氩气、或其混合物吹扫所述净化室。

29.一种通过多个站测试催化剂和催化剂系统的方法，其中各个站可容纳通用反应器模块以实现无人看管的、自动的、快速连续实验，包括以下步骤：

在一个或多个净化室内设置预负载催化剂反应器的存储站、预处理站、与所述预处理站串联的烃反应站、与所述烃反应站串联的后处理站，和用于在所述一个或多个净化室内移动催化剂反应器的机械装置，

用所述机械装置将预负载的催化剂反应器从所述存储站移至所述预处理站，

在受控的时间、温度、流速和压力条件下，在所述预处理站内用处理气体预处理所述预负载的催化剂反应器，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述预处理站移至所述烃反应站，

在所述烃反应站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，使所述预负载的催化剂反应器与烃反应物反应，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述烃反应站移至所述后处理站，

在所述后处理站内，在受控的时间、温度、流速和压力条件下，用处理气体后处理所述预负载的催化剂反应器，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述后处理站移至所述存储站，和

重复上述步骤，使得对于两个不同的预负载催化剂反应器同时进行所述预处理、反应和后处理步骤。

30.权利要求29所述的方法，其中所述通用反应器模块是预负载的催化剂反应器或预负载催化剂反应器的阵列。

31.权利要求29所述的方法，其中所述预负载的催化剂反应器装载有选自如下的催化剂：沸石、混合金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、负载金属及其组合。

32.权利要求29所述的方法，其中所述预处理站、所述烃反应站和所述后处理站被包含在一个净化室内。

33.权利要求30所述的方法，其中在所述通用反应器模块上进行所述大批后处理步骤，以使得在所述烃反应站内具有更快的循环时间。

34.权利要求33所述的方法，其中在所述通用反应器模块上进行所述大批后处理步骤，以使得在所述烃反应站内具有更快的循环时间。

35.权利要求29所述的方法，其中所述预处理步骤选自：脱焦、干燥、钝化处理、氧化、还原、碳化、硫化、氮化和磷化。

36.权利要求29所述的方法，其中所述烃反应物选自：甲烷、更高级的烷烃、烯烃、芳香族化合物、醇、醚、含氧化合物、含碳化合物、含氢化合物和含氧化合物。

37.权利要求29所述的方法，其中所述后处理步骤选自：脱焦、干燥、钝化处理、氧化、还原、碳化、硫化、氮化和磷化。

38.权利要求29所述的方法，还包括以下步骤：

提供与所述预处理站、所述烃反应站和所述后处理站串联的催化剂老化站，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述存储站、烃反应物站、预处理站、和后处理站中的一个移至所述催化剂老化站，和

使所述催化剂老化站中的所述预负载催化剂反应器经热处理、水热处理、还原、氧化、渗碳处理或其组合。

39.权利要求29所述的方法，进一步包括以下步骤：

提供与所述预处理站、所述烃反应站和所述后处理站串联的催化剂表征站，

用所述机械装置将所述预负载的催化剂反应器从所述存储站、后处理站、烃反应物站、和预处理站中的一个移至所述催化剂表征站，和

使所述催化剂表征站中所述预负载的催化剂反应器经气相色谱分析、质谱分析、红外光谱分析、化学吸附、酸度测定、吸附、解吸、BET分析、BJH分析、表面积、孔体积、XRD、XRF或ICP。

40.权利要求29所述的方法，其中通过可编程逻辑控制器或计算机控制所述机械装置。

41.权利要求40所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机进一步控制站的温度、测试时间、气体流速、和压力。

42.权利要求39所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机收集、分析和记录来自所述催化剂表征站的催化剂性能数据。

43.权利要求29所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器或计算机收集并存储待在所述存储站、所述预处理站、所述烃反应站和所述后处理站之间移动的所述预负载催化剂反应器的队列，以最优化各个站的利用。

44.权利要求29所述的方法，其中用氮气、氢气、氦气、氩气、或其混合物吹扫所述净化室。

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