CN101602019A - 高通量催化剂处理方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本说明书揭示了一种高通量的催化剂的处理系统和方法，其包括将若干催化剂分别存放于相应的若干个存储空间内；然后分别在各自预定的处理条件下，平行地对这些催化剂进行热处理。所揭示的高通量的催化剂的处理系统和方法由于其高效的处理能力，使其可进行大范围的催化剂的活化或是再生条件的筛选，具有广泛的实验室及工业应用前景。

Description

高通量催化剂处理方法及其系统

【技术领域】

本发明涉及一种高通量的催化剂的处理方法及其系统，可平行地进行多个催化剂的活化以及再生处理。

【背景技术】

随着现代化学工业的发展，催化剂在其中发挥的作用越来越重要。因此，业界一直在不断地进行新型的催化剂的开发，以便更好的满足工业上的需要。催化剂开发中的活化步骤是指将制备好的处于钝化状态的催化剂转变为活泼态催化剂，从而使其可以进行预定反应的催化应用。活化处理通常包括焙烧处理，而在有些情况下，还会包括随后的还原处理。

由于催化剂的活化处理对其催化效能的影响相当巨大，因此，往往需要进行大量的不同活化条件的尝试，以便找到某特定催化剂的最佳活化条件。通常情况下，催化剂的活化处理需要数小时到数天不等。另外，活化处理期间一般需要专人监控其进程。因此，逐一的进行多种不同活化条件下的某特定催化剂的活化处理，以筛选出其最佳活化处理条件，无疑需要大量的人力和时间的投入。

因此，有必要开发一种有效的催化剂活化处理的方法及系统，以快速筛选出特定的最佳的活化处理条件。

另外，与上述筛选催化剂的活化处理条件的情况相类似，业界也需要一种有效的方法和系统来进行催化剂最佳再生条件的筛选。

【发明内容】

本发明涉及的一个方面是提供一种高通量的催化剂处理方法，其包括有以下步骤，将若干催化剂存放于其相应的存储空间内，对各催化剂通入预定气体并进行热处理。热处理过程中至少包括一个升温过程、一个恒温过程及一个降温过程。所述若干催化剂中至少有一个催化剂的热处理过程中涉及到的参数与另一个催化剂的不同。

本发明涉及的又一个方面是提供一种高通量催化剂处理系统，其包括有若干承载装置及气体分配装置。气体分配装置包括有若干气体输入管路及气体输出管路分别与其所对应的承载装置相连，每一承载装置均于其同一端与其所对应的气体输入管路及气体输出管路连接以便分别接收其所对应的输入气体及排出来之其中的输出气体。

相对于现有技术，本发明涉及的高通量催化剂处理方法及系统，可平行地进行大量的催化剂的处理。如此，由于其高效的处理能力，使得其可进行大范围的催化剂的活化或是再生条件的筛选，进而可以缩短催化剂的开发周期，减少相应的资源投入，极大的提升了催化剂的研发效率，具有广泛的实验室及工业应用前景。

【附图说明】

图1为本发明涉及的一种高通量催化剂处理系统的实施方式的结构示意图；

图2为图1所示的高通量催化剂处理系统涉及的气体分配及收集系统的实施方式的结构示意图；

图3为图1所示的高通量催化剂处理系统的加热炉的实施方式的结构示意图；

图4为图3所示的高通量催化剂处理系统的存储装置的一种实施方式的结构示意图；

图5为图3所示的高通量催化剂处理系统的存储装置的又一种实施方式的结构示意图；

图6为本发明涉及的又一种高通量催化剂处理系统的实施方式的结构示意图；

图7为图6所示的高通量催化剂处理系统所使用的反应管的结构示意图；

图8为本发明涉及的又一种高通量催化剂处理系统的实施方式的结构示意图；

图9为图8所示的高通量催化剂处理系统所使用的反应管的结构示意图；

图10为本发明涉及的又一种高通量催化剂处理系统的实施方式的结构示意图。

图11为本发明涉及的高通量催化剂处理方法的一个实施方式的操作流程图；

图12为本发明涉及的高通量催化剂处理方法的一个实施方式中，温度与时间的关系图；

图13为本发明涉及的高通量催化剂处理方法的又一个实施方式中，温度与时间的关系图。

【具体实施方式】

本发明涉及的一个实施方式是提供一种高通量催化剂处理系统，其可以以相同或不同的处理条件平行的进行多个催化剂的处理过程。例如，催化剂的活化处理、再生处理等等。

请参阅图1所示，本发明涉及的高通量催化剂处理系统的一个实施方式，其包括有气体分配模块11、内设若干用于容置催化剂的承载装置的加热炉12、气体收集模块13。

请参阅图2所示，其显示了图1中所示的气体分配模块11与气体收集模块13的结构。其中气体分配模块11包括第一、第二主管路21、22可分别用于连接两个气源。每个主管路可进一步包括多个第一级支路，而每一第一级支路进一步的与多个第二级支路连接。

如图所示，第一主管路21包括有第一第一级支路21-1及第二第一级支路21-2。第二主管路21包括有第三第一级支路22-1及第四第一级支路22-2。其中第一、第三第一级支路21-1、22-1均与第一至第四第二级支路231-1、231-2、231-3、231-4连接；而第二、第四第一级支路21-2、22-2均与第五至第八第二级支路连接。共用第二级支路的设置，可简化整个气路结构。

进一步的，每一主管路上可设置一质量流量控制器(MFC)，用于控制由气源输入到主管路内的气体的量。而每一第一级支路上可设置气动阀门，用于开关该第一级支路，如此，通过气动阀门的开、关，进而可实现不同主管路对于共用的第二级支路的单独使用。例如，当某一第一级支路的气动阀门处于关闭状态时，则该第一级支路所属的主管路就不能连通这个或这些第二级支路。在一个实施方式中，关闭第一及第四第一级支路21-1、22-2上的气动阀门，则第一主管路21可通过第二第一级支路21-2单独使用与其连接的第五至第八第二级支路231-5、231-6、231-7、231-8，而第二主管路22可通过第三第一级支路单独使用与其连接的第一至第四第二级支路231-1、231-2、231-3、231-4。

在其他实施方式中，各管路(包括主管路及支路)上可随需要设置相应的阀门或流量计对各管路进行更为细致的控制。或是每一主管路均包括独立的第二级支路，而非共用。且使用的质量流量控制器、流量计可被业界已知的具有相同功效的其他装置所替代。

气体收集模块13包括有若干气体收集管路241，每一气体收集管路一端与一相应的承载装置相接，另一端则与收集瓶131连接。

请参阅图3所示，加热炉12为立式结构，其内设置有若干催化剂承载装置12-1、12-2、12-3、12-n，该等承载装置均匀分布在加热炉12的炉堂内，炉堂外围为保温层124。其中每一承载装置的上端均设有气体输入管125及废气输出管126。而在其他实施方式中，也可以是承载装置于其一端设置气体输入口及废气输出口，或是设置一个可同时通过气体输入管及废气输出管的开口。且，催化剂承载装置可以是业界已知的各种可用于承载催化剂的容器，例如，反应管等等。

请参阅图4所示，在一个承载装置的实施方式中，催化剂存储装置：反应管40包括有第一开口41、用于封闭开口的密封装置42、支承座43。其中气体导入管路44、气体导出管路45及温度探测装置46穿过密封装置42进入反应管内。存储装置为单一开口结构，即可以方便操作，又可以因为只需一端密封减少密封的数量。另外，如此设计的存储装置也由于其只在一端具有管路连接，使其较方便的安装到加热炉内。

使用时，催化剂48装填于支承座43上，其上部装填气体预热层49。其中预热层、催化剂层、支承座间可设置石英棉47相隔，具有一定压力预定气体从导入管路44进入到位于催化剂存储装置上部的预热层49预热后，然后进入到催化剂层48，通过后的残余气体通过导出管路45排出。其中温度探测装置位于预热层并靠近催化剂层的位置。

进一步的，为了防止与催化剂层接触的深入存储装置内的导出管路45可能污染催化剂，其接触的部分最好采用双层设计，即外管套内管的方案。其中外管451用于隔离催化剂，其材质最好选用能在高温下不会污染到与其接触到的催化剂的材质，例如玻璃、石英材质等等；而内管452则通常可以由易加工的材质构成，例如，不锈钢，以方便管路与其它装置的连接。

请参阅图5所示，在又一个承载装置的实施方式中，催化剂存储装置：反应管50包括有第一开口51、用于封闭开口的密封装置52及支承座53。其中气体导入管路54、气体导出管路55穿过密封装置52进入反应管内。而存储装置的下端设置有一中空结构501以用于容置温度探测装置56。此种温度监控方式所监控到的温度数值通常需要一定的换算，才能真实的表明催化剂层的温度。

使用时，催化剂58装填于支承座53上，其上部装填气体预热层59。其中预热层、催化剂层、支承座间可设置石英棉57相隔，具有一定压力的预定气体从导入管路54进入到位于催化剂存储装置上部的预热层59预热后，然后进入到催化剂层58，通过后的残余气体通过导出管路55排出。

请参阅图6所示，本发明涉及的高通量催化剂处理系统的又一个实施方式，其包括有气体输入管61、预热系统62、导入管路63、保温层64、承载装置65-1、65-2、65-3、65-n(n为正整数)、多孔加热炉66及收集装置67。其中收集装置67分别设有排气管671及排液管672。使用时，预定气体从输入管61注入到预热系统62内以实现对其进行的预热，其中预热系统62中可充满氧化锆球等颗粒，输入的预定气体在这些由氧化锆球构成的微孔通道中流过从而实现其预热。预热后的气体由预热系统62直接进行分配，并经由各导入管路63-1、63-2、63-n分别注入到其对应的各个承载装置65-1、65-2、65-3、65-n中去。为了确保预热后的气体在到达催化剂层时依然能保持需要的预热温度，可设置保温层64对导入管路63进行保温。承载装置由多孔加热炉66进行加热，预定气体通过催化剂层后变为废气后，进入到收集器67中。在收集器67中可装有氢氧化钠等溶液，实现对催化剂处理过程中产生的有害物进行中和，过滤后的废气由排气管路671排出，而废液由排液管路672排出。

进一步的，请参阅图7所示，其为图6所示的催化剂处理系统所使用的承载装置的结构示意图，其由密封元件71和具有双端开口的石英玻璃反应管70所构成。

请参阅图8所示，本发明涉及的高通量催化剂处理系统的又一个实施方式，系统主体结构反应炉采用立式设计，包括有炉体80及其内设置的承载装置80-1、80-2、80-3、80-4、80-n(n为正整数)。其中承载装置的两端均露在加热炉40之外，因此承载装置的两端温度将远远低于承载装置中心温度而能够进行常规密封，从而解决了高温密封的困难。进一步的，加热炉80采用铸铜多孔加热方式，对于通入的预定气体的分配和反应后气体的收集，可以采用常规的Manifold等方法进行。

进一步的，请参阅图9所示，其为图8所示的催化剂处理系统所使用的承载装置80-1的结构示意图，承载装置自身构成材质可以采用石英或者去Na玻璃以减少材料对催化剂性能的可能影响，并采用硅橡胶或PTFE等密封件801对承载装置80-1的两端进行直接密封。而由于承载装置80-1内注入的原料气体具有一定的压力，因此密封元件801有可能会从承载装置80-1上脱落或者松动而影响密封效果，因此可以对密封元件801施加一个压片802(如图8所示)，从而确保密封效果以及防止密封件的松动或脱落。

请参阅图10所示，本发明涉及的高通量催化剂处理系统的又一个实施方式，系统主体结构反应炉90采用立式设计，包括有上盖91、炉体92及下盖93。其中上盖设有进气口911用于输入预定气体，炉体92内设有用于置放催化剂的存储通孔921、922、923、924。下盖93上设有出气口931用于排出使用后气体。每个用于存储催化剂的通孔的下部设置多孔陶瓷910，以增加气阻，分配输入气体的流量。采用如此多孔陶瓷布气方案，可减化催化剂装填的程序。存储通孔可以采用不同直径，以实现不同量催化剂的装填。加热方式可以为上盖、炉体及下盖分别独立加热。

本发明涉及的的又一个实施方式提供了一种可平行处理若干催化剂的高通量催化剂处理方法。请参阅图10所示，该高通量催化剂处理方法100包括有以下步骤：提供催化剂步骤105、预定气体吹扫步骤110、第一升温处理步骤120、第二升温处理步骤130及降温处理步骤140。

进一步的，本发明涉及的高通量催化剂处理方法可结合本发明涉及的高通量催化剂处理系统实施，也可结合其他适合的系统实施。以下将结合本发明涉及的高通量催化剂处理系统对本发明涉及的高通量催化剂处理方法作举例性说明。

在提供催化剂步骤105中，可以将提供的每一催化剂分别存放于其相应的存储空间内。在一个实施方式中，其所使用的装置，可参阅如图4、5所示的承载装置40、50，将催化剂48、58置放于该承载装置的中部，于其下部可置放一支撑装置43、53以确定其在承载装置内的预定位置。于其上部设置预热层49、59以用于加热输入的预定气体。另外，催化剂层与预热层及支撑装置间可设置石英棉进行分隔。

在预定气体吹扫步骤110中，可以在一预定温度下，以第一预定流速向每一催化剂样品通入第一预定气体，并持续吹扫预定时间。在一个实施方式中，其所使用的气体输送装置可参阅如图2所示的管路装置，将一存有第一预定气体的气源与如图2所示的管路中的第一主管路21连接，经由质量流量控制器使得预定量的第一预定气体进入到第一主管路内，然后通过其第一、第二第一级支路21-1、21-2分配到各第二级支路中，调整设置于每一第二级支路上设置的流量计将输入气体的流速调节为预定值。然后请参阅图4、5所示，以第一方向44a、54a向承载装置内输入的第一预定气体，先通过预热层49、59后，在通过催化剂层48、58。最后，使用过的气体将通过第二方向45a、55a排出承载装置。整个过程持续预定时间后结束。进一步的，承载装置包括的气体输入管路44、54与输出管路45、55设置于同一端，如此，以第一方向(图中箭头44a、54a所示)向承载装置内输入的预定气体，将以第二方向(图中箭头45b、55b所示)排出承载装置，其中第一方向与第二方向成180度或近似180度的夹角。而在其他实施方式中，第一方向与第二方向间的夹角θ可以是多样的，可根据不同需要，设在0到180度间。

在第一升温处理步骤120中，可以是调整上一步骤输入的第一预定气体的流速为第二预定流速并同时开始以预定升温速率升温，经过预定时间后，温度升至第一预定温度后，恒温预定时间。其中一个实施方式中，其使用的相关装置可参阅图2、3、4、5所示的装置，调整如图2所示的各第二级支路上设置的的流量计以调整输入到各承载装置内的第一预定气体的第一预定流速为第二预定流速，并同时启动如图3所示的加热炉，使其以一定升温速率升温，以对其内的承载装置进行加热使得其以一定升温速率升温。当温度达到第一预定温度时，停止升温，并维持该温度预定时间。

在第二升温处理步骤130中，可以是停止输入第一预定气体，以一预定流速输入第二预定气体并以一升温速率继续升温，经过预定时间后，升温至预定温度，然后恒温预定时间。其中一个实施方式中，其使用的相关装置可参阅图2、3所示的装置，先关闭第一主管路21包括的各第一级支路21-1、21-2上设置的气动阀门，以停止向各第二级支路输入第一预定气体。将存有第二预定气体的气源与第二主管路22连接，经由质量流量控制器使得预定量的第二预定气体进入到第二主管路内，然后输入气体通过第三、第四第一级支路进入到各第二级支路中，调节设置于各第二级支路上的流量计将输入气体流速调节为预定值。同时以一定升温速率继续升温，达到预定温度时，维持预定时间。

在降温处理步骤140中，可以调整输入的第二预定气体的的流速，并开始自然降温，温度降至预定温度后，整个处理过程操作结束。其中一个实施方式中，其使用的相关装置可请看参阅图2、3所示的装置，关闭如图3所示的加热炉，使得其内的承载装置开始自然降温。调整如图2所示的第二主管路包括的各第二级支路上设置的的流量计将输入气体的流速调整为预定值。等到承载装置的温度下降到预定值时，结束整个操作。

其中，各步骤中所使用的预定气体可以是用于催化剂焙烧处理的保护性气体，例如N₂、惰性气体等等；也可以是用于催化剂还原处理的还原性气体，例如CH₄、空气、CO₂、H₂、H₂O等等；还可以是用于催化剂再生处理的空气或贫氧空气等等。且，每一步骤所使用的气体及设定的流速，随需要而定，并无限制。进一步的，升温处理步骤、降温处理步骤的具体操作次数，并无限制，可以根据实际情况进行不同的组合。

以下将提供两个实施方式，对本发明涉及的高通量催化剂处理方法中涉及的预定气体及操作参数作举例性说明。

在其中一个实施方式中，其包括有以下步骤，

第一步，提供若干催化剂样品，在恒温20℃下，以5升/分钟的流速向每一催化剂样品通入N₂，持续吹扫60分钟；

第二步，降低N₂流速为0.5升/分钟同时开始升温，640分钟后，温度升至350℃，恒温600分钟；

第三步，以5升/分钟通入CH₄并继续升温，300分钟后，升温至500℃，然后恒温400分钟；

第四步，以0.5升/分钟通入CH₄，并开始自然降温，操作结束，其中自然降温的时间一般通过大约估计，手动停止。操作过程中，温度与时间的关系请参阅图12所示。

在又一个实施方式中，其包括有以下步骤：

第一步，提供若干催化剂样品，在恒温25℃下，以5升/分钟的流速通入N₂，持续吹扫30分钟；

第二步，降低N₂流速为1升/分钟同时开始以0.5℃/分钟的速度升温，约900分钟后，温度升至450℃然后恒温约400分钟，然后自然降温，温度自然降至25℃恒温，整个降温过程大约600分钟(视具体情况而定)；然后以流速60升/分钟通入H₂，整个过程5分钟，以吹扫N₂；

第三步，在流速60升/分钟下继续通入H₂并同时以2℃/分钟的速度升温，约50分钟后，温度升至125℃然后恒温约60分钟，然后此过程在重复两次，使得温度升至325℃，然后恒温400分钟；

第四步，自然降温，使得温度降至25℃，此过程大约600分钟，停止通入H₂，开始以5升/分钟的流速通入N₂，持续30分钟，以吹扫H₂；

第五步，之后通含有1％O₂的N₂(其为采用150sccm(standard cubic centimeterper minute，标准毫升/分)的空气和3000sccm的N₂)，整个过程持续120分钟。

至此操作停止，其中自然降温的时间一般通过大约估计，手动停止。操作过程中，温度与时间的关系请参阅图13所示。

以上揭示的两个实施方式中，各催化剂的热处理条件是相同的，即热处理过程中，涉及到的各种参数，例如预定气体的选择、气体流速、预定温度的设定、升温速率、降温速率等等，均是相同的。而在其他实施方式中，对于不同的催化剂的热处理操作，其可以是不同的。

例如，向各催化剂输入的预定气体的流速可以是不同的。在一个实施方式中，所使用的为各催化剂输入气体的气路结构如图2所示，调整各二级支路231上设置的流量计，即可使得各二级支路中通入的气体的流速各不相同。

进一步的，对于本发明涉及的高通量催化剂处理方法的又一种实施方式中，其可以是将提供的若干催化剂分为若干组，对不同组进行不同的相互独立的热处理操作，而对同组内的催化剂进行统一的相同的热处理操作。其中各组内包括的催化剂的数量可以是一个，也可以是多个；且不同组包括的催化剂的数量可以相同，也可以不同。而对各组进行的不同的相互独立的热处理是指，热处理过程中至少有一个涉及的参数是不同的。而在其他实施方式中，同组内的催化剂的热处理过程中涉及的参数，也可以是不同的。

例如，在一个实施方式中，所使用的相关装置请参阅图2所示，将提供的催化剂分别置放于一承载装置内，其中承载装置1～4内的催化剂为第一组，承载装置5～8内的催化剂为第二组。通过开关各主管路21、22包括的各第一级支路21-1、21-2、22-1、22-2上设置的气动阀门，可分别实现气源1、2分别对不同组催化剂供气，如此，即可实现两组催化剂使用不同的气体进行热处理。同时，通过调节各第二级支路上设置的流量计还可分别控制不同组的气体的流速，或分别控制流入同一组内各输入气体的流速。

在一个实施方式中，具体操作可以是打开第一主管路21的第一第一级支路21-1及第二主管路22上的第四第一级支路22-2上设置的气动阀门，同时关闭第一主管路21包括的第二第一级支路21-2及第二主管路22包括的第三第一级支路22-1上设置的气动阀门，使得第一主管路通过第一第一级支路与第一至第四第二级支路连接，进而可对承载装置1～4内的催化剂供气。同理，第二主管路可对承载装置5～8内的催化剂供气。将第一主管路21与第二主管路分别接入不同的气体，如此，两组不同的催化剂则分别使用了不同的预定气体进行以后的热处理。然后，可调节各第二级支路上设置的流量计，以将输入气体的流速调整为预定值。

Claims (10)

1.一种高通量催化剂处理方法，其包括有以下步骤，

将若干催化剂分别存放于若干相应的存储空间内；以及

分别控制各催化剂的处理条件使得至少有一个催化剂的处理条件不同于另一个催化剂的处理条件，并平行地对所述若干催化剂进行热处理使得每个催化剂都在与其相应的处理条件下经历与其相应的处理过程，所述处理过程包括至少一个升温过程、至少一个恒温过程以及至少一个降温过程。

2.如权利要求1所述的高通量催化剂处理方法，其中所述处理条件取决于一系列处理参数包括通入各存储空间的气体的成分及流速、处理温度的设定、升温速率、降温速率、恒温时间。

3.如权利要求1所述的高通量催化剂处理方法，其中平行地对所述若干催化剂进行热处理包括对所述若干存储空间分别通入相应的预定气体，其包括保护性气体、还原性气体中的至少一种。

4.如权利要求1所述的高通量催化剂处理方法，其中平行地对所述若干催化剂进行热处理包括对至少两个存储空间分别通入两种不同的预定气体。

5.如权利要求1所述的高通量催化剂处理方法，平行地对所述若干催化剂进行热处理包括对所述若干存储空间分别通入相应的预定气体，所述预定气体以第一输入方向通过相应存储空间内的催化剂，然后以第二方向排出，其中所述第一方向与第二方向间夹角等于或大致等于180°。

6.一种高通量催化剂处理系统，其特征在于：其包括有若干承载装置及气体分配装置，其中气体分配装置包括有若干气体输入管路及气体输出管路分别与对应的承载装置相接，而每一承载装置于同一端与一气体输入管路及气体输出管路连接以接收气体及排出废气。

7.如权利要求6所述的高通量催化剂处理系统，其特征在于：位于所述承载装置内的气体输入或/和输出管路与催化剂接触的部分采用双管结构。

8.如权利要求6所述的高通量催化剂处理系统，其特征在于：其包括有若干存储模组，每一存储模组包括有至少一个所述承载装置。

9.如权利要求8所述的高通量催化剂处理系统，其特征在于：其包括有若干加热装置，每一加热装置对应一个存储模组以对模组内的存储装置进行加热。

10.如权利要求6所述的高通量催化剂处理系统，其特征在于：所述气体分配装置包括有气体流量控制装置以用于分别控制各气体输入管路内的气体流量使得某一气体输入管路内的气体的流量或成分可以不同于另一气体输入管路内的气体的流量或成分。

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