CN104142380B - 一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，包括进气单元、反应室及检测器，反应室包括外壳、进气盘管、进气盘管加热与温控组件、催化剂反应管及催化剂反应管加热与温控组件，进气盘管入口端与进气单元连通，出口端敞开；进气盘管加热与温控组件加热并控制进气盘管的温度；催化剂反应管设有至少一个，管内充填催化剂，其入口端敞开，出口端与检测器连通；催化剂反应管加热与温控组件加热并控制催化剂反应管的温度。与现有技术相比，本发明能够解决目前现有的高温高压催化反应装置中常见的反应管路的附加催化作用干扰，以及精确控制诸多实验参量完全一致的条件下同时对不同组分的催化剂进行性能评估等问题。

Description

一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置

技术领域

本发明涉及一种催化反应效率评价装置，尤其是涉及一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置。

背景技术

催化作用，特别是发生在气-固界面的非均相催化作用在国民经济和环境保护方面具有重要意义，它是精细化学工业、石油天然气炼制以及国民经济其他领域内最为活跃的研究课题之一。从本质上说，非均相催化是一个复杂的动态过程，用于研究其的动态(包括非稳态)方法和技术在最近一二十年得到快速的发展，通过这些技术揭示非均相催化作用的本质和研究非均相催化剂的性质越来越受到人们的重视。在各种非均相催化动力学方法和技术中，在线原位动态测量技术因其最能表征和反映非均相催化剂在实际应用过程中的性质而发展最为迅速，包括流向转换色谱技术、迎头色谱方法、脉冲色谱方法、过渡-应答反应装置等一系列方法和技术被开发出来并快速得以普及。然而，非均相催化作用多涉及反应气体特别是高温高压气体与固态催化剂的反应，目前现有的技术和方法中，多将催化剂材料直接装载在耐高温高压的金属反应管路中，借助于分压控制技术直接将高压反应混合气通入反应管路，同时在原位加热或冷却，达到在线评估催化剂性能的目的。由于不少金属(例如含铬或钒的不锈钢)在一定温度下也具有催化性能，这将给催化剂材料的评价带来不可控的干扰因素。另外，如何保证在受压、进气成分、温度等诸多控制因素完全一致的条件下同时对不同组分的催化剂进行性能评估也是一个技术难点。

授权公告号为CN201047837Y的中国专利公开了一种气体催化效率检测装置，该装置包括由管道连接的干燥单元、内置有缓冲单元和液相样品挥发单元的恒温水浴槽、取样容器、由内装负载催化剂载体的石英管和加热装置组成的催化反应室、尾气回收单元等。该实用新型的装置具有组装简单、操作方便、检测步骤少、可分别适应动态和静态检测、不产生二次污染的特点。但是该检测装置每次只是进行同一条件下的催化效率检测，而需要进行对比实验时，需要进行两次以上的实验，实验条件很难保持完全不变，并且该检测装置不适用于高压条件下催化效率的检测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，以解决目前现有的高温高压催化反应装置中常见的反应管路的附加催化作用干扰，以及精确控制诸多实验参量完全一致的条件下同时对不同组分的催化剂进行性能评估等问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，包括进气单元、反应室及检测器，所述的反应室的入口与进气单元连接，反应室的出口与检测器连接，所述的反应室包括：

外壳，为封闭结构，为耐温耐压外壳；

进气盘管：设在外壳内部的上方，其入口端与进气单元连通，出口端敞开；

进气盘管加热与温控组件：设置在进气盘管外侧，加热并控制进气盘管的温度；

催化剂反应管：位于外壳内部的下方，设有至少一个，管内充填催化剂，其入口端敞开，出口端与检测器连通；

催化剂反应管加热与温控组件：加热并控制催化剂反应管的温度。

所述的催化剂反应管为石英管。催化剂反应管置于高温高压的反应室中，在反应进行的过程中，催化剂反应管内外所受的气体压力大致相同，大大降低了反应装置对材质强度的要求，从而可以采用化学惰性且耐温特性好但强度较弱的石英管作为反应管路，可以有效的防止常用金属耐压管壁的附加催化作用对实验的干扰，也达到在较宽的压力、温度变化范围内实现有气体参与的微量催化反应评价的目的。

催化剂反应管可以设有两根或更多根，所有的催化剂反应管在测试过程中的受压、进气成分与温度等条件完全相同，催化剂反应管中的反应物气体可以通过二位四通换向阀的切换，交替引入检测器中，可以实现对装填的不同催化剂性能进行原位实时准确比较。

进气盘管加热与温控组件143的温控部分为有温度反馈功能的热电偶。

所述的进气单元包括通过不锈钢管路顺序连通的反应气体储罐、反应气体预混器、缓冲罐及混合气体储罐，所述的反应气体储罐设有至少一个，每个反应气体储罐内充填单一的气体，各反应气体储罐通过单独的管路同时连接到反应气体预混器，所述的混合气体储罐的出口通过管路与进气盘管连通。

反应气体储罐与反应气体预混器之间的管路上设有减压阀、流量计和流量控制器；反应气体预混器与缓冲罐之间的管路上设有节流阀；缓冲罐与混合气体储罐之间的管路上设有气体压缩机，将反应混合气体再次压缩；混合气体储罐用于暂存高压混合气体，混合气体储罐与进气盘管之间的管路上设有调节阀与压力控制器。

所述的催化剂反应管的出口端通过管路与二位四通阀连接，二位四通阀的出口与检测器连通。

使用本发明的装置可以通过改变压力、温度、混合气体组分、滞留时间等相关参数，对催化剂性能进行系统评价，寻找最佳的反应条件。由于采用模块化的结构设计，将气体预混器和反应器组件分离，在保证气体供应的条件下，本装置可以长时间连续、间歇或切换运转，从而可以考察催化剂效率在不同工况下的下降情况及寿命。本装置采用模块化的结构设计实现了反应室组件的小型化，反应管内填充的催化剂质量以克或毫克计，反应气体的流量以能满足检测器组件的要求为限。

与现有技术相比，本发明通过一系列特殊的模块化结构设计，能够在避免使用复杂的气体分压设备的前提下，通过将填充催化剂的催化剂反应管整体置于高温高压的反应室内，采用催化剂反应管内外壁同等加压的设计，大大降低了反应装置对材质强度的要求，从而可以采用化学惰性且耐温特性好但强度较弱的石英管作为反应管路，避免了常见的原位催化评价装置中金属反应管路带来的附加催化作用对催化剂性能的干扰，也达到在较宽的压力、温度变化范围内实现有气体参与的微量催化反应评价的目的，特别适用于考察由金属系催化剂催化的并在较高温度和压力下才能达到平衡的气-固非均相催化反应。另外，催化剂反应管根据需要可以设有两个或多个，可以保证试验条件的同一性：受压、温度、进气成分与变化趋势始终完全一致，通过二位四通阀的切换，可以实现对装填的不同催化剂性能进行原位实时准确比较。整个装置具有安全、高效、简便、经济的特点，因而将会具有较广泛的开发应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为反应室的结构示意图。

图中标号：1及1’为反应气体储罐、2及2’为减压阀、3及3’为质量流量计、4及4’为三通阀、5及5’为流量控制器、6为反应气体预混器、7为节流阀、8为缓冲罐、9为气体压缩机、10为混合气体储罐、11为初级压力控制器、12为调节阀、13为次级压力控制器、14为反应室、141为外壳、142为进气盘管、143为进气盘管加热与温控组件、144为催化剂反应管、145为催化剂反应管加热与温控组件、15及15’为调节阀、16为二位四通阀、17为检测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，如图1所示，包括进气单元、反应室14及检测器17。

进气单元包括通过不锈钢管路顺序连通的反应气体储罐、反应气体预混器6、缓冲罐8及混合气体储罐10，反应气体储罐设有两个，分别为反应气体储罐1与反应气体储罐1’，每个反应气体储罐内分别充填单一的反应气体，各反应气体储罐通过单独的管路同时连接到反应气体预混器6，混合气体储罐10的出口通过管路与进气盘管142连通。反应气体储罐1或反应气体储罐1’与反应气体预混器6之间的管路上设有减压阀2或减压阀2’、质量流量计3或质量流量计3’、三通阀4或三通阀4’、流量控制器5或流量控制器5’；反应气体预混器6与缓冲罐8之间的管路上设有节流阀7；缓冲罐8与混合气体储罐10之间的管路上设有气体压缩机9，将反应混合气体再次压缩；混合气体储罐10用于暂存高压混合气体，混合气体储罐10与进气盘管142之间的管路上设有初级压力控制器11、调节阀12及次级压力控制器13。

参考图2，反应室14包括外壳141、进气盘管142、进气盘管加热与温控组件143、催化剂反应管144及催化剂反应管加热与温控组件145，外壳141为封闭结构，为耐温耐压外壳；进气盘管142设在外壳141内部的上方，其入口端与混合气体储罐10连通，出口端敞开；进气盘管加热与温控组件143设置在进气盘管142外侧，加热进气盘管142并控制进气盘管142的温度；催化剂反应管144位于外壳141内部的下方，设有两个，管内充填不同的催化剂，其入口端敞开，出口端通过管路与二位四通阀16连接，二位四通阀16与催化剂反应管144之间设有调节阀15或调节阀15’二位四通阀16的出口与检测器17连通。催化剂反应管加热与温控组件145对催化剂反应管144进行加热并控制催化剂反应管144的温度。其中，催化剂反应管144为石英管。进气盘管加热与温控组件143的温控部分为有温度反馈功能的热电偶。

以Haber-Bosch法合成氨催化剂筛选反应为例，反应选用两种不同配比的铁系催化剂进行对比在线评价。这是一个在400℃～500℃，20MPa～50MPa下进行的气相平衡反应，反应气体为氢-氮二元混合气，反应结束后合成气成分为氨-氢-氮三元混合气。

提纯后的氢气和氮气分别从反应气体储罐1与反应气体储罐1’中引出，经由减压阀2及2’、质量流量计3及3’调节摩尔(体积)比为3∶1，分别经由三通阀4及4’、流量控制器5及5’注入反应气体预混器6。两种反应气体在反应气体预混器6中混合均匀后，混合反应气通过节流阀7注入缓冲罐8中进一步混合。气体压缩机9将缓冲罐8中的混合反应气预压缩到约10Mpa，并不断抽入混合气体储罐10中暂存。

评价装置开始运转时，从混合气体储罐10中引出的氢-氮混合反应气经由初级压力控制器11、调节阀12、次级压力控制器13逐步加压到约15MPa～20MPa，并经由进气盘管142导入反应室14中，通过进气盘管加热与温控组件143加热进气盘管142并控制进气盘管142的温度。氢-氮混合反应气在流经进气盘管142时被加热，压力也进一步升高，最终达到温度约400℃～500℃，压力约20MPa～50MPa的反应状态。高温高压的氢-氮混合反应气经由进气盘管142充满整个外壳141的内部，可以保证填充有铁系催化剂的催化剂反应管144内外压力平衡，同时石英质的催化剂反应管144在该温度和压力下也不会像传统的金属反应管那样可能催化高温高压氢-氮混合反应气发生反应。

部分高温高压的氢-氮混合反应气通过两根填充有不同配比铁系催化剂的石英质催化剂反应管144完成催化反应，生成的不同比例的氨-氢-氮三元混合合成气将分别经由调节阀15及15’抵达二位四通阀16，通过二位四通阀16的切换作用，可以通过连续监测两种不同比例的氨-氢-氮三元混合合成气中的氨百分含量来监测两种不同配比铁系催化剂的性能。

通过改变压力、温度、混合气体组分、催化剂床层滞留时间等相关参数，对不同配比铁系催化剂性能进行系统评价，可以寻找最佳的反应条件和最适催化剂。由于采用模块化的结构设计，将反应气体预混器6和反应室14分离，在保证气体供应的条件下，本装置可以长时间连续、间歇或切换运转，从而可以考察催化剂效率在不同工况下的下降情况及寿命。整个装置具有简便、安全、模块化、成本低等特点。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，包括进气单元、反应室及检测器，所述的反应室的入口与进气单元连接，反应室的出口与检测器连接，其特征在于，所述的反应室包括：

外壳，为封闭结构；

进气盘管：设在外壳内部的上方，其入口端与进气单元连通，出口端敞开；

进气盘管加热与温控组件：设置在进气盘管外侧，加热并控制进气盘管的温度；

催化剂反应管：位于外壳内部的下方，设有至少一个，管内充填催化剂，其入口端敞开，出口端与检测器连通，所述的催化剂反应管为石英管；

催化剂反应管加热与温控组件：加热并控制催化剂反应管的温度。

2.根据权利要求1所述的一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，其特征在于，所述的进气单元包括通过管路顺序连通的反应气体储罐、反应气体预混器、缓冲罐及混合气体储罐，所述的反应气体储罐设有至少一个，每个反应气体储罐内充填单一的气体，各反应气体储罐通过单独的管路同时连接到反应气体预混器，所述的混合气体储罐的出口通过管路与进气盘管连通。

3.根据权利要求2所述的一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，其特征在于，反应气体储罐与反应气体预混器之间的管路上设有减压阀、流量计和流量控制器；反应气体预混器与缓冲罐之间的管路上设有节流阀；缓冲罐与混合气体储罐之间的管路上设有气体压缩机；混合气体储罐与进气盘管之间的管路上设有调节阀与压力控制器。

4.根据权利要求1所述的一种压力平衡式超小型催化反应效率对比评价装置，其特征在于，所述的催化剂反应管的出口端通过管路与二位四通阀连接，二位四通阀的出口与检测器连通。