连续流动微型催化反应器评价催化剂活性

山 西 大 学 综 合 化 学 实 验 报 告

实 验 名 称连续流动微型催化反应器评价催化剂活性

学 院 化学化工学院 __ 学生姓名 史茹月 宋佳佳 专 业 化学 _ _ 学 号 2013296043 2013296044 年 级 2013级 指导教师 王永钊

二Ο一六年五月二十四日

连续流动微型催化反应器评价催化剂活性

实验学生：史茹月 宋佳佳 指导老师：王永钊 （山西大学化学化工学院 化学楼D301）

【摘要】本实验应用连续流动反应技术（尾气技术），用连续流动微型催化反应器对Pd催化剂对CO催化氧化反应的催化活性进行测定，然后利用气相色谱柱分离气样，氢火焰检测器检验，并通过程序控温仪改变温度测得不同温度下未反应的CO与生成的CO2的色谱峰面积，计算CO氧化反应的转化率，从而判定催化剂活性。

【关键词】连续流动反应技术、连续流动微型催化反应器、催化剂活性、气相色谱、程序控温

【前言】连续流动反应技术（尾气技术）是将反应物连续地、以一定速度流经微型反应管进行催化反应。尾气经取样阀后排空或取样，经色谱柱分离后鉴定。连续流动反应装置的原理，与大型工业连续反应器相同，因而我们可以通过这种方法取得更可靠的反应参数对产率影响的数据；对于测定动力学数据，这种技术也比较适用。

微型催化反应器的反应管特别细小，一般内径约4-8毫米，长度约100-200毫米，装入的催化剂一般只有0.1-2克，催化剂在反应管中的长度通常只有1-4厘米。因此，当反应物经过催化剂时，反应产生的热效应很小，这就容易维持在等温条件下研究催化剂的动力学特性，而实验用的催化剂都是经过粉碎的细小颗粒，所以可以比较容易地排除外界传质因素对研究的影响。此外微型反应器还有装置简单，操作容易，获得数据快等特点。因此，微型催化反应器在催化研究中获得广泛的应用。

随着催化反应器的微型化，催化反应产物的分离和分析就很困难，在这方面，色谱技术的应用发挥了很大作用。由于色谱法的高效能，高灵敏度以及速度快的特点，将色谱技术应用到催化反应研究中去，不但使催化反应器的微型化成为可能，而且使催化反应的研究准确精密，易于自动化，打开了催化研究的新局面。

活性是反映催化剂在一定实验条件下催化性能的最主要的指标。无论在筛选阶段，或是在评价过程中，大量的探索和研制工作都是围绕催化剂活性进行的。催化活性：通常所说催化剂活性大小，是指在一定实验条件下，催化剂对某一特定反应的反应物转化能力的大小。这个能力与某种产物的单程收率有关。 例如，反应aA → bB + cC + dD +······中，反应物A的转化率为：

XA?

N0A-NAN0A?10000

式中，N0A、NA分别为反应物A在反应前和反应后（或反应达到定态时）的物质的量。

产物B的单程收率为

YB?aNB?100%bN0A

式中，NB为产物B的物质的量，a，b分别为反应物A和产物B的化学计量数。 根据反应物的转化率和对某产物的单程收率可求出对此产物的选择性。如上例中产物B的选择性SB为

SB?YBaNB??100%XAb(NOA-NA)

本实验应用连续流动微型催化反应器测定Pd催化剂对CO催化氧化反应的催化活性。

CO + O2

Pd CO2

CO气体空气连续流动进入催化反应器，在Pd催化剂的催化下进行氧化反应，采用六通

和阀进样，反应生成的CO2和可能未完全氧化的CO流经色谱柱分离，柱后与内装Ni催化剂的甲烷转化器相连，并由氢火焰检测器检测。

最简单的连续流动微型催化反应装置如图1所示。

整套连续流动微型催化反应装置，除了程序控温仪，反应器，管状电炉和六通阀以外，其余部分都是常用气相色谱仪的组成部件，反应器为内径6 mm，长360 mm的不锈钢管，管内装入40-60目Pd催化剂0.3 g，并置于管状电炉内加热，电炉用708PDGL程序控温仪控制，用热电偶测量反应区域的温度，要求催化剂装载平整均匀。

图1 连续流动微型催化反应装置示意图

1.四通阀 2.管状电炉 3.定量管 4.六通进样阀 5.气相色谱

1. 实验部分

1.1仪器设备

氢气钢瓶及减压阀 各1个 氮气钢瓶及减压阀 各1个 CO气钢瓶及减压阀 各1个 气相色谱仪（GC930） 1台 气体干燥器 1套 空压机 1台 管状电炉 1个 热电偶 1支 控温仪 1个 反应管 1支

1.2试剂药品

Pd催化剂（40-60目）碳分子筛（填充色谱柱用）CO原料气

1.3实验步骤

（1）按气相色谱分析要求在色谱柱中装碳分子筛。

（2）在反应器中装入0.3 g催化剂，并将各部分按图依次连接，要求管道尽量紧凑，装置严密不漏气。

（3）先将四通阀处通入氮气，吹扫5 min，然后切换到氢气，调节到所需流量，设定升温程序，接通电炉，升温到450 ℃，还原催化剂3 min。（务必要检查尾气是否导出室外） （4）还原完毕，在还原气氛中冷却到室温，然后四通阀处通入氮气，进行吹扫。 （5）启动色谱，首先打开氮气钢瓶，调节流量，再打开色谱电源，调节温度参数，柱温80℃，汽化室100℃，检测器120℃，辅助炉360℃，然后开始加热。

（6）打开氢气钢瓶和空压机，分别调节流量，点火。打开记录仪，走基线，直至基线稳定。 （7）将四通阀处通入CO和空气的混合气，分别调节流量，控制总流量为90 mL/min，同时六通阀置于取样状态。

（8）将六通阀旋至进样位置，气样经色谱柱分离，氢火焰检测器检测，在记录仪上依次出现CO和CO2的色谱峰。

（9）升高反应温度到50℃，100℃……，待温度恒定后，重复步骤8的操作，分别测定该温度下催化剂的活性。 1.4注意事项

（1）催化剂的装填要密实、均匀，以防造成沟流或短路。

（2）要注意检查各连接部分的气密性。可用皂膜流量计在尾气端检查气密性，也可测流量。

（3）启动色谱时切记先通载气，后通电，关机时，待检测器温度降至100 ℃以下再关闭空气，氢气和氮气。

（4）特别要注意尾气要导出室外，以防CO中毒。

2. 结果

2.1CO氧化反应的转化率公式

Sco2

X = × 100%

Sco2+Sco

式中：X为转化率； Sco,Sco2分别为CO,CO2对应的峰面积。 2.2不同反应温度下CO氧化反应的转化率

表1

温度T/℃ 转化率x/% 50 0 75 0 100 0 125 150 175 200 225 250 275 0.731 1.054 2.351 3.019 6.488 99.580 100 2.3 不同反应温度T对应的CO氧化反应的转化率X图X/T

不同反应温度T对应的CO氧化反应的转化率XX/0100806040200-20050100150200250T/℃300 图2

3.讨论

3.1连续流动微型催化反应器有什么特点？

答：易等温，催化剂用量少，装置简单，操作容易，获得数据快，数据处理简单，连续流动，反应器与气相色谱相连。 3.2 如何调节峰形及峰面积大小？

答：改变极性可变化峰的正反，可通过降低衰减度、提高灵敏度来增大峰面积。 3.3 本实验中气相色谱的作用？

答：分离并定量分析生成的CO 2 与未反应的CO。

3.4 为什么要用甲烷化炉？

答:由于氢离子火焰检测含C的有机物，检测不到CO 2与 CO，故用甲烷化炉将CO 2和CO转化为CH4来检测。

3.5 催化剂粒径与反应器内径的关系是什么？

答:催化剂的粒径应该小于反应器管径的十分之一，6

3.6 催化剂装填高度与反应器内径的关系是什么？

答:催化剂装填高度小于反应器内径的十倍，H/h=2~12,H是催化剂层高，h是催化剂层直径。

3.7 评价催化剂反应性能的优劣指标有哪些？

答:活性、选择性、使用寿命、稳定性、强度、抗毒性等。 3.8 气体如何计量和控制？

答:通过流量和时间来计量和控制气体。 3.9 温度如何计量和控制？

答:通过程序控温仪设置所需温度和升温及恒温时间来计量和控制。

【参考文献】

1. 刘维桥，孙桂大 编，固体催化剂实用研究方法，中国石化出版社，2001 2. 高中正 编，实用催化，化学工业出版社，2003

3.4 为什么要用甲烷化炉？

答:由于氢离子火焰检测含C的有机物，检测不到CO 2与 CO，故用甲烷化炉将CO 2和CO转化为CH4来检测。

3.5 催化剂粒径与反应器内径的关系是什么？

答:催化剂的粒径应该小于反应器管径的十分之一，6

3.6 催化剂装填高度与反应器内径的关系是什么？

答:催化剂装填高度小于反应器内径的十倍，H/h=2~12,H是催化剂层高，h是催化剂层直径。

3.7 评价催化剂反应性能的优劣指标有哪些？

答:活性、选择性、使用寿命、稳定性、强度、抗毒性等。 3.8 气体如何计量和控制？

答:通过流量和时间来计量和控制气体。 3.9 温度如何计量和控制？

答:通过程序控温仪设置所需温度和升温及恒温时间来计量和控制。

【参考文献】

1. 刘维桥，孙桂大 编，固体催化剂实用研究方法，中国石化出版社，2001 2. 高中正 编，实用催化，化学工业出版社，2003

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hvog.html