Устройство для исследования катализаторов Советский патент 1980 года по МПК G01N31/08 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ

{

Изобретение относится к устройствам для изучения катализаторов и каталитических процессов гетерогенного катализа.

Известно устройство для изучения катализаторов и исследования тепловой устойчивости твердых материалов, содержащее теплопроводящее тело в виде удлиненного цилиндрического металлического блока, нагреватель со стенками из изолированного материала и электрической нагревательной спиралью, несколько камер, снабженных съемными тонкостенными трубчатыми контейнерами, сделанными из нержавеющей стали, дозировочное приспособление в виде щприца, хроматографическую колонку, детектор и регистраторе.(И.

Недостатками устройства являются наличие дозировочного приспособления в виде щприца позволяет осуществлять лишь импульсный ввод реагентов, что затрудняет изучение кинетики каталитических превращений; съемные тонкостенные трубчатые контейнеры сделаны из нержавеющей стали, что дает значительный вклад в активность катализатора при исследованиях, т.е. все легирующие стали в свою очередь обладают каталитической активностью; сложность

в изготовлении, а также больщая трудоемкость при загрузке и выгрузке катализатора. Наиболее близкое к изобретению техническое решение - устройство для изучения активности и селективности катализаторов, содержащее последовательно установленные микрореактор с нагревателем, приспособление для импульсного ввода реагентов, хроматографическую колонку и детектор 2.

Наличие в этом устройстве дозировочного приспособления в виде щприца позволяет осуществлять лищь импульсный ввод реагентов, что затрудняет изучение кинетики каталитических превращений, так как при импульсном методе невозможно проследить за отравлением катализатора, что является важным фактором при его работе в промыщленных условиях. Такое устройство не позволяет проводить каталитические превращения на слое катализатора в потоке. Это не дает возможности определять активность катализатора проточным методом, который является более эффективным и обеспечивает слежение за каталитическими превращениями на любой стадии реакции, что ограничивает функциональные возможности устройства.

Цель изобретения - обеспечение возможности определения активности и селективности катализаторов, а также изучение кинетики каталитических процессов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство дополнительно вбеденЬг приспособление для подготовки реагентов, выполненное в виде узла установки газовых потоков и сатуратора, дозировочный кран, снабженный калиброванным объемом, и три переключающих механизма, один из которых становлен между приспособлением подготовки реагентов и микрореактором, второй соединяет выход микрореактора с дозировочным краном и хроматографической колонкой, а третий установлен между приспособлением для подготовки реагентов и хроматографической колонкой.

Микрореактор выполнен из кварцевого стекла. Это позволяет проводить в нем высокотемпературные реакции до 600-900°С.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства для исследования катализаторов.

Устройство содержит узел 1 установки и стабилизации газовых потоков, сатуратор 2 для приготовления парогазовой смеси, первый переключающий механизм 3, который служит для направления потоков водорода и гелия, насыщенного парами реагента, в реактор для проведения реакции или для восстановления катализатора, микрореактор 4, выполненный из кварцевого стекла, в котором проводят химические превращения, помещенный в печь 5, второй переключающий механизм 6, который позволяет нап:равлять продукты реакции из микрореактора 4 в калиброванный объем 7 и продукты восстановления на хроматографическую колонКу 8, дозировочный кран 9 без мертвого объема, снабженный калиброванным объемом 7, третий переключающий механизм 10, который позволяет менять газовые потоки HZ. или Не в зависимости от проведения каталитической реакции или от регенерации катализатора, хроматографические колонки 8 и детекторы 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Поток гелия стабилизируют, очищают в узле 1 установки и стабилизации газовых потоков и направляют в сатуратор 2, в который заливают реактив. Сатуратор представляет собой металлический цилиндр с конусной крышкой, на которой имеются два штуцера: верхний служит для входа гелия, а боковой-для выхода парогазовой смеси в микрореактор 4. При температуре, близкой к температуре кипения реактива, в сатураторе 2 образуется пар. Гелий, барботируя через реагент, в сатураторе 2 насыщается парами реагента и направляется через первый переключающий механизм 3 в микрореактор 4, в который засыпают исследуемый катализатор. С помощью печи микрореактора, которая работает в диапазоне, температур от 50 до 900°С, устанавливают определенную температуру для проведения катализа. При этой температуре на слое катализатора происходит каталитическая реакция, продукты которой направляют через второй переключающий механизм б в калиброванный объем 7 и далее в атмосферу. При втором положении дозировочного крана 9 продукты реакции уносятся газом-носителем из калиброванного объема 7 и направляются в хроматографическую колонку 8, а затем на анализ в детекторы 11. В проточном режиме схемы переключающие механизмы 3, 6, 10 отсекают поток водорода, который необходим при режиме регенерации каталитической активности катализатора.

При импульсном режиме работы устройства реагент с помощью щприца вводят непосредственно в микрореактор 4, а продукты реакции выносятся потоком газа-ио0 сителя через переключающий механизм 6 непосредственно в хроматографическую колонку 8 и в детекторы 11. Переключающий механизм б в этом режиме работы устройства отсекает калиброванный объем 7 и дозировочный кран 9.

Для регенерации отработанного катализатора и восстановления его каталитической активности водород стабилизируют и очищают в узле 1 установки и стабилизации газовых потоков и направляют через

0 переключающий механизм 3, который при этом отсекает парогазовую смесь от микрореактора 4, в микрореактор 4, где при линейном программировании температуры печи микрореактора (от 50 до 900°С) при взаимодействии водорода с катализатором происходит процесс восстановления. Продукты восстановления направляют через второй переключающий механизм б на анализ в хроматографическую колонку 8 и далее в детекторы 11.

Q С помощью предлагаемого устройства были исследованы различные катализаторы, применяемые в азотной промышленности (НКМ-2-68, НКМ-1, НКМ-4А, ГИАП-21-2 и др.), каталитические реакции (конверсия метана, дегидратация спиртов).

$ Проводили исследование реакции дегидратации эталона на катализаторе AlaOj при 375°С.

Опыты в.ели при постоянной навеске каJJ тализатора, изменяя скорость потока парогазовой смеси.

Прямые, полученные в координатах сте-пень превращения - обратная объемная скорость, указывают на нулевой порядок реакции. Константу скорости данной реакции рассчитывали по выходу одного из продуктов, в частности по этилену.

Она составила - 0,5 моль/л, а энергия активизации - 27,5 ккал/моль. Активность катализатора определяли по степени превращения исходных реагентов в продукты реакции. Полученные данные хорошо согласуются с результатами, полученными другими методами. Предлагаемое устройство позволяет проводить исследование катализаторов как в импульсном, так и в проточном реЖййах работы, дает возможность не только исследовать катализаторы, но и восстанавливать их активность непосредственно в самом устройстве, что невозможно в известном (для восстановления их активности необходима сложная дополнит€у1ьная аппаратура). Благодаря введению в предлагаемое устройство устройства подготовки реагентов возможно приготовление реагентов необходимой концентрации, а это позволяет осуществлять непрерывную подачу исходных веществ в зону реакции, обеспечивая непрерывность самого процесса проведения катализа и максимально приближая реакцию к промыщленным условиям. С помощью предлагаемого устройства можно определять активность и селективность катализаторов, проводить их регенерацию, изучать кинетику каталитических процессов с определением таких параметров как константа скорости реакции, степень диссоциации, энергия активации и т. д.

HI

&- Формула изобретения 1. Устройство для исследования катализаторов, содержащее последовательно установленные микрореактор с нагревателем и приспособлением для импульсного ввода реагентов, хроматографическую колонку и детектор, отличающееся тем, что, с целью обеспечения возможности определения активности и селективности катализаторов, а также изучения кинетики каталитических процессов, оно снабжено приспособлением для подготовки реагентов, включающим последовательно соединенные узел установки и стабилизации газовых потоков и сатуратор, дозировочным краном с калиброванным объемом и тремя переключающими механизмами, один из которых установлен между приспособлением для подготсжки реагентов и ,микрореактором, второй соединяет выход микрореактора с дозировочным краном и роматбграфической колонкой, а третий установлен между приспособлением Для подготовки реагентов и хроматографической колонкой. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем что микрореактор выполнен из кварцевого стекла. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3431077, кл. 23-253, 1966. 2.Химия и индустрия, (НРБ), 1975, т. 47, № 9, 421-422 (прототип).