作者：2017級本科生 胡琪琨 化學(xué)工程系
指導(dǎo)老師：顏彬航 化學(xué)工程系
關(guān)鍵詞：多通道、高效、微分反應(yīng)器
摘要
氣固催化反應(yīng)器可用于多元催化劑組成篩選、催化劑合成參數(shù)優(yōu)化、催化劑活性及壽命考察、催化反應(yīng)動力學(xué)研究等催化劑研究方向。但目前氣固催化反應(yīng)器一次只能評價一個催化劑，效率低下，需要投入較多的人力和時間操作儀器。因此開發(fā)出了四通道催化反應(yīng)器，能同時對多個催化劑進(jìn)行評價，并且通過軟件做到全自動的控制裝置運(yùn)行與數(shù)據(jù)采集，能大大提高催化劑評價效率，解放人力，可以有更多的時間去思考其他問題。
開發(fā)背景
氣固催化劑在催化領(lǐng)域中有著極其重要的作用，對于許多氣相反應(yīng)，如甲烷低溫燃燒、合成氨、人工光合作用等等催化過程都需要依托氣固催化反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)。目前的主流催化領(lǐng)域文獻(xiàn)，均以氣固反應(yīng)器的測試結(jié)果作為催化劑評價的重要結(jié)果。但是實(shí)驗(yàn)室中所采用的反應(yīng)器大多為單通道大口徑結(jié)構(gòu)，對于催化劑的篩選過程效率較低。并且由于主流產(chǎn)物檢測器如氣相色譜（GC）、傅里葉變換紅外（FT-IR）、質(zhì)譜儀（MS）價格較為昂貴，一般實(shí)驗(yàn)室很難負(fù)擔(dān)大量的貴重檢測器。這對于催化劑的篩選造成了很大的負(fù)擔(dān)。
如何提高催化劑的篩選效率，增加儀器利用率，以較為低廉的價格達(dá)到快速篩選催化劑的目的成為了困擾催化領(lǐng)域科研工作者的重要難題?；诖朔N需求，本人發(fā)明了四通道氣固催化平行反應(yīng)器，通過同時進(jìn)行四個反應(yīng)的方法，擬實(shí)現(xiàn)提高催化劑的篩選效率的目的。下面為本發(fā)明的具體介紹。
原理介紹
此反應(yīng)器適用于典型氣固相催化反應(yīng)條件下的高通量（4通道）平行反應(yīng)器系統(tǒng)，用于多元催化劑組成篩選、催化劑合成參數(shù)優(yōu)化、催化劑活性及壽命考察、催化反應(yīng)動力學(xué)研究等；并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動控制及數(shù)據(jù)采集，大大提高催化劑評價及催化劑材料開發(fā)的效率。反應(yīng)系統(tǒng)包括：（1）氣流控制系統(tǒng)（2）四通道平行反應(yīng)器（3）自動采樣器（4）自動控制軟件。
氣流控制系統(tǒng)
采用毛細(xì)管與減壓閥精確控制氣體流量，總進(jìn)樣量為40-160 ml/min，進(jìn)料分配誤差RSD控制在1%以下。通過伯努利方程近似與能量守恒方程，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前端壓力一定時，氣體流速不變。基于此可以通過減壓閥調(diào)節(jié)壓力，從而調(diào)節(jié)流量，同時可以通過流量計(jì)標(biāo)定氣體流量。
四通道平行反應(yīng)器
反應(yīng)器采用直徑3mm或6mm的石英管，這種小管徑的反應(yīng)器其實(shí)質(zhì)為微分反應(yīng)器，無徑向上的濃度分布，適合做動力學(xué)表征分析。同時小管徑反應(yīng)器每次測試需求催化劑較少，適合表征精細(xì)合成的催化劑。最高溫度可達(dá)800 ℃，反應(yīng)器溫差控制在1℃以內(nèi)。
自動采樣器
由繼電器與電磁閥組成。連接方式為1路在線監(jiān)測，其與3路匯合排空，通過閥控系統(tǒng)依次實(shí)現(xiàn)各個通道的循環(huán)采樣分析；可連接氣相色譜儀、質(zhì)譜儀以及紅外色譜，實(shí)現(xiàn)氣相樣品的在線自動分析。
自動控制軟件
由Labview編程實(shí)現(xiàn)，可以控制溫控表，流量計(jì)以及電磁閥，可以編寫程序使裝置自動運(yùn)行。能實(shí)時監(jiān)控儀表數(shù)據(jù)，自動記錄實(shí)驗(yàn)中的所有數(shù)據(jù)，并保存在指定位置。
圖1 反應(yīng)器原理圖
圖2 氣固催化反應(yīng)器系統(tǒng)成品：(a) V1.0, (b) V2.0
圖3 自動控制軟件界面
圖4 自動控制軟件運(yùn)行界面
圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
