作者：2017級本科生 胡琪琨 化學工程系
指導老師：顏彬航 化學工程系
關鍵詞：多通道、高效、微分反應器
摘要
氣固催化反應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、催化反應動力學研究等催化劑研究方向。但目前氣固催化反應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器，能同時對多個催化劑進行評價，并且通過軟件做到全自動的控制裝置運行與數(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域中有著極其重要的作用，對于許多氣相反應，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器實現(xiàn)。目前的主流催化領域文獻，均以氣固反應器的測試結果作為催化劑評價的重要結果。但是實驗室中所采用的反應器大多為單通道大口徑結構，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，一般實驗室很難負擔大量的貴重檢測器。這對于催化劑的篩選造成了很大的負擔。
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到快速篩選催化劑的目的成為了困擾催化領域科研工作者的重要難題。基于此種需求，本人發(fā)明了四通道氣固催化平行反應器，通過同時進行四個反應的方法，擬實現(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
此反應器適用于典型氣固相催化反應條件下的高通量（4通道）平行反應器系統(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、催化反應動力學研究等；并進一步實現(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。反應系統(tǒng)包括：（1）氣流控制系統(tǒng)（2）四通道平行反應器（3）自動采樣器（4）自動控制軟件。
氣流控制系統(tǒng)
采用毛細管與減壓閥精確控制氣體流量，總進樣量為40-160 ml/min，進料分配誤差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)當前端壓力一定時，氣體流速不變?；诖丝梢酝ㄟ^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標定氣體流量。
四通道平行反應器
反應器采用直徑3mm或6mm的石英管，這種小管徑的反應器其實質(zhì)為微分反應器，無徑向上的濃度分布，適合做動力學表征分析。同時小管徑反應器每次測試需求催化劑較少，適合表征精細合成的催化劑。最高溫度可達800 ℃，反應器溫差控制在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，實現(xiàn)氣相樣品的在線自動分析。
自動控制軟件
由Labview編程實現(xiàn)，可以控制溫控表，流量計以及電磁閥，可以編寫程序使裝置自動運行。能實時監(jiān)控儀表數(shù)據(jù)，自動記錄實驗中的所有數(shù)據(jù)，并保存在指定位置。
圖1 反應器原理圖
圖2 氣固催化反應器系統(tǒng)成品：(a) V1.0, (b) V2.0
圖3 自動控制軟件界面
圖4 自動控制軟件運行界面
圖5 實驗數(shù)據(jù)
