Исследование каталитических свойств гетерогенных катализаторов в реакции окисления СО в СО2

Для проведения каталитических экспериментов с малыми количествами твердых гетерогенных катализаторов в условиях химических лабораторий используется универсальная проточная каталитическая установка Bi-Cat-mr (см. приближенные интегральные методы).

Установка позволяет оценивать активность и селективность катализаторов в различных процессах при нормальном (атмосферном) давлении и дает возможность проводить многие типовые поисковые исследовательские работы в области гетерогенного катализа, в том числе:

первичный подбор новых катализаторов с улучшенными свойствами,.

оценку кинетических параметров каталитических процессов с целью их оптимизации,.

разработку новых каталитических процессов.

Устройство и работа проточной каталитической установки «Bi-Cat-mr»

Установка состоит из технологической части и электронной системы автоматического управления, смонтированных на едином основании, управляющего персонального компьютера и баллонов с газами.

Технологическая часть

Технологическая часть смонтирована на едином основании и включает:

• 1. систему формирования потоков газов и газовых смесей,
• 2. дозатор жидкости,
• 3. блок реактора,
• 4. холодильник-сепаратор,
• 5. коммутатор потоков,
• 6. пневмосистему.

На корпусе установки смонтированы штуцера для ввода и вывода газов и жидкостей, электрические вводы и выводы, тумблеры. Все вводы и выводы имеют соответствующие обозначения.

1. Система формирования потоков газов и газовых смесей

В качестве дозаторов газов ДГ1ДГ4 в установке использованы автоматические импульсные дозаторы газов.

Работа дозаторов основана на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) непрерывных высокостабильных потоков газов.

Все дозаторы ДГ1ДГ4 имеют нормально открытое исполнение. Это означает, что при отсутствии управляющего сигнала и подаче на установку пневмопитания поток дозируемого газа включен.

Дозаторы соединены друг с другом в замкнутый контур по схеме ДГ1-ДГ2ДГ3ДГ4ДГ1. Этот контур имеет один, общий для всех дозаторов ДГ выход, который выведен на штуцер ВЫХОД ДГ.

Если включен только один из дозаторов, со штуцера ВЫХОД ДГ поступает поток соответствующего газа, если включены несколько дозаторов, с этого штуцера выходит поток газовой смеси. Если эта смесь используется для проведения каталитических процессов, то она называется газовая «исходная реакционная смесь» сокращенно газовая ИРС.

Расход выходящего со штуцера ВЫХОД ДГ потока газа () определяется суммой расходов газов на дозаторах ДГ1-ДГ4:

где, , и — интегральные расходы газов на выходах дозаторов ДГ1, ДГ2, ДГ3 и ДГ4, соответственно.

Концентрация компонента газовой ИРС в выходящем со штуцера ВЫХОД ДГ потоке рассчитывается по формуле.

C⁰_i, об%,.

где — расход газа на соответствующем дозаторе ДГ1ДГ4, С⁰_i — концентрация компонента в исходном газе. Если исходный газ однокомпонентный, то С⁰_i = 100%.

Если скважность ШИМ на дозаторах ДГ равна 1, со штуцера ВЫХОД ДГ поступает непрерывный поток газа.

Если скважность ШИМ на дозаторах ДГ не равна 1, со штуцера ВЫХОД ДГ выходит пульсирующий поток газа. С целью сглаживания пульсаций и получения однородного по составу потока ИРС пульсирующий газовый поток проходит через смеситель-стабилизатор СМСТ.

Вход системы СМСТ (штуцер ВХОД СМСТ) расположен на правой боковой панели установки над штуцером ВЫХОД ДГ. Для приведения системы СМСТ в действие штуцер ВЫХОД ДГ соединяется со штуцером ВХОД СМСТ.

2. Дозатор жидкости

В установке используется гидростатический дозатор жидкости.

Работа гидростатического дозатора основана на выдавливании жидкости из емкости под действием управляющего пневмосигнала Ру. Постоянство расхода жидкости при изменениях давления на выходе обеспечивается автоматическим регулятором перепада давления.

Расход жидкости прямо пропорционален величине управляющего пневмосигнала Ру, который изменяется в пределах от 0,01 до 0,10МПа с помощью электропневмозадатчика. Величина необходимого расхода жидкости задается программно и создается путем подбора соответствующей величины управляющего пневмосигнала Ру.

При заданной величине сопротивления дросселя Др расход жидкости можно изменять в 10 раз.

Дозатор жидкости снабжен тремя съемными постоянными дросселями Др1, Др2 и Др3. Дроссели Др1 и Др2 определяют рабочий диапазон дозатора жидкости и используются при проведении испытаний катализаторов. Дроссель Др3 применяется для промывки дозатора жидкости при замене исходной жидкости. Замена дросселей Др1Др3 выполняется пользователем самостоятельно.

Дроссель Расход жидкости, см³•ч^-1

Др1 1−10.

Др2 10−100.

Др3 не менее 1000.

Расход дозируемой жидкости можно контролировать путем измерения ее расхода на выходе регулятора расхода жидкости с помощью стандартных бюреток.

Дозируемая жидкость периодически заливается в питающую емкость через ее горловину.

Подача потока жидкости в реактор осуществляется через металлический капилляр 1,0×0,3 мм (внутренний диаметр 0,4 мм).

3. Блок реактора

Блок реактора включает реактор, печь, верхний и нижний коллекторы, термопару и штатив.

Реактор представляет кварцевую ампулу длиной 25 см и внутренним диаметром 9 мм. Вблизи запаянного конца ампулы сделаны два отверстия диаметром около 1 мм под углом 180 градусов. В ходе экспериментов ампула размещается вертикально запаянным концом вниз, подаваемый на реактор поток подается в открытый конец ампулы и выходит через отверстия около запаянного конца ампулы. В средней части реактора размещается слой испытуемого катализатора, до и после слоя катализатора по ходу потока находятся верхние и нижние фильтры и слои инертного наполнителя. Фильтры представляют собой пыжи из кремнеземного волокна.

Печь нагревает слой катализатора в реакторе до температуры реакции, подогревает до этой температуры поступающий на слой катализатора поток и обеспечивает испарение подаваемой на реактор жидкости. Печь выполнена из нержавеющей стали и представляет собой вертикально расположенную, открытую с обоих концов трубу с внутренним диаметром 14 мм. Снаружи трубы размещен электронагревательный элемент, закрытый со всех сторон теплоизолирующей оболочкой. Последняя окружена внутренним кожухом, с боков которого через воздушную прослойку расположен внешний кожух, выполняющий функции предохранительного и декоративного элемента.

Верхний коллектор надевается на открытый конец ампулы и обеспечивает:

подачу на вход ампулы потоков газов и жидкостей,.

ввод термопары внутрь слоя катализатора,.

загрузку в ампулу катализатора, инертного наполнителя и фильтров.

Для этого верхний коллектор имеет три одинаковых боковых отверстия с ниппельными соединениями и центральное отверстие, закрытое заглушкой. В боковые отверстия постоянно введены магистрали подачи газов и жидкостей, а также термопара. С помощью центрального отверстия организуется загрузка катализатора и инертного наполнителя.

Герметичность соединения ампулы с верхним коллектором обеспечивается с помощью резинового кольца, которое прижимается к ампуле при движении в крайнее верхнее положение специального фиксатора-скобы.

Нижний коллектор организует соединение выхода реактора с холодильником. Герметичность соединения нижнего коллектора с реактором обеспечивается резиновым кольцом, поджимаемым верхним винтом с воротом.

В качестве термопары используется стандартная экранированная термопара ХА с внешним диаметром 1,5 мм.

Штатив представляет собой устройство для организации загрузки в реактор катализатора и инертного наполнителя. Для этого пустая ампула размещается в держателе штатива вертикально, запаянным концом вниз. Вначале в нее вводится термопара, затем надевается верхний коллектор с отжатым резиновым кольцом и открытым загрузочным отверстием, после чего резиновое кольцо сжимается с помощью фиксатора-скобы. Далее в загрузочное отверстие вворачивается воронка, через которую в ампулу поочередно загружаются нижний фильтр, нижний слой инертного наполнителя, средний фильтр, катализатор, верхний фильтр и верхний слой инертного наполнителя.

Заполнение ампулы организуется таким образом, чтобы выполнялись следующие два условия:

нижний конец термопары должен находиться в середине слоя катализатора; для удобства выполнения этого условия штатив снабжен двумя передвижными указателями, отмечающими начало и конец слоя катализатора,.

капилляр подачи жидкости должен касаться верхней части наполнителя.

По окончании операций загрузки воронка снимается и загрузочное отверстие заглушается.

Полученная сборка реактора с верхним коллектором извлекается из штатива за скобу и вставляется сверху вниз в печь. При этом «автоматически» с помощью нижнего коллектора низ ампулы соединяется с нижним коллектором. Соединение фиксируется верхним винтом с воротом.

Верхний слой инертного наполнителя используется как подогреватель потока, испаритель и смеситель. В тех случаях, когда ИРС готовится из газов и жидкостей, последние подаются в верхнюю часть реактора, захватываются газовым потоком, испаряются и перемешиваются с газом. При прохождении потока через слой инертной насадки образуется однородная по составу парогазовая ИРС. Нижний слой инертного наполнителя используется как опора для слоя катализатора, в качестве противопыльного фильтра, задерживающего частички катализатора, а также воздушного холодильника. Нижний и верхний фильтры позволяют разделить катализатор и инертный носитель после проведения испытаний.

В ходе испытаний каталитических свойств эксперименты выполняются таким образом, что только часть исходных веществ превращается в продукты реакции. Поэтому выходящий из нагретого до температуры реакции слоя катализатора поток содержит не только продукты реакции, но и часть непрореагировавших исходных веществ КРС.

4. Холодильник-сепаратор

Холодильник-сепаратор служит для отделения жидкой фракции потока КРС и разделения потока газовой КРС на две части. Конструкция этого устройства включает холодильник, термостат холодильника, сепаратор и сборник конденсата.

5. Коммутатор потоков

Коммутатор потоков предназначен для организации пробоотбора газовых ИРС и КРС с целью анализа их составов, а также для проверки герметичности блока реактора.

Поток газовой ИРС подается на реактор через тройник, к свободному входу которого через дроссель подсоединен нормально открытый вход крана КрП. Поток газовой КРС внутри сепаратора разделяется на две части — один поток подается через дроссель на ловушку УЛ, другой, через второй дроссель, подсоединен к нормально закрытому входу крана КрП. Дроссели ограничивают расходы потоков ИРС и КРС, подаваемых на анализ, до величины 1−2 лчас^-1 (0,3−0,6 см³мин^-1). Выходящие с выхода крана КрП потоки анализируемых смесей проходят через пробоотборник на штуцер НА АНАЛИЗ, размещенный на правой боковой панели установки.

Таким образом, при отсутствии на кране КрП управляющего пневмосигнала на выходе штуцера НА АНАЛИЗ наблюдается поток ИРС, а при подаче на КрП управляющего пневмосигнала — поток КРС.

Ловушка УЛ представляет металлический корпус, организующий вход и выход газа, к которому герметично присоединяются стеклянная цилиндрическая колба и внутренняя вставка с прозрачной трубкой ПХВ, размещенной по центральной оси колбы. Колба размещена вертикально запаянным концом вниз и частично заполнена водой.

Ловушка выполняет следующие функции:

маностата, поддерживающего небольшое избыточное давление в блоке реактора, необходимое для направления потоков ИРС и КРС на анализатор,.

манометра для организации проверки герметичности установки,.

индикатора наличия потока через блок реактора по барботажу газа через слой воды,.

и, наконец, при необходимости, ловушка используется в качестве поглотителя определенных компонентов газовой КРС.

6. Пневмосистема

Пневмосистема обеспечивает работу дозаторов газов ДГ1ДГ4, дозатора жидкости, коммутатора потоков и пробоотборника анализатора.

Подаваемый на установку сжатый воздух из пневмосети очищается от пыли в фильтре Ф и проходит через редуктор, формирующий стандартный пневмосигнал 0,14МПа, который обеспечивает пневмопитание пневмозадатчика, дозатора жидкости, крана КрП и пробоотборника анализатора. Задатчик формирует пневмосигнал 0,10МПа для пневмопитания дозаторов газов ДГ1ДГ4.