测定气体在固体中的吸附参数的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及催化剂领域，具体地，涉及一种测定气体在固体中的吸附参数的方法 和系统。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展，催化剂在化学反应中所起的作用越来越显著，固体催化剂 具有催化活性好、反应稳定高及与产物易分离等优点，在越来越多的化学反应中，固体催 化剂正逐渐替代液态催化剂，例如，轻质烷烃异构化催化剂、烷基化催化剂等。在催化反应 中，大部分反应是属于气-固、气-液-固等多相催化反应，化学反应发生之前，反应原料 分子往往首先在催化剂表面活性中心上发生吸附反应，因此，化学反应的快慢很大程度上 取决于反应原料在催化剂活性中心上的吸附量和吸附速率，因为吸附量的大小和吸附速率 的快慢在一定程度上反映了该催化剂的活性。因此，测定反应原料分子在催化剂上的吸附 量和吸附速率可以表征催化剂的活性性质，同时，也为反应机理的研究提供了参考。例如 ： 加氢反应中，涉及到氢气、原料油和催化剂的多相催化反应，如果氢气在加氢催化剂表面的 吸附量大、吸附速率高，则可以从一个方面表明该催化剂的加氢活性高。又如F-T合成的 原料气为H 2和C0,而合成产物主要为大分子烃类，反应所用的催化剂为固体材料，涉及到 气-液-固多相催化反应。如果操作条件影响H 2和C0在固体催化剂中的吸附量和吸附速 率，将导致吸附在催化剂表面的H2/C0比发生变化，进而影响合成产物的平均分子量的大 小。即，气体在固体中的传递速率影响了产物的选择性。因此，测定气体在固体中的吸附量 及吸附速率对于F-T合成反应器的设计和开发以及催化剂的开发等具有十分重要的意义。 进一步讲，开发一种测定气体在固体中的吸附量及吸附速率的方法及装置对于石油化工行 业的研究开发具有十分重要的意义。
[0003] 中国专利CN201120072899. X中公开了一种测定催化剂中NH3吸附量的装置，该专 利采用控制及测定吸附前的NH3流量及吸附后的NH 3流量来实现测定催化剂吸附过程中的 吸附情况。龚键等(湖南师范大学自然科学学报，1990, 13(3) :227-232)报道了一种采用脉 冲法测定氢气在催化剂中吸附量的方法，该方法采用准确计量氢气的脉冲量，并测定吸附 后的氢气的量来达到测定氢气吸附量的目的。US7395658公开了一种测定催化剂中NOx的 吸附量的装置及方法，该方法通过准确计算工业废气中可能产生的NOx的量，然后检测吸 附后尾气中的NOx的含量来计算催化剂中NOx的吸附量。可见，在目前所使用的固体中的 气体吸附量测试中，通常是先将一定量的气体注入固体中，吸附饱和后抽出未吸附的气体， 然后计算固体材料中吸附的气体量。
[0004] 然而，在上述公开的测试方式中，都存在吸附前后气体的准确定量的问题。尤其是 对于吸附量较小的固体材料而言，吸附前后气体流量几乎未发生改变，使得采用上述的方 法时在定量气体流量变化方面很容易产生误差。另外，上述的各种测定吸附量的方法或装 置均不能同时测定气体在固体中的吸附速率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种测定气体在固体中的吸附参数的方法和系统，用以同时 地准确地测定气体在固体中的吸附量及吸附速率。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提供一种测定气体在固体中的吸附参数的方法，其中， 该方法包括如下步骤：步骤1，设置能够分别提供惰性气体和待测气体的气源，以及相互连 通的气体容器和固体容器；将待测固体置入固体容器中，并且始终保持气体容器和固体容 器的内部温度为相同的温度；步骤2,将气源所提供的惰性气体充入气体容器和固体容器 中，通过惰性气体的体积和摩尔量计算出待测固体的体积；以及步骤3,将气源所提供的待 测气体充入气体容器和固体容器中，通过待测气体的体积和摩尔量计算出待测气体在待测 固体中的吸附参数。
[0007] 优选地，步骤2包括：步骤2-1，根据所述气体容器的容积和所述气体容器中的 气压变化计算出在所述气体容器和所述固体容器间相互转移的惰性气体的摩尔量；步骤 2-2,根据所述惰性气体的摩尔量和所述固体容器中的气压变化，计算所述固体容器中所转 移的惰性气体的体积，并且根据该惰性气体的体积和固体容器的容积计算待测固体的体 积。
[0008] 优选地，步骤2-1包括：步骤2-1-1，通过气源向气体容器和固体容器中充入惰性 气体并且使气体容器中的气压达到第一气压；步骤2-1-2,记录固体容器中的初始气压，并 且将气体容器中的惰性气体充入固体容器中以使得固体容器中的气压达到第二气压，并且 记录此时气体容器中的第三气压；步骤2-1-3,根据第一气压、第三气压和气体容器的容积 计算从气体容器中转移到固体容器中的惰性气体的摩尔量。
[0009] 优选地，步骤2-2包括：根据惰性气体的摩尔量、固体容器中的初始气压和第二气 压计算从气体容器中转移到固体容器中的惰性气体的体积。
[0010] 优选地，步骤2-1包括：步骤2-1-1，记录气体容器中的第四气压，并且通过气源向 固体容器中充入惰性气体以使固体容器中的气压达到第五气压；步骤2-1-2,将固体容器 中的惰性气体充入气体容器中以使得气体容器中的气压由第四气压达到第六气压，并且记 录此时固体容器中的第七气压；步骤2-1-3,根据第四气压、第六气压和气体容器的容积计 算从固体容器中转移到气体容器中的惰性气体的摩尔量。
[0011] 优选地，步骤2-2包括：根据惰性气体的摩尔量、第五气压和第七气压，计算从固 体容器中转移到气体容器中的惰性气体的体积。优选地，在步骤2-1-1之后还实施如下的 搅拌步骤：对气体容器中的气体和固体容器中的气体进行搅拌，并且对固体容器中的气体 进行搅拌的搅拌速度大于800转/分钟。
[0012] 优选地，步骤3包括：步骤3-1，根据气体容器的容积和气体容器中的压力计算出 从气体容器充入固体容器中的待测气体的第一摩尔量；步骤3-2,从吸附反应开始到吸附 反应完成的过程中，检测并记录固体容器中的气压变化；吸附反应完成后，根据固体容器的 容积、待测固体的体积和固体容器中的气压，计算固体容器中剩余的待测气体的第二摩尔 量；步骤3-3,根据待测气体的第一摩尔量和第二摩尔量计算出待测气体在待测固体中的 吸附量，根据吸附反应所经历的时间计算出待测气体在待测固体中的吸附速率。
[0013] 优选地，步骤3-1包括：步骤3-1-1，通过气源向气体容器中充入待测气体并且 使该气体容器的气压达到第八气压；步骤3-1-2,将气体容器中的待测气体充入固体容器 中以使得固体容器中的气压达到第九气压，并且记录此时气体容器中的第十气压；步骤 3-1-3,根据第八气压、第十气压和气体容器的容积计算充入到固体容器中的待测气体的第 一摩尔量。
[0014] 优选地，在步骤3-2中，吸附反应开始是指固体容器中的气压达到第九气压的时 亥IJ ;吸附反应完成是指固体容器中的气压达到恒定的第十一气压而不再发生变化的时刻； 在步骤3-3中，吸附反应所经历的时间是指固体容器中的气压从第九气压变化至第十一气 压所经历的时间。
[0015] 优选地，在气体容器和固体容器上均设置检测内部气压的压力表，并且固体容器 的压力表以不小于0. 5次每秒的频率检测固体容器中的气压。
[0016] 优选地，气体容器和固体容器的各个参数的检测、控制、记录和计算均由计算机控 制完成。
[0017] 另一方面，本发明还提供一种测定气体在固体中的吸附参数的系统，该系统包括： 气体容器和固体容器，该气体容器和固体容器相互连通，并且待测固体置入固体容器中；气 源，该气源能够向气体容器和/或固体容器提供惰性气体和/或待测气体；温控装置，该温 控装置用于使气体容器和固体容器中保持相同的内部温度；压力检测装置，该压力检测装 置用于检测气体容器和固体容器中的内部气压。
[0018] 优选地，气体容器为气体搅拌釜，固体容器为固体搅拌釜，气体搅拌釜和固体搅拌 釜中设置有搅拌装置用以搅拌相应的气体。
[0019] 优选地，固体搅拌釜中的搅拌装置设置有同轴的两组搅拌叶片，其中，两组搅拌叶 片中的任意一组搅拌叶片下方安装有篮筐，该篮筐用于填装待测固体；并且固体搅拌釜中 的搅拌叶片的转速大于800转/分钟。
[0020] 优选地，气体搅拌釜和固体搅拌釜通过能够加热的管线连通，并且在管线上设置 有供气体通过的阀门。
[0021] 优选地，阀门为针阀。
[0022] 优选地，管线为不锈钢管线，该不锈钢管线上设置有温度可调节的加热带，以使管 线的温度与气体搅拌釜和固体搅拌釜的内部温度相同。
[0023] 优选地，温控装置包括温度检测装置、控制装置和加热及降温装置，其中，控制装 置能够根据温度检测装置反馈的温度值控制加热及降温装置，以对气体搅拌釜和固体搅拌 釜的内部温度进行控制。
[0024] 优选地，压力检测装置为安装在气体搅拌釜和固体搅拌釜上的压力表，该压力表 与计算机电连接。
[0025] 优选地，压力表为精度大于0? 25级，分辨率大于或等于0?OOOIMPa的绝压表。
[0026] 优选地，压力表的检测内部气压的频率为不小于0. 5次每秒。
[0027] 优选地，系统还包括计算机，该计算机能够获取气体搅拌釜和固体搅拌釜中的内 部温度和内部气压，以计算吸附参数。
[0028] 通过上述技术方案，由于本发明提供的气体在固体中的吸附参数的测定方法和测 定系统能够在恒温状态下获取气体在固体容器吸附时的气压变化和所需时间，因此通过气 体状态方程，能够准确计算得到气体吸附前后的变化量和所需的吸附