流動法測定甲醇分解催化劑活性的實驗裝置改進

常照榮 李苞 高書燕 張樹霞

(河南師范大學化學與環境科學學院 河南新鄉453007)

流動法測定甲醇分解催化劑的活性實驗已作為物理化學綜合性或設計性實驗被南京大學、河南師范大學等高等院校選用［1-3］。甲醇是重要的有機化工原料，在化工、醫藥、輕工、紡織及運輸等行業具有廣泛的用途。工業合成甲醇常采用H2和CO/CO2為原料的合成路線，其中催化劑起著重要作用。目前對于合成甲醇催化劑的研究主要集中在對Cu/Zn/Al基的摻雜和改進［4-6］，因此，了解和掌握催化劑的制備和性能評價方法對于高年級學生的綜合能力培養是有意義的。邱金恒等人將負載型合成甲醇催化劑的研究納入到高年級學生的研究性實驗內容［7］，然而在現有物理化學實驗教材中，有關催化劑制備和性能評價的實驗還不多，國內開設有關催化劑活性評價實驗的高校也尚不普遍。我校在開設流動法測定甲醇催化劑活性實驗的教學過程中，發現原有的由穩壓管、毛細管流量計等組成的流量控制系統，學生操作起來難度大，很難控制流速在整個實驗中保持恒定，從而影響了實驗結果的準確性，也影響了該實驗的推廣和普及。我們將質量流量控制儀引入實驗裝置，取代了原有的流量控制系統，能夠較好地恒定和調節載氣流速。

1 流動法測定甲醇分解催化劑活性的原理

甲醇可由H2和CO作原料合成，反應式如下:

這是一個可逆反應，反應速度很慢，關鍵是要找到優良的催化劑。甲醇合成反應須在較高的壓力下進行，有副反應;而甲醇分解反應則可在常壓下進行。根據催化劑的特點，對正向反應具有優良活性的催化劑，對逆向反應也同樣具有優良的活性。因此合成甲醇的催化劑的活性可利用甲醇的催化分解反應進行評價。

未反應完的反應物可經冷凝而分離，因此，只要測量載氣流速和經冷凝后流出的尾氣流速便可求得催化劑的活性。

本實驗采用流動法測量固相氧化銅催化劑對氣相甲醇的復相催化分解的催化活性。用單位質量催化劑在一定條件下使100g甲醇中所分解的質量百分數來表示。以一定流速的N2為載氣，流經裝有甲醇的液體加料飽和器，將該溫度下的甲醇飽和蒸氣送入反應管與催化劑接觸而發生反應，然后經冷阱分離出未反應的甲醇，通過測定空白和加有催化劑時進入濕式氣體流量計的氣體體積，便可用下式計算出催化劑活性［2］。

式中p(甲醇)為甲醇在恒溫水浴溫度下的飽和蒸氣壓(40℃，p(甲醇)=34.757kPa);p室為室內氣壓;wc為催化劑質量(g)，M為甲醇的摩爾質量。

顯然，流動法測定催化劑活性的關鍵是要產生和控制穩定的流態反應物。如果流態不穩定，則不可能得到好的實驗結果。

2 改進前后的實驗裝置及特點

2.1 原有實驗裝置

圖1是原有實驗的裝置示意圖。

圖1 原有的甲醇分解實驗裝置圖

圖1中的3～6構成了載氣的流量控制調節系統，其中3是穩壓管，內置有液體石蠟，用水準瓶調節液面達到穩壓作用。實驗操作時，需要緩緩開啟氮氣鋼瓶的減壓閥，調節穩壓管內的液面高度，使氣泡不斷地從穩壓管的支管經石蠟油逸出，大約為每秒1個氣泡。在整個實驗過程中，既要保證不斷有氣泡逸出，同時又要使穩壓管內的液面穩定。用秒表在濕式氣體流量計刻度盤測量流速，使氮氣流速穩定為50～70mL/min。通過改變水準瓶高度來調節流速，至流速穩定后，記下毛細管流速計的壓力差讀數，作為測量過程中判斷流速是否穩定的依據。

學生在實驗操作過程中，當緩緩開啟氮氣鋼瓶的減壓閥，調節穩壓管液面高度時，需要兼顧氣泡的速度。由于大多數學生是首次接觸氮氣鋼瓶，很難掌控減壓閥的開啟力度，往往造成出口處壓力過大或過小。過大，會使氣泡逸出速度過快而造成液面不穩，甚至造成液態石蠟噴出;過小，則液面上下浮動而不穩定。此外，毛細管流量計中的指示液面會隨穩壓管氣泡的釋放而上下波動，造成示值不穩。另外，在實驗過程中，隨著甲醇液體的揮發，液體加料飽和器中的甲醇逐漸減小，載氣流速也隨之緩緩增加，這也會造成系統讀數誤差。因此，在實驗過程中需要不斷地微調穩壓管液面，以校正流速，否則將導致實驗出現較大誤差，甚至失敗。

2.2 改進后的實驗裝置及特點

圖2是改進后的甲醇分解實驗裝置示意圖。

圖2所示實驗裝置是采用氣體質量流量控制儀替代原實驗裝置的流量控制系統。氣體質量流量計的主要特點是不受體系溫度和壓力變動的影響，可直接顯示氣體流速，計量精度高，容易調節。氣體質量流量計型號很多，本實驗選用的型號是S49-32B/MT，流量范圍在0～200mL/min。選用此裝置可以有效地保證在整個實驗過程載氣的流速恒定，從而保證對其測定的準確性(這是實驗成敗的關鍵)。氣體質量流量控制儀不受壓力的影響，只需打開總氣閥，調節減壓器手柄至出口壓力為一定值即可，不用擔心因壓力過大而造成氣體流速不穩。另外，選用氣體質量流量計還簡化了實驗裝置，避免了較多的管路連接。采用新實驗裝置后的操作非常簡單，學生很容易掌握。氣體質量流量控制儀的實驗操作是:打開質量流量控制器電源開關，將其功能開關置于中間控制檔位，開啟氮氣鋼瓶的減壓閥至出口處表壓為0.1～0.3MPa，此時質量流量控制器顯示一定數值的流量，用微調旋鈕調至所需流速即可。

圖2 改進后的甲醇分解實驗裝置圖

3 改進后的實驗效果評價

我們在本校2008級和2009級化學專業的實驗教學中采用了本文介紹的新實驗裝置，對實驗結果進行的統計表明:

(1)實驗成功率大幅提高，達到100%。

(2)實驗誤差范圍內的實驗結果準確率達到95%(未達到標準的5%是催化劑活性偏低，其原因是催化劑裝置過于松散、預熱時間不夠等，而不是因流速不穩造成的)。

(3)新裝置中的氣體流速控制操作簡單，調節所用時間顯著縮短，并能保證在整個實驗過程中流速恒定，且不受體系中氣體因素的干擾，實驗流速控制精度為50±0.1mL/min。

此外，實驗選用的氣體質量流量儀的市場價格約為0.6萬元，整個甲醇分解催化劑活性實驗裝置價格約為1.5萬元，價格較低，便于推廣和普及。

4 結語

實驗教學表明，氣體質量流量控制儀不受體系溫度和壓力變動的影響，可直接顯示氣體流速，操作簡便，計量精度高，將其替代原實驗教材裝置中的穩壓管、毛細管流量計等調控流速的裝置，可以有效地避免在實驗過程中由于體系壓力的變化而造成的載氣流速變化，減少由此引進的實驗誤差，提高實驗成功率。

［1］孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學實驗.南京:南京大學出版社，1998

［2］常照榮，關新新，馮國利，等.物理化學實驗.鄭州:河南科技出版社，2009

［3］顧月姝，宋淑娥.基礎化學實驗(Ⅲ)物理化學實驗.北京:化學工業出版社，2007

［4］陰秀麗，常杰，汪俊鋒.燃料化學學報，2004，32(4):492

［5］趙云鵬，賈麗華，姚洪，等.浙江化工，2004，35(1):18

［6］吳瑛，吳彬福，王海濤，等.浙江師范大學學報(自然科學版)，2008，31(1):1

［7］邱金恒，高衛，易敏，等.廣西師范大學學報(自然科學版)，2003，21:295