一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置与应用方法与流程

本发明属于催化剂、吸附剂制备与改性领域，具体涉及一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置与应用方法。

背景技术：

近些年，传统精制提纯工艺相应的弊端逐渐显示出来，比如需要更多的塔板数，更长馏程，模拟移动床色谱技术作为一种可以替代的新方式，逐渐得到工业领域应用，尤其针对同分异构体，近沸点化合物，吸附分离成为高效分离手段，而催化剂或吸附剂，作为其中一个重要环节，不同结构，不同的阳离子组成都将会在不同领域得到应用，况且催化剂或吸附剂在资源利用、能源开发、医药制造、环境保护等多个领域也占有极其重要的地位，因此催化剂或吸附剂的性能评价技术显得尤为重要。

在现有技术中，比如cn203465255u、cn109060591a，常采用甲苯、水蒸气作为吸附质，来评价催化剂、吸附剂吸附容量，获取相应催化剂、吸附剂的性能。随着有机合成、分离精制和催化领域的发展，不断新型催化剂、吸附剂被合成出来，而评价这些催化剂或吸附剂成为技术难题，如何找到一种高通量、在线评价、操作简单的设备与方法具有重大意义。

由现有技术获知，例如cn107543772a、cn111097372a，普遍都是采用容量方法。众所周知，容量法是一种间接评价催化剂、吸附剂性能的方法，所测试精度主要依赖于气体状态方程式的选取、自由空间体积的标定、压力以及温度传感器的精度，测试结果误差相对较大，不易控制，而重量法是一种直接评价催化剂、吸附剂性能的方法，评价过程中不涉及到气体状态方程式的选取和压缩因子计算等问题，其测试精度只依赖于传感器的精度，测试误差也比较容易控制。

由上述现有技术也可以看到，现有设备普遍使用水浴、油浴加热装置，需要所有的装置都布置在恒温加热容器中，让整体环境升温，再传递至反应器中，需反应器中的催化剂、吸附剂达到目标温度值，稳定后，再进行评价实验，这极大的降低了传热效率，以及升温速率，进而延长了评价实验效率。因此，上述技术问题限制了其推广应用，尤其在需要快速、高效、大量筛选催化剂、吸附剂领域使用。

科研研究项目终究面向工业生产，服务社会生活，获取经济效益，而在工业放大生产之前，需要大量的催化剂、吸附剂评价工作，无形增加成本、延长成果转化进程，因此，急需一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置与方法。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置及其应用方法，通过本发明所述装置，在解决上述技术问题同时，也提供一种使用方法。通过本发明所述装置的气氛吸附/脱附系统，不但可以用于评价催化剂或吸附剂的吸附/脱附性能，而且也可以作为高极性难精制化合物的提纯中，对多组不同催化剂或吸附剂的快速筛选。

本发明的气氛吸附/脱附系统包括在线分析检测系统，作为一种重量法等温吸附测量装置改进，通过柔性弯曲传感器记录将盛有多组不同催化剂吸附剂的样品池在实验分析过程中变化曲线，进而可以评价不同解吸剂组成、温度、流量对不同催化剂、吸附剂的评价情况。发明的样品室采用套筒设计，内部设计有热风间，通过辅气路从内部对待测催化剂或吸附剂供热，快速、热量转化率高；本发明应用方法由数控信号板获取每组柔性弯曲传感器弯曲阻值所对应输出电压值，根据测得的数据，可以获得所对应的样品的质量变化，同时获得所测吸附剂的工作曲线，可以判断吸附剂的吸附/脱附性能，进而可以评价不同解吸剂组成、温度、流量对不同催化剂、吸附剂的评价情况。

本发明提供了一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置，包括气氛吸附/脱附系统、液流管路和载气管路，所述气氛吸附/脱附系统由筛板分为上、下两部分，上部分为样品室，下部分由隔板分割成气化间和热风间；

样品室顶部设有子母盖板，子母盖板中心位置设有出口管道，从出口管道分支出两条管道，分别与真空泵和净化器连接；样品室内部设有平行交错排列的若干在线分析检测系统，贯穿筛板中心位置设有分散器，热风间直接与全部筛板接触，气化间内设有气化器，气化器顶部通过气化管路与分散器连接，热风间内部设有发热线圈，热风间底部设有进气口；

所述液流管路与气化器底部连接，所述载气管路分支出并行的热源气路和辅助气路，热源气路与进气口连接，辅助气路与液流管路连接。

进一步地，上述技术方案中，所述液流管路中的液体包含但不限于甲苯、二甲苯、对二乙基苯、正戊醇、正己醇、正己烷、正庚烷、2-甲基戊烷一种、两种或两种以上；所述载气管路中的气体包含但不限于氮气、氦气、氩气、空气中一种、两种或两种以上。

进一步地，上述技术方案中，所述液流管路上从进液口至气化器底部依次设有阀门ⅰ、恒流泵、单向阀ⅰ，压力表ⅰ、单向阀ⅲ；所述载气管路上从进气口侧起依次设有阀门ⅱ、压力表ⅱ；从载气管路的分支点起，热源气路上依次设有阀门ⅲ、压力表ⅲ、质量流量计ⅱ、单向阀ⅳ，辅助气路上依次设有阀门ⅳ、质量流量器ⅰ、单向阀ⅱ；辅助气路与液流管路的交汇点在压力表ⅰ和单向阀ⅲ之间；单向阀ⅲ和单向阀ⅳ均位于气氛吸附/脱附系统外部；

所述恒流泵上设有排放口，恒流泵的液流流速为0.01-10ml/min；所述辅助气路由质量流量器ⅰ控制与所述液流管路汇集进入气化间进入气化器；所述热源气路由载气管路分出后，通过质量流量器ⅱ调节进入热风间；所述质量流量器ⅰ流量为25-150ml/min；所述质量流量器ⅱ流量为30-200ml/min。

进一步地，上述技术方案中，所述气氛吸附/脱附系统内壁镶裹隔热层，热风间以及样品室内部均设有温度传感器，温度传感器与控制箱电连接；所述发热线圈与控制箱电连接；所述气化器的工作温度为25-120℃；所述发热线圈发热温度为40-150℃；样品室内部的工作温度为25-90℃。

进一步地，上述技术方案中，所述样品室为圆筒形状，样品室顶端外边缘设有外螺纹，样品室底端通过快捷环形卡扣与气氛吸附/脱附系统下部分衔接，方便拆卸，快速更换空环中样品池中样品。所述子母盖板由凸型盖板和倒凹型盖板组成，所述凸型盖板侧面靠近底部位置设有环形凹槽，环形凹槽内设有全氟o型圈，将凸型盖板的设有全氟o型圈的环形凹槽部分插入样品室中，使凸型盖板与样品室顶端内壁密封，倒凹型盖板上设有内螺纹，倒凹型盖板扣合凸型盖板，并使内螺纹与样品室上的外螺纹衔接固定。

所述样品室，圆筒顶端开孔直径占总直径55-65％，开孔深度与凸型盖板的具有最大直径的部分高度相同，且位于样品室内部，避免凸型盖板不易掉入样品室底部。

进一步地，上述技术方案中，所述出口管道上设计有压力表ⅳ，出口管道与真空泵连接的管路上设有阀门ⅴ，出口管道与净化器连接的管路上设有阀门ⅵ，所述净化器上还连有阀门ⅶ。

进一步地，上述技术方案中，所述在线分析检测系统包括固定环、样品池、平板支撑体、空环、菱形传导体、柔性弯曲传感器、弹簧和托板；平板支撑体、柔性弯曲传感器和托板相互平行且一端与固定环连接，柔性弯曲传感器和托板的另一端部之间设有弹簧，平板支撑体与柔性弯曲传感器之间设有菱形传导体；柔性弯曲传感器和托板的长度相同，平板支撑体长度大于柔性弯曲传感器，在长度大于柔性弯曲传感器的平板支撑体部分设有空环，空环上放置有样品池；所述样品室内部设有支撑架，固定环套设在支撑架上使在线分析检测系统在样品室内部平行交错排列；所述样品池为由筛网编制成的挂篮形式。所述菱形传导体安装在平板支撑体与所述柔性弯曲传感器之间，起到力学传导作用；所述弹簧安装在所述柔性弯曲传感器与所述平板支撑体端处，起到缓冲保护所述柔性弯曲传感器作用。

进一步地，上述技术方案中，所述筛板包括第一筛板和第二筛板，所述第一筛板表面网孔分布面积比第二筛板大5-25％，所述第一筛板表面网孔孔径比第二筛板小5-25％。

进一步地，上述技术方案中，所述柔性弯曲传感器，由支撑平板、薄板、底托板叠成“三明治”结构，所述薄板内部镶嵌包含但不少于两条金属薄片，所述金属薄片与运放电路连接。所述底托板朝向薄板侧铺有导电涂层；所述运放电路的接线端与数控信号板连接。

进一步地，上述技术方案中，所述柔性弯曲传感器的材质包括但不限于聚酰亚胺薄膜(pi)、聚氨酯薄膜(pu)、尼龙薄膜(nylon)、聚四氟乙烯薄膜(ptfe)、聚醚醚酮(peek)、双噻唑聚合物薄膜(dabt)中的一种、两种或两种以上；所述导电涂层的材质包括但不限于炭黑、石墨、噻吩、聚苯胺、吡咯、石墨烯、氧化石墨烯、磺化石墨烯一种、两种或两种以上。

本发明一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置，所述评价装置使用温度25-95℃，试剂吸附容量评价，优选35℃，精制提纯评价，优选83℃，热风间内部的温度传感器温度为40-150℃，试剂吸附容量评价，优选62℃，精制提纯评价，优选120℃；样品室内部的温度传感器温度为25-90℃，试剂吸附容量评价，优选35℃，精制提纯评价，优选85℃；

本发明还提供了一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置的应用方法，包括以下步骤：

s1.样品准备，称取一定催化剂或吸附剂样品，记质量为mo，在马弗炉中300-550℃焙烧3-6h，放置干燥器内降温至室温，再次称取质量m1，计算失重量w0＝(m0-m1)/m0×100％，直至失重量w0不再有变化；

s2.预热处理，将步骤s1所得恒重样品放置于样品池中，每个样品池中样品量约为1-2g，然后将样品池放置于空环上，盖紧子母盖板，开启阀门ⅴ，关闭阀门ⅵ，启动真空泵，维持压力表ⅳ为-0.1～-0.09mpa，持续30-90min；开启阀门ⅱ、阀门ⅲ、单向阀ⅳ，使气体流入载气管路和热源气路，通过质量流量器ⅱ调整气体进入热风间的流量为20-30ml/min，当压力表ⅳ显示正压值时，关闭阀门ⅴ和真空泵，开启阀门ⅵ，此时开启发热线圈至40-150℃，由样品室内部的温度传感器确定样品室内部是否达到25-90℃，在25-90℃温度下预热60-120min；

s3.评价试验，温度恒定后，校正在线分析检测系统质量为0；开启恒流泵排放口，除尽液流管路中滞留空气，升温气化器至目标温度，开启阀门ⅰ、恒流泵、单向阀ⅰ、单向阀ⅲ、阀门ⅳ、单向阀ⅱ，调整质量流量器ⅰ控制载气流量为30-32ml/min，控制压力表ⅰ、压力表ⅱ、压力表ⅲ压力差为0.2-0.4mpa，维持体系进料流速为8.3-9.4ml/min；

s4.数据处理，由数控信号板获取每组柔性弯曲传感器弯曲阻值所对应输出电压值，根据测得的数据，可以获得所对应的样品的质量变化，同时获得所测催化剂或吸附剂的工作曲线，可以判断催化剂或吸附剂的吸附/脱附性能，进而可以评价不同解吸剂组成、温度、流量对不同催化剂、吸附剂的评价情况。

采用上述技术方案，可以实现以下积极效益：

本发明公开了一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置与应用方法，有效解决现有设备技术问题，将成为未来工业放大大规模生产前期阶段，大量催化剂或吸附剂性能评价，晶胞结构筛选提供一个高效快速高通量的装置与应用方法。该评价装置操作简单，在线程度高，可以同时对多组不同催化剂、吸附剂并行进行评价，预先获取吸附/脱附过程中的解吸剂组成、温度、流量等参数，还可以进一步应用于催化剂、吸附剂精制领域研究，为大规模的工业化生产前期评估提供了一种新方法。

附图说明

图1是本发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置结构示意图。

图2是本发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置中气氛吸附/脱附系统结构示意图。

图3是本发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置中在线分析检测系统结构示意图。

图4是本发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置中柔性弯曲传感器结构示意图。

图5发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置柔性弯曲传感器原理示意图。

图6发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置运放电路逻辑图。

图中，1—倒凹型盖板；2—气氛吸附/脱附系统；3—固定环；4—支撑架；5—隔热层；6—样品室；7—快捷环卡扣；8—气化管路；9—气化器；10—外螺纹；11—分散器；12—第一筛板；13—第二筛板；14—手持卡锁；15—出口管道；16—第二温度传感器；17—净化器；18—第一温度传感器；19—发热线圈；20—隔板；21—控制箱；22—进气口；23-1—压力表ⅰ；23-2—压力表ⅱ；23-3—压力表ⅲ；23-4—压力表ⅳ；24-1—阀门ⅰ；24-2—阀门ⅱ；24-3—阀门ⅲ；24-4—阀门ⅳ；24-5—阀门ⅴ；24-6—阀门ⅵ；24-7—阀门ⅶ；25—液流管路；26—载气管路；27—恒流泵；28-1—单向阀ⅰ；28-2—单向阀ⅱ；28-3—单向阀ⅲ；28-4—单向阀ⅳ；29-1—质量流量计ⅰ；29-2—质量流量计ⅱ；30—子母盖板；31—在线分析检测系统；32—样品池；33—平板支撑体；34—空环；35—菱形传导体；36—柔性弯曲传感器；37—弹簧；38—托板；39—辅助气路；40—热源气路；41—气化间；42—热风间；43—排放口；44—环形凹槽；45—内螺纹；46—凸型盖板；47—金属薄片；48—支撑平板；49—薄板；50—运放电路；51—底托板；52—导电涂层。

具体实施方式

下面结合附图以较佳实施例进行进一步描述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例1

如图1-4所示，一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置，包括气氛吸附/脱附系统2、液流管路25和载气管路26，所述气氛吸附/脱附系统2由筛板分为上、下两部分，上部分为样品室6，下部分由隔板20分割成气化间41和热风间42；

样品室6顶部设有子母盖板30，子母盖板30中心位置设有出口管道15，从出口管道15分支出两条管道，分别与真空泵和净化器17连接；样品室6内部设有平行交错排列的若干在线分析检测系统31，贯穿筛板中心位置设有分散器6，热风间42直接与全部筛板接触，气化间41内设有气化器9，气化器9顶部通过气化管路8与分散器11连接，热风间42内部设有发热线圈19，热风间42底部设有进气口22；

所述液流管路25与气化器9底部连接，所述载气管路26分支出并行的热源气路40和辅助气路39，热源气路40与进气口22连接，辅助气路39与液流管路25连接。

所述液流管路25上从进液口至气化器9底部依次设有阀门ⅰ24-1、恒流泵27、单向阀ⅰ28-1，压力表ⅰ23-1、单向阀ⅲ28-3；所述载气管路26上从进气口侧起依次设有阀门ⅱ24-2、压力表ⅱ23-2；从载气管路26的分支点起，热源气路40上依次设有阀门ⅲ24-3、压力表ⅲ23-3、质量流量计ⅱ29-2、单向阀ⅳ28-4，辅助气路39上依次设有阀门ⅳ24-4、质量流量器ⅰ29-1、单向阀ⅱ28-2；辅助气路39与液流管路25的交汇点在压力表ⅰ23-1和单向阀ⅲ28-3之间；单向阀ⅲ28-3和单向阀ⅳ28-4均位于气氛吸附/脱附系统2外部；

所述液流管路25中的液体包括甲苯、二甲苯、对二乙基苯、正戊醇、正己醇、正己烷、正庚烷、2-甲基戊烷一种、两种或两种以上；所述载气管路26中的气体包括氮气、氦气、氩气、空气中的一种、两种或两种以上；

所述恒流泵27上设有排放口43，恒流泵27的液流流速为0.01-10ml/min；所述辅助气路39由质量流量器ⅰ29-1控制与所述液流管路25汇集进入气化间41进入气化器9；所述热源气路40由载气管路26分出后，通过质量流量器ⅱ29-2调节进入热风间42；所述质量流量器ⅰ29-1流量为25-150ml/min；所述质量流量器ⅱ29-2流量为30-200ml/min。

所述气氛吸附/脱附系统2内壁镶裹隔热层5，热风间42以及样品室6内部均设有温度传感器，温度传感器与控制箱21电连接；所述发热线圈19与控制箱21电连接；所述气化器9的工作温度为25-120℃；所述发热线圈19发热温度为40-150℃；样品室6内部的工作温度为25-90℃。

所述样品室6顶端外边缘设有外螺纹10，样品室6底端通过快捷环形卡扣7与气氛吸附/脱附系统2下部分衔接，所述子母盖板30由凸型盖板46和倒凹型盖板1组成，所述凸型盖板46侧面靠近底部位置设有环形凹槽44，环形凹槽44内设有全氟o型圈，将凸型盖板46的设有全氟o型圈的环形凹槽部分插入样品室6中，使凸型盖板46与样品室6顶端内壁密封，倒凹型盖板1上设有内螺纹45，倒凹型盖板1扣合凸型盖板46，并使内螺纹45与样品室上的外螺纹10衔接固定。

所述样品室6，圆筒顶端开孔直径占总直径55-65％，开孔深度与凸型盖板46的具有最大直径的部分高度相同，且位于样品室6内部，避免凸型盖板46不易掉入样品室6底部。

所述出口管道15上设计有压力表ⅳ23-4，出口管道15与真空泵连接的管路上设有阀门ⅴ24-5，出口管道15与净化器17连接的管路上设有阀门ⅵ24-6，所述净化器17上还连有阀门ⅶ24-7。

所述在线分析检测系统31，包括固定环3、样品池32、平板支撑体33、空环34、菱形传导体35、柔性弯曲传感器36、弹簧37、托板38；平板支撑体33、柔性弯曲传感器36和托板38相互平行且一端与固定环3连接，柔性弯曲传感器36和托板38的另一端部之间设有弹簧37，平板支撑体33与柔性弯曲传感器36之间设有菱形传导体35；柔性弯曲传感器36和托板38的长度相同，平板支撑体33长度大于柔性弯曲传感器36，在长度大于柔性弯曲传感器36的平板支撑体33部分设有空环34，空环上放置有样品池32；所述样品室6内部设有支撑架4，固定环3套设在支撑架4上使在线分析检测系统31在样品室6内部平行交错排列；所述样品池32为由筛网编制成的挂篮形式。所述柔性弯曲传感器36功率范围为0.1-1w。

所述筛板包括第一筛板12、第二筛板13，所述第一筛板12表面网孔分布面积比第二筛板13大5-25％，所述第一筛板12表面网孔孔径比第二筛板13小5-25％。

所述柔性弯曲传感器36，由支撑平板48、薄板49、底托板51叠成“三明治”结构，所述薄板49内部镶嵌包含但不少于两条金属薄片47，所述金属薄片47与运放电路50连接。所述底托板51朝向薄板49侧铺有导电涂层52。所述薄板49厚度范围为0.1-1mm。

所述柔性弯曲传感器36材质包括但不限于聚酰亚胺薄膜(pi)、聚氨酯薄膜pu、尼龙薄膜(nylon)、聚四氟乙烯薄膜(ptfe)、聚醚醚酮(peek)、双噻唑聚合物薄膜(dabt)中的一种、两种或两种以上；所述导电涂层52的材质包括但不限于炭黑、石墨、噻吩、聚苯胺、吡咯、石墨烯、氧化石墨烯、磺化石墨烯一种、两种或两种以上。

所述评价装置使用温度25-95℃，第一温度传感器18温度为40-150℃，第二温度传感器16温度为25-90℃。

实施例2

一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置的应用方法，包括以下步骤：

s1.样品准备，称取一定催化剂或吸附剂样品，记质量为mo，放入马弗炉中，300-550℃焙烧3-6h，放置干燥器内降温至室温，再次称取质量m1，计算失重量w0＝(m0-m1)/m0×100％，直至失重量w0不再有变化。

s2.预热处理，将上述恒重样品分别放置于样品池中，每个样品池中样品重量为1-2g，然后将样品池放置于空环上，盖紧子母盖板，开启阀门ⅴ，关闭阀门ⅵ，启动真空泵，维持压力表ⅳ值为-0.09mpa，持续30-90min；开启阀门ⅱ、阀门ⅲ、单向阀ⅳ，使气体流入载气管路和热源气路，通过质量流量器ⅱ调整气体进入热风间的流量为30ml/min，当压力表ⅳ读数为0.2mpa时，关闭阀门ⅴ和真空泵，开启阀门ⅵ，此时开启发热线圈升温至42-110℃，由样品室内部的温度传感器确定样品室内部温度为35-65℃，预热持续60-120min。

s3.评价试验，温度恒定后，校正在线分析检测系统质量为0；开启恒流泵排放口，除尽液流管路中滞留空气，升温气化器至目标温度35-83℃，开启阀门ⅰ、单向阀ⅰ、单向阀ⅲ、阀门ⅳ、单向阀ⅱ，设定恒流泵流速为2.9-7.2ml/min,调整质量流量器ⅰ控制载气流量为30-32ml/min，由压力表ⅰ压力表ⅱ压力表ⅲ压力值差为0.2-0.4mpa，维持体系进料流速为8.3-9.4ml/min。

s4.数据处理，由数控信号板中电压采集器获取每组柔性弯曲传感器弯曲阻值所对应输出电压值，根据测得的数据，可以获得所对应的样品的质量变化，同时获得所测催化剂或吸附剂的工作曲线，可以判断催化剂或吸附剂的吸附/脱附性能，进而可以评价不同解吸剂组成、温度、流量对不同催化剂、吸附剂的评价情况。

实施例3

图5发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置柔性弯曲传感器原理示意图；图5中，当多组并行盛装1-1.2g的样品池32，由菱形传导体35将每组样品产生的质量变比，转换为重力值(w＝mg)，通过所述柔性弯曲传感器36中由支撑平板48、薄板49、底托板51构成的“三明治”结构中金属薄片47与导电涂层52发生错位，产生阻值变化，由公式(1)

y＝w(l-x)+a(1)

式中：y-弯矩信号；a-修正因子；

获取体系参数，捕捉弯矩y与弯曲变化值w，以及内部受力点位置(l，x)成正比信号。其中，弯曲w范围为0.01-1°，在式中修正因子a值范围为(-0.01，0.01)。

实施例4

图6发明的一种针对催化剂、吸附剂的高通量评价装置运放电路逻辑图；如图6所示，由于所述在线分析检测系统31，包含多组催化剂、吸附剂高通量并行在线检测，因此采用运算放大器电路，由数控信号板控制，逻辑计算式(2)如下；

式中，n＝1，2，3，…；

当每组样品质量在线显示系统，给定相同vref-n值，补偿电阻rn，其阻值范围为10-100kω，

通过数控信号板中的电压采集卡获取每组vout-n变化，获取电路系统中y-弯矩信号(阻值)，对应柔性弯曲传感器36中薄板49弯曲变化，进而实时记录催化剂、吸附剂质量变化曲线。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。