催化剂在清洁能源的开发与利用，环境保护与提高经济效益以及人类的生存环境的治理 与保护都有极大的发展前景。苯系物的非均相加氢技术，具有安全、碳原子利用率高、加 氢-脱氢可逆性好等特点，在氢能储备、手性化合物开发、环烯烃制备等领域有重要应用。 非均相催化加氢，及其工业反应器的放大，除需要化学反应的本征动力学外，还需要有关反 应体系的传质数据，以确定工业装置中反应过程的速率控制步骤，为选择最佳操作条件及工 业反应器设计提供重要信息，还为催化剂的改进提供依据。
北京中惠普分析技术研究所旨在让学生了解气固两相催化反应器的原理、结构、操作，通过测定催化剂颗粒 内扩散有效因子，掌握催化剂装填、活化和评价的方法，重点在于开拓学生的学术视野，锻炼学生的实验设计和实验操作的能力。实验设计学时数为 12 学时，实验内容丰富饱满，结合了数理统计、化学反应工程、分析化学和化工原理等化工基础学科的理论知识，设定了气 相色谱等仪器操作，增大了实验结果的处理和分析难度。我司设备处和化工学院的支持下不断改进，已顺利开展多年，为化工专业学生提供了良好的实验学习平台。
实验部分
实验仪器及试剂
乙苯加氢非均相催化综合实验装置，包 括：气固催化反应器，控制面板，触控屏，稳压阀，加热器，压力表，氢气报警器；可调式 真空吸液泵（FL2200 HPLC Pump，浙江福立分析仪器股份有限公司）；高纯氢气发生器（
SPH-300， 北京中惠普分析技术研究所）；燃气分析气相色谱仪（SC-3000B，重庆川仪自动化股份有限 公司）。分析纯乙基苯（成都科隆化学品有限公司）、高纯氢气。
实验具体操作如下：
1.准确称取 2g 12 目（或 6 目）的催化剂，并量出该催化剂的体积，记为 Vpml；在称取 20g 相同目数的瓷粒子，然后混合均匀，并用量筒量取其体积，将其装入反应管中，记录床 层高度和床层位置。再将反应器固定在反应加热炉中，通气体进行试漏，直至不漏。
2.催化剂活化。催化剂床层温度以 25 /h ℃ 的升温速率从室温升到 180℃，控制合适的氢 实验科学与技术 3 气流量（300mL/min 左右）通入反应器。在 180℃恒温 2h，然后以 25 /h ℃ 的降温速率降温， 到 50℃以下时关闭气源和电源。
3.计量泵乙苯流量的标定。
4.打开氢气发生器，开启气相色谱仪，分析条件为：柱室 80℃，进样器 150℃，桥 流 150MA，柱前压力 0.15MPa。
5.打开氢气发生器，调节稳压阀，控制合适的氢气流量（400mL/min 左右），通入 反应器，目的是使床层温度升高时使床层温度均匀，同时氢气又是反应原料气。
6.开启电源开关，设置好预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别为 180℃、 180℃、180℃左右。
7.调节预热器和反应器加热炉上、中、下三段的电流给定旋钮，预热器电流不超过 1A， 反应器加热炉上、中、下段不超过 2A，电流表有电流指示表明已开始加热。
8.待预热器和反应器加热炉上、中、下三段的温度分别达到设定温度时，开启计量泵， 苯的流量根据停留时间的要求控制在某一适当的流量（苯的流量可控制在 0.2~1g/min），并 基于苯和氢气的进料摩尔比 1:6 调节氢气的流量。
9.乙苯在预热器气化并与氢气混合后进入催化剂床层发生反应。由于是放热反应，反应 器加热炉上、中、下三段的温度均会升高，待操作一段时间，温度稳定后，拉动床层测温热 电偶，检测整个床层的温度是否均匀分布在 180℃左右。否则需要对加热炉终端给定温度稍 作调整。
10.当反应器床层温度达到所要求的温度，且加热炉上、中、下三段的温度均稳定不变 时，用 2mL 玻璃注射器对反应器出口气体进行取样，注入到色谱仪中进行热导分析，得到 反应器出口气体的组成结果。
11.改变乙苯进料流量，同时相应改变氢气进料流量，保持乙苯和氢气的进料摩尔配比 不变，仍为 1:6。重复实验步骤 9~10。
12.共进行了 5 个流量后结束实验。关闭乙苯计量泵，关闭加热电源。继续通入氢气， 待床层温度降至 100℃以下关闭氢气钢瓶，以防止温度过高造成的催化剂失活。
结果与分析
实验原始数据记录包括催化剂填料规格、加热炉分段温度、原始数据处理表等内容。催 化剂填料规格一览表如表 1 所示。选取 2g 的 12 目催化剂，按体积稀释比 1:1 装料，整个床 层的高度为 4cm。加热炉分段温度如表 2 所示，基于乙苯和氢气的进料摩尔比 1:6 调节氢气 流量范围为 60~400mL/min，反应器温度稳定在 178.6~178.9℃之间。通过气相色谱检测出口 苯含量。
在反应过程中内扩散效应也并不明显，而偶数组对应的 6 目催化剂，内扩散有效因子相 对较小，在 0.88~0.91 之间，说明随着催化剂粒径的增大，内扩散效应变得更加明显。同学 们通过对比不同目数的催化剂对内扩散有效因子的影响，可以通过采用大目数催化剂颗粒， 消除内扩散，从而测定催化反应本征动力学参数。上述 10 组学生实验所测定的内扩散有效 因子虽然存在一定误差，但除了个别数据波动较大以外，均在可控范围浮动。因此，实验结 果表明，通过上述一系列实验操作及气相色谱仪的分析，可以实验测得内扩散有效因子，且实验结果重复性较好。
结束语
乙苯加氢非均相催化综合实验基于四川大学化工学院“立足基础，面向工业”的培养要 求，将气固两相催化反应器用于化工类本科生实验教学，让学生了解气固两相催化反应器的 原理、结构、操作，通过测定催化剂颗粒内扩散有效因子，掌握催化剂装填、活化和评价的 方法，重点在于开拓学生的学术视野，锻炼学生的实验设计和实验操作的能力。实现催化剂 装填、活化和评价的综合实验教学目的。实验所测定的内扩散有效因子虽然存在一定误差， 但在可控范围浮动，实验结果重复性较好。实验通过学习小组形式开展，分工协作，独立完 成实验报告。不同催化剂类型的多组学生共享实验数据，撰写实验报告，从而对气固催化反 应过程有更为全面的认识。实验内容丰富饱满，设定了气相色谱等仪器操作，增大了实验结 果的处理和分析难度，培养了学生分析判断、逻辑推理、数据归纳与总结的能力，进而实现 综合创新能力的培养和提升。
