一種微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公布了一種微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀，屬于化學(xué)分析測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。該微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀能夠準(zhǔn)確控制反應(yīng)開始時(shí)間及反應(yīng)進(jìn)程，并通過(guò)綜合分析確定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及催化劑失活原因，特別適用于需要在線氣相切換、混合及液相組成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)且關(guān)鍵產(chǎn)物為液相的氣液固三相反應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002]化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)是探討反應(yīng)機(jī)理的重要數(shù)據(jù)，包含化學(xué)反應(yīng)速率，也包含反應(yīng)過(guò)程中對(duì)反應(yīng)速率有影響的各內(nèi)外因素(反應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、溫度、壓力、催化劑、輻射等)，而現(xiàn)有反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常用研究方法為經(jīng)典化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究方法，它是從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)濃度與時(shí)間的關(guān)系出發(fā)，經(jīng)過(guò)分析獲得某些反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
[0003]熱重分析法(TG或TGA)是一種常用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定方法，它是指在程序控制溫度下測(cè)量待測(cè)樣品的質(zhì)量與溫度變化關(guān)系的一種熱分析技術(shù)，用來(lái)研究材料的熱穩(wěn)定性和組份，它要求將所要測(cè)量的固體或液體樣品事先放入反應(yīng)池中，由氣體向裝于反應(yīng)池中靜止的固、液反應(yīng)物進(jìn)行物質(zhì)和能量傳遞，熱量傳遞分別以擴(kuò)散和傳導(dǎo)為主，而實(shí)際反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)由于通常發(fā)生于固體運(yùn)動(dòng)或液體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因而存在表面更新等其他性質(zhì)及傳熱途徑，這使得此種方法測(cè)定的反應(yīng)速率通常與實(shí)際反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)速率相差很大。
[0004]為了準(zhǔn)確測(cè)定反應(yīng)速率，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所的許光文等研制出氣固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)儀(CN200610171515.3)，采用流化床反應(yīng)器，而流化床反應(yīng)器能真正模擬和再現(xiàn)實(shí)際固體物料反應(yīng)器中發(fā)生的氣固作用及相應(yīng)的傳熱、傳質(zhì)和擴(kuò)散過(guò)程，具有最好的可靠性和實(shí)用性，而采用此種反應(yīng)器的氣固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)儀則有助于分析反應(yīng)速度、反應(yīng)時(shí)間，并綜合分析反應(yīng)活化能等反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，彌補(bǔ)熱重分析法的不足，但此種氣固反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)儀特別適用于要求在線固態(tài)反應(yīng)物添加且關(guān)鍵產(chǎn)物為氣體的氣固反應(yīng)，對(duì)于氣液固三相反應(yīng)或氣液反應(yīng)且關(guān)鍵產(chǎn)物為液體的反應(yīng)則無(wú)能為力。而作為分析儀最為重要的流化床反應(yīng)器，現(xiàn)有氣液固三相反應(yīng)器通常不是真正的微分反應(yīng)器，且沒(méi)有配套的良好的氣體預(yù)熱裝置，導(dǎo)致通入氣體比反應(yīng)溫度低，使得該類反應(yīng)器中存在的氣體混合、擴(kuò)散、反應(yīng)等過(guò)程必將給測(cè)量快速反應(yīng)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)帶來(lái)巨大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀，能為氣相進(jìn)行充分預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)等溫微分，在線控制氣相的切換和混合，并控制反應(yīng)開始時(shí)間及反應(yīng)進(jìn)程，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中液相組成變化情況及生成氣體的組成，測(cè)試氣液固三相反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)及反應(yīng)中催化劑失活原因和失活機(jī)理。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀，包括:
[0008]由控制系統(tǒng)(10)控制的電熱爐(6)；
[0009]位于電熱爐￠)內(nèi)的回型氣體預(yù)熱管(5)及與其連接的帶有安全閥的氣體緩沖瓶
(3)；
[0010]所述的回型氣體預(yù)熱管(5)分別連接(I) (2)兩個(gè)氣體流量控制器；
[0011]與氣體緩沖瓶(3)相連的帶有氣體分布器(12)及多層階梯砂板(11)的微型反應(yīng)器⑷；
[0012]所述微型反應(yīng)器(4)連接用于監(jiān)測(cè)液相組成變化的原位紅外裝置及溫度控制裝置；
[0013]依次與微型反應(yīng)器(4)出口相連的冷凝裝置(8)及氣體過(guò)濾裝置(7)，數(shù)據(jù)采集器
(10)和與數(shù)據(jù)采集器(10)相連的計(jì)算機(jī)(9)；
[0014]氣、液檢測(cè)裝置與溫度、壓力控制裝置分別連接計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采入端(10);計(jì)算機(jī)(9)通過(guò)兩個(gè)氣體流量控制器(I) (2)對(duì)通入的氣體進(jìn)行切換及流量控制，并對(duì)原位紅外及氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)溫度、時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
[0015]所述回形預(yù)熱管(5)為石英或金屬所制作，中間填充帶孔隙石棉層，分別連接(I)
(2)兩個(gè)氣體流量控制器，內(nèi)徑為3-6mm,長(zhǎng)為30_50cm,回型預(yù)熱管固定于電熱爐(6)內(nèi)壁兩側(cè)。
[0016]所述氣體緩沖瓶(3)帶有安全閥，為整個(gè)裝置提供保護(hù)。
[0017]所述微型反應(yīng)器(4)為石英或金屬所制作，內(nèi)徑為2-3cm，下部帶有氣體分布器
(12)，上部帶有階梯砂板(11)，兩層砂板間距離為7-12cm，且上層砂板孔徑較下層砂板大，微型反應(yīng)器(4)連接原位紅外測(cè)試裝置。
[0018]所述氣體分布器(12)由以帶有細(xì)小孔徑的砂板制作，砂板規(guī)格為G1-G3。
[0019]所述多層階梯砂板(11)由以帶有細(xì)小孔徑的砂板制作，規(guī)格為G1-G2，各層砂板為帶有缺口的不完全覆蓋砂板，缺口方向相反，各層砂板間距離為0.5-1.5cm,以防止顆粒逃逸。
[0020]所述的兩種氣體流量控制器(I) (2)通過(guò)計(jì)算機(jī)(9)進(jìn)行控制切換，并各自連接回型預(yù)熱管，可為反應(yīng)提供定量恒溫的單一氣體或混合氣體，并在瞬間完成切換，控制反應(yīng)開始時(shí)間及進(jìn)程。
[0021]所述的冷凝裝置(8)填充液氮進(jìn)行冷凝。
[0022]所述的計(jì)算機(jī)(9)能實(shí)時(shí)對(duì)氣體進(jìn)行切換及流量控制，記錄反應(yīng)開始時(shí)間，結(jié)合氣、液檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析。
[0023]通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行氣體切換及混合使的氣相組分的控制變的快速且準(zhǔn)確，特殊結(jié)構(gòu)的氣體預(yù)熱管既節(jié)省空間又能使氣體充分預(yù)熱，使反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)等溫微分，有利于反應(yīng)快速高效進(jìn)行，特殊結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器既能提高氣體分散效果又能防止顆粒溢出并能使反應(yīng)液成功回流，原位紅外在線監(jiān)測(cè)液相中組份變化，結(jié)合生成氣體的組份變化可測(cè)試氣液固三相反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)及反應(yīng)中催化劑失活原因和積炭失活機(jī)理。
[0024]所述微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀各主要構(gòu)件之間的連接和位置關(guān)系為:回型氣體預(yù)熱管(5)、氣體緩沖瓶(3)與帶有氣體分布器(12)及多層階梯砂板
(11)的微型反應(yīng)器(4)被放置于電熱爐(6)內(nèi)部。微型反應(yīng)器(4)左端連接用于檢測(cè)液體中組成變化的原位紅外裝置，右端連接帶有熱電偶、壓力傳感器的溫度、壓力控制裝置，下端連接氣體緩沖瓶(3)，上端連接液氮冷凝裝置(8)。經(jīng)液氮冷凝裝置(8)冷凝及氣體過(guò)濾裝置(7)過(guò)濾后的氣體流入氣體檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)，氣、液檢測(cè)裝置與溫度、壓力控制裝置分別連接計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采入端(10)，并由與其相連的計(jì)算機(jī)(9)進(jìn)行分析和處理。
[0025]所述微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀的基本操作過(guò)程是:通過(guò)計(jì)算機(jī)
(9)進(jìn)行操控切換兩種氣體流量控制器(I) (2)來(lái)提供氣體，并確保提供的氣體在此條件下不與其它兩相發(fā)生反應(yīng)，氣體流量根據(jù)反應(yīng)器(4)內(nèi)情況定量供給，冷凝裝置(8)填充液氮，取液相反應(yīng)物10-50mL加入反應(yīng)器(4),并加入適量固相,將反應(yīng)器(4)放入電熱爐(6)內(nèi)并關(guān)閉爐門，等待液相升溫完成后，通過(guò)計(jì)算機(jī)(9)進(jìn)行操控切換氣體，通入反應(yīng)氣體，并同時(shí)記錄切換氣體時(shí)間，以便對(duì)應(yīng)原位紅外數(shù)據(jù)及氣體檢測(cè)器數(shù)據(jù)。
[0026]所述微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀的工作原理及數(shù)據(jù)處理方法是:由于在反應(yīng)設(shè)定溫度時(shí)，反應(yīng)器(4)中的液體與固體處于穩(wěn)定流化狀態(tài)，因此當(dāng)氣體被切換成反應(yīng)氣體的瞬間，獨(dú)特回形預(yù)熱管(5)能快速為反應(yīng)提供達(dá)到預(yù)熱溫度的反應(yīng)氣體，流化床良好的傳熱、傳質(zhì)性能使反應(yīng)快速高效進(jìn)行，并使得所生成的液體產(chǎn)物在液相中均勻分散，原位紅外探頭能靈敏準(zhǔn)確的測(cè)試液相內(nèi)反應(yīng)物與產(chǎn)物濃度，同時(shí)，經(jīng)冷凝裝置(8)冷凝的氣體由氣體檢測(cè)裝置檢測(cè)，這樣根據(jù)各種組成物質(zhì)的濃度變化可以很容易確定該反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速度，并進(jìn)一步根據(jù)Arrhenus方程計(jì)算出反應(yīng)的活化能等反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)等溫微分的效果，能測(cè)試氣液固三相反應(yīng)且關(guān)鍵產(chǎn)物為液相的反應(yīng)在線控制氣相的切換和混合，并控制反應(yīng)開始時(shí)間及反應(yīng)進(jìn)程，從而分析其反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)參數(shù)及反應(yīng)中催化劑失活原因和積炭失活機(jī)理。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本發(fā)明一種微型氣液固三相漿態(tài)床等溫微分反應(yīng)分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]其中1、2是兩個(gè)氣體流量控制器，3是氣體緩沖瓶，4是微型反應(yīng)器，5是回形預(yù)熱管，6是加熱爐，7是氣體過(guò)濾裝置，8是壓力控制裝置，9是計(jì)