原位反应装置及其应用

本发明涉及原位光谱表征，尤其是一种原位反应装置及其应用。

背景技术：

1、随着原位表征手段的不断发展，目前实验室反应器评价的后续步骤常涉及高温高压工况下成型颗粒和粉末催化剂、及热解气化过程中生物质成型颗粒的原位光谱表征，这对传统的原位光谱表征装置提出了不小的挑战。传统原位光谱反应池主要针对粉末样品，难以满足对成型颗粒催化剂以及热解气化过程中生物质成型颗粒的精准表征需求。并且，当前的反应室难以稳固固定形状各异的成型颗粒，也难以模拟实验室反应器内待分析固体的堆积情况。

2、因此，为实现不同类型催化剂成型颗粒、催化剂粉末和热解气化过程中生物质成型颗粒的准确表征，亟需开发一种适用于多种原位光谱表征、可应对成型颗粒及催化剂粉末且能适应高温高压工况的新型反应池，已成为当前原位表征研究领域的迫切需求，对推动该领域技术发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中难以对待分析固体进行精准地原位光谱表征，也难以模拟反应器内待分析固体的堆积情况的缺陷，而提供了一种原位反应装置及其应用。该装置能在高温高压的环境下，可对不同待分析固体（如：成型颗粒、粉末等）进行各种原位光谱表征，确保了该装置的通用性；具体地，基于原料的形态为成型颗粒，可使本技术的装置内部处于掠过流模式，模拟真实反应器场景中内、外扩散因素共存的装填；基于原料的形态为粉末，优选在出气口加装不锈钢网或石英棉，可使本技术的装置内部处于活塞流模式，有效减小外扩散阻力；另外，该装置的内部的反应室死体积较小，动力学响应快，可减小反应物/产物在反应室内的平均停留时间，优化了反应效率与测试灵敏度，有利于反应进行与表征结果获取，避免因大量死区而导致的气相流体路径紊乱，从而影响反应的进行以及表征结果的获取；因此，能在分子水平上得到更接近反应气氛下的结构信息，为催化剂开发设计提供重要信息以及为生物质成型颗粒热解气化过程中参数的优化提供重要依据。

2、本发明通过以下技术方案来解决上述技术问题：

3、本发明提供了一种原位反应装置，其包括腔体、穹顶主体、进气管道和出气管道；

4、所述腔体呈管状结构，所述腔体的一端开口、另一端封闭；所述腔体的封闭端贯通开设有出气口；

5、所述腔体的外壁面的截面呈类圆形；所述腔体的内壁面包括至少3个弧面，各所述弧面的凸部朝向所述腔体的中轴线设置，且各所述弧面的非弧形边相互连接，形成内部中空的环形结构，所述环形结构的中空部用于导通气体以及放置样品；在所述腔体的横截面上，所述腔体的内壁面的内接圆直径大于等于所述出气口的直径；

6、所述穹顶主体包括密封端、中空部和开口端；所述穹顶主体的开口端与所述腔体的开口端贴合，形成所述穹顶主体的中空部与所述环型结构的中空部相互连通的结构；所述穹顶主体的密封端的开口嵌设有窗片，所述窗片用于使光线穿透并进入所述腔体中；

7、所述出气管道与所述出气口连接；所述腔体的侧壁面沿竖直方向开设有进气通道，所述进气通道的一端位于所述腔体的开口端表面，另一端与所述进气管道相连。

8、在本发明中，各所述弧面的非弧形边相互连接，是指“在所述腔体的任一横截面上，各弧形的两个端点相互连接”。

9、在本发明中，各所述弧面组合形成所述腔体的内壁面；所述弧面的数量和弧度可根据实际需求确定。

10、在本发明中，根据上述的结构限定，本领域技术人员应当知道，腔体外径大于所述腔体的内壁面的外接圆直径，所述腔体的内壁面的外接圆直径大于所述腔体的内壁面的内接圆直径。

11、在本发明中，所述穹顶主体的中空部与所述环形结构的中空部相互连通的区域可被称为“原位反应室”，形成一封闭结构。

12、在一些实施方式中，所述弧面的数量为3-6个，较佳地为3个或6个。

13、在一些实施方式中，各所述弧面的弧形边的弧度小于等于120°，较佳地为60°、90°或120°。

14、在一些实施方式中，每个所述弧面的两条弧形边的长度相同。

15、在一些实施方式中，每个所述弧面的弧形边的弧度相同。

16、其中，所述弧度是指，弧长等于圆半径的弧所对应的圆心角。

17、在一些实施方式中，各所述弧面的弧形边的长度均相同。

18、在一些实施方式中，各所述弧面的弧形边的弧度相同。

19、在本发明中，本领域技术人员应当知道，所述腔体的高度和直径不超过原位光谱仪中样品放置区域的实际尺寸。

20、在一些实施方式中，所述原位反应装置的底部设有加热元件；较佳地，所述原位反应装置的底部设有两个圆筒状空腔，所述加热元件包括两个加热棒，各所述加热棒分别设于所述圆筒状空腔中。

21、在具体实施方式中，所述圆筒状空腔的侧壁面开设有螺口，用于使螺栓穿过所述螺口并抵接所述加热棒，达到紧固加热棒的效果；螺栓与竖直方向的夹角可为45°。

22、在一些实施方式中，所述原位反应装置的内部设有测温元件；较佳地，所述测温元件为热电偶，所述热电偶经过所述出气口设于所述腔体的内部。

23、在具体实施方式中，所述热电偶插入腔体的内部的深度能够根据实际测试需求进行调整，从而实现实时监测原位反应装置中样品的床层温度。

24、在具体的实施方式中，所述加热元件和所述测温元件均与dcs温控系统连接，用于精准控制原位反应装置中样品的床层温度，为反应提供温度且精确的温度环境；其中，dcs温控系统为本领域常规的温控系统。

25、在一些实施方式中，所述原位反应装置还包括接头，所述接头的一端与所述出气口连接，另一端与所述出气管道连接。

26、其中，本领域技术人员可根据出气口与出气管道的尺寸，选择接头的形状；较佳地，所述接头呈内部中空的圆台状；圆台顶面的直径大于圆台底面的直径，所述圆台顶面与出气口连接，所述圆台底面与出气管道连接。

27、在本发明中，所述穹顶主体的结构设计能够满足相应光谱测试对光线聚焦、散射以及密封性能等方面的要求，适用范围广。

28、在一些实施方式中，所述窗片的外围环设有第一密封圈。

29、其中，较佳地，所述窗片和所述第一密封圈可拆卸式地嵌设于所述穹顶主体的密封端的开口，并通过密封件固定。

30、其中，所述第一密封圈的材质可为橡胶，所述密封圈的形状可为o型。

31、在一些实施方式中，所述环形结构的内部设有网片，所述网片设于所述出气口的正上方；可用于待分析固体为粉末的测试。

32、在某一实施例中，所述网片的材质为不锈钢，以适应不同样品的测试环境。

33、在某一实施例中，所述网片的材质为石英棉。

34、在本发明中，对原位反应装置、进气管道和出气管道选用适宜的材质能保障原位反应装置具备足够的机械强度、良好的热应力稳定性及可靠性，保证了原位反应装置能在高温高压的条件下测试；若材质选择不当，在长时间测试中易出现漏气、结构变形等问题，严重影响测试结果准确性。

35、在本发明中，较佳地，所述窗片的材质为石英、溴化钾、硒化锌或氟化钙；当使用石英材质的窗片时，其具有良好的透过性且化学稳定性高；当使用溴化钾、硒化锌或氟化钙材质的窗片时，其在红外波段具有合适的光学特性。

36、在本发明中，较佳地，所述进气管道的材质为哈氏合金，用于将外部气体导入原位反应装置中。

37、在本发明中，较佳地，所述出气管道的材质为哈氏合金，用于反应后的气体产物从原位反应装置中导出，连接气相色谱或质谱可实现结构-性能的动态现场原位（operando）跟踪。

38、在本发明中，所述原位反应装置的材质可为哈氏合金、铝合金或316不锈钢中的一种或多种，这些特定的材质相互配合，协同原位反应池的结构设计，能够实现从常温常压到高温高压范围的多种原位光谱表征。

39、其中，较佳地，所述腔体和穹顶主体的材质均为铝合金或316不锈钢，这两种材质具备良好的传热性能，能够快速实现热量的传递和平衡，具有出色的力学性能，保证反应池的结构强度，同时易于加工成型。

40、在一些实施方式中，所述原位反应装置还包括底座，所述冷却元件设于所述原位反应装置的下方；较佳地，所述底座上开设有安装槽和冷却介质通道，所述安装槽的形状与所述原位反应装置的底部的形状一致。

41、其中，所述安装槽的设计不仅为原位反应装置的精确安装提供了便利，还有利于提高原位反应室的散热能力。

42、其中，所述冷却介质通道可为冷却水通道，其与外部循环冷却水系统相连通，通过调节冷却水流量，可有效控制样品床层温度，确保反应池在高温高压工况下维持稳定的温度环境，以满足原位光谱表征测试需求，保障测试结果的准确性与可靠性。

43、在一些实施方式中，所述原位反应装置还包括一个圆形平台，所述圆形平台的中心开设有定位槽，所述腔体嵌设于所述定位槽中。

44、其中，较佳地，所述圆形平台的外缘沿竖直方向设有壁面，所述穹顶主体的外缘设有第二密封圈，并与所述壁面的内侧贴合。

45、在一些实施方式中，所述原位反应装置还包括固定元件。

46、在具体的实施方式中，所述固定元件包括固定板，所述固定板设于所述原位反应装置的上方，所述固定板与所述底座螺接，用于将所述原位反应装置固定于所述底座上。

47、在某一实施例中，所述穹顶主体开设有螺孔，螺栓依次穿过固定板、穹顶主体，并最终固定在底座的定位孔中。

48、在某一实施例中，所述固定板的数量为至少两个，所述固定板的内沿与所述穹顶主体的外延相吻合。

49、其中，较佳地，所述固定板的材质为铝合金或316不锈钢，这两种材质具备良好的传热性能，能够快速实现热量的传递和平衡，具有出色的力学性能，保证反应池的结构强度，同时易于加工成型。

50、在本发明中，通过上述设置，可使原位反应装置形成密封的气室。

51、在一些实施方式中，所述环形结构的中空部盛放有待分析固体，所述待分析固体包括成型颗粒或粉末。

52、其中，所述成型颗粒可包括生物质颗粒或催化剂颗粒；该生物质颗粒一般作为反应物。

53、在本发明中，当待分析固体为成型颗粒（即热解气化过程中生物质成型颗粒和成型颗粒催化剂）时，原位反应室（穹顶主体的中空部与环形结构的中空部相互连通的区域）处于掠过流模式，此时气体反应物通过进气管道进入原位反应室后，在原位反应室内沿着呈内凸状弧形的环形结构与成型颗粒样品之间的空隙、以及成型颗粒自身的孔隙形成复杂的流动路径，模拟真实反应器场景中的内、外扩散因素共存的状态。

54、其中，所述粉末可包括催化剂粉末。

55、在本发明中，当待分析固体为粉末催化剂时，可切换至活塞流模式，气体反应物主要以较为均匀的流态垂直穿过粉末催化剂层，有效减小外扩散阻力。

56、本发明还提供了一种如上所述的原位反应装置在原位光谱分析方法中的应用。

57、在一些实施方式中，所述原位光谱分析方法的原位光谱可根据不同原位光谱表征场景进行替换；优选地包括拉曼光谱、红外光谱或紫外光谱；适用范围广。

58、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

59、本发明所用试剂和原料均市售可得。

60、本发明的积极进步效果在于：

61、（1）本发明的装置能在高温高压的环境下，可对不同待分析固体进行各种原位光谱表征；具体地，可适用于成型颗粒的掠过流模式，通过内部结构与气体流道，能模拟模仿真实反应器场景中的内、外扩散因素共存的状态；也可适用于粉末催化剂的活塞流模式能减小外扩散阻力，这种切换功能弥补了传统原位池只能单一测试尺度样品的缺陷，极大地拓宽了可测试样品尺度的范围，确保了该装置的通用性，满足了多样化的研究需求。

62、（2）本发明的装置具有低的死体积，通过内凸弧形结构的设计，能对气流起到引导作用，减少了气体在反应室内的滞留区域，优化了原位反应装置中气相流动路径，有效降低气体的平均停留时间，气体能够更快速、高效地在反应室内循环和与样品接触，动力学响应快，优化反应效率与测试灵敏度，从而提高原位反应装置的时间分辨度，还能尽可能地还原成型颗粒及粉末在真实反应条件下的场景。

63、（3）该原位反应装置可适用于拉曼、红外和紫外光谱仪上的原位表征，只需简单更换原位池穹顶组件，无需对反应池其他部件进行复杂改造，操作简便。这一特性使其可以据实验需求切换光谱仪，轻松实现多类型光谱表征，大大拓展了原位池的应用场景，为多维度研究催化剂性能和生物质颗粒气化提供了有力支持。