一种压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置

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1.本发明涉及多相催化反应动力学领域，特别是涉及一种压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置。


背景技术：

2.化学工业生产中近90％的化学反应为非均相催化反应，研究催化反应的机理与动力学是探究催化剂结构与性能关系的基础，对设计高活性、高选择性、高稳定性催化剂具有重要的理论与实际意义。
3.稳态同位素瞬变动力学分析(steady state isotopic transient kinetic analysis,ssitka)可获得不同反应物种在催化剂表面的覆盖度、基元反应步骤等信息，进而获取非均相催化剂表面的反应机理及动力学信息，是研究非均相催化反应动力学的有效方法，在多相催化反应动力学研究中具有不可替代的作用。稳态同位素瞬变动力学反应器为非标反应器，多为科研单位自主设计、装配与使用，商业化产品只有美国ami公司提供的稳态同位素化学吸附仪。现有的装置普遍存在以下两个问题：(1)反应器系统通常在常压下操作，反应系统压力不可调；(2)反应器的响应时间较长，在反应气体流量在50ml/min的条件下，反应器相应时间通常在4～20s。反应器常压操作、压力不可调限制了ssitka反应器应用范围；响应时间较长导致同位素切换响应信号传递慢，影响表面物种与反应信息的真实性。因此，非常有必要开发出一种压力可调、快速响应的稳态同位素瞬变反应装置。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置。
5.本发明的技术方案如下：
6.所述压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置，包括：气体进气管、同位素进气管、反应器进气管、气动四通阀、变径反应器、背压阀a、背压阀b、三通、排气管和质谱仪；
7.所述气体进气管与同位素进气管分别连接所述气动四通阀的两个入口，所述气动四通阀的一个出口经过所述背压阀a连接所述排气管，另一个出口连接所述反应器进气管；所述变径反应器的管腔内部沿气体流经方向依次设有催化剂床层、毛细管和无缝管a，所述毛细管的一端伸入催化剂床层底部，另一端连接所述无缝管a，所述无缝管a由所述变径反应器后端伸出并通过所述三通连接所述质谱仪(进气口)；所述三通的另一接口通过无缝管b接入所述排气管，所述无缝管b的管路上设有背压阀b；所述毛细管和无缝管a的外周面与所述变径反应器的内腔壁间具有环形空隙；所述反应器进气管由所述变径反应器的前端伸入并延伸至所述催化剂床层上端；位于所述变径反应器管腔内的所述反应器进气管的外周设有衬管。
8.进一步地，所述变径反应器的两端均连接变径接头；相应地，所述反应器进气管穿过变径反应器前端的变径接头，所述无缝管a穿过变径反应器后端的变径接头。
9.本发明有益效果：
10.1)在变径反应器内部，通过在催化剂床层前端加设衬管减小床层前端死体积，同时减小催化剂床层后端死体积；通过将毛细管直接连接至催化剂床层底部，最大程度降低了催化剂床层与在线质谱间的死体积，大幅缩短了反应器响应时间。
11.2)毛细管和无缝管a的外周面与变径反应器内腔壁间具有环形空隙，通过背压阀环隙气体定压，能够使反应器压力在一定范围内可调控，实现了ssitka反应器的压力可调、快速响应，在线质谱能够迅速测量同位素切换前后反应物与产物的响应信号，为反应机理及动力学分析提供可靠的实验数据。
附图说明：
12.图1是本发明压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置的u型管变径反应器结构示意图；
13.图2是本发明压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置的直管变径反应器结构示意图；
14.图3为使用本发明设计的反应器，在0.3mpa、常温下，25ml/min高纯d2切换为25ml/min高纯h2的质谱响应曲线，质谱响应时间为2s；
15.图4为使用无衬管且催化剂床层底部无毛细管连接的反应器，相同条件下，25ml/min高纯d2切换为25ml/min高纯h2的质谱响应曲线，质谱响应时间为8s；
16.图5为使用本发明设计的反应器，在0.03mpa、常温下，25ml/min高纯ar切换为25ml/min高纯he的质谱响应曲线，质谱响应时间为2s；
17.图6为使用无衬管且催化剂床层底部无毛细管连接的反应器，相同条件下，25ml/min高纯ar切换为25ml/min高纯he的质谱响应曲线，质谱响应时间6s。
具体实施方式：
18.下面结合附图对本发明技术方案进行具体描述。其中，图1和图2分别对应本发明装置的变径反应器为u型管和直管时的结构示意图。
19.实施例1
20.如图1及图2所示，本发明压力可调的稳态同位素瞬变快速响应反应装置，包括：气体进气管1、同位素进气管2、气动四通阀3、变径反应器4、反应器进气管5、三通9、背压阀a10、排气管16和质谱仪17；
21.所述气体进气管1与同位素进气管2分别连接所述气动四通阀3的两个入口，所述气动四通阀3的一个出口经过所述背压阀a10连接所述排气管15，另一个出口连接所述反应器进气管5；所述变径反应器4的管腔内部沿气体流经方向依次设有催化剂床层7、毛细管8和无缝管a12，所述毛细管8的一端伸入催化剂床层7底部，另一端连接所述无缝管a12，所述无缝管a12由所述变径反应器4后端伸出并通过所述三通9连接所述质谱仪17(进气口)；所述三通9的另一接口通过无缝管b14接入所述排气管16，所述无缝管b14的管路上设有背压阀b15；所述毛细管8和无缝管a12的外周面与所述变径反应器4的内腔壁间具有环形空隙13；所述反应器进气管5由所述变径反应器4的前端伸入并延伸至所述催化剂床层7上端；位于所述变径反应器4管腔内的所述反应器进气管5的外周设有衬管6。
22.进一步地，所述变径反应器4的两端均连接变径接头11；相应地，所述反应器进气管5穿过变径反应器4前端的变径接头11，所述无缝管a12穿过变径反应器4后端的变径接头11。
23.所述气体进气管1、同位素进气管2、反应器进气管5、无缝管a12以及无缝管b14均选择无缝钢管，优选为外径1/16英寸的无缝钢管。所述气动四通阀3为valco气动四通阀；所述毛细管8内径为0.005mm-0.1mm的石英毛细管；所述变径接头11优选3mm变8mm和/或3mm变6mm。
24.本发明的工作过程：当反应器被加热到工作温度后，反应气体进气体进气管1，同位素标记气体进同位素进气管2，两者流量相同；气体经过气动四通阀3进入变径反应器4，再经被衬管6环绕的反应器进气管5进入催化剂床层7，发生催化反应后由床层底部的毛细管8进入在线质谱进行产物分析。大部分气体经变径反应器4与毛细管8、无缝管a12间的环形空隙13经背压阀排出，通过调节背压阀控制反应器内的压力。待反应器工作稳定后，在四通阀两端压力相等的情况下，同位素标记气体经气动四通阀3切换进入变径反应器4，在催化剂床层7反应后经毛细管8进入在线质谱进行同位素标记产物分析。
25.本发明通过变径反应器及其内部的衬管结构设计降低了反应器死体积；毛细管与反应器后端内管之间具有环形空隙，为环隙平行排气，环形空隙通过管路连接背压阀，可在一定范围内调节反应器内部压力，同时避免了在线质谱进气压力过高导致质谱损坏。质谱进气量可通过调节毛细管长度、直径进行流量控制。本发明的反应器压力在一定范围内可调、反应死体积小，在同位素反应气体切换后，在线质谱能够迅速测量同位素切换前后反应物与产物的响应信号，为反应机理及动力学分析提供可靠的实验数据。
26.实施例2
27.测试实验1：采用流量为25ml/min的高纯h2和25ml/min的高纯d2。首先向体系中通入25ml/min的高纯d2，气体经过气动四通阀3进入变径反应器4(u型管)，经衬管6环绕的反应器进气管5进入催化剂床层7，再由催化剂床层7底部的毛细管8进入在线质谱进行分析。其余d2经变径反应器4与毛细管8间的环形空隙13经背压阀排出，通过调节背压阀控制反应器内的压力为0.3mpa。待反应器稳定后，在四通阀两端压力相等的情况下，h2经气动四通阀3切换进入反应器，经催化剂床层7底部毛细管进入在线质谱进行同位素分析，记录d2衰减、h2增加的质谱响应信号，计算ssitka反应器的响应时间。通过图3所示的质谱信号变化图得到其响应时间为2s。在相同实验条件下，无衬管、催化剂床层底部无毛细管连接的反应器的响应时间为8s(图4所示)。采用本发明的ssitka响应时间仅为普通反应器的25％。
28.实施例3
29.测试实验2：测试前将毛细管更换为内径0.05mm的石英毛细管，测试气体仍采用流量为25ml/min的高纯ar和25ml/min的高纯he。首先向体系中通入25ml/min的高纯ar，气体经过气动四通阀3进入直管变径反应器4(直管)，经衬管6环绕的反应器进气管5进入催化剂床层7，再由催化剂床层7底部的毛细管8进入在线质谱进行分析。其余ar经变径反应器4与毛细管8间的环形空隙13经背压阀排出，通过调节背压阀控制反应器内的压力为0.03mpa。待反应器稳定后，在四通阀两端压力相等的情况下，he经气动四通阀3切换进入反应器，经催化剂床层7底部毛细管进入在线质谱进行同位素分析，记录ar衰减、he增加的质谱响应信号，计算ssitka反应器的响应时间。通过图5所示的质谱信号变化图得到其响应时间为2s。
在相同实验条件下，无衬管、催化剂床层底部无毛细管连接的反应器的响应时间为6s(图6所示)。采用本发明的ssitka响应时间仅为普通反应器的33％。
30.上述具体实施方式仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。