一种微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，适用于微型气、液、固三相反应的监测及分析，包括：配有热电偶的加热炉；回型气体预热管及与其连接的气体缓冲瓶；带有气体分布器及多层阶梯砂板的微型反应器；反应器连接原位红外装置及温度控制装置；依次与反应器出口相连的冷凝装置及压力控制装置；计算机通过电磁阀对通入的气体进行切换及流量控制，并对原位红外与气体检测数据进行分析。本实用新型采用微型浆态床实时切换气体方式控制反应开始时间，对应液相及气相监测结果，更准确的监测反应变化，使催化剂失活原因、反应动力学参数等分析变的更准确。
【专利说明】一种微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪
【技术领域】
[0001]本实用新型公布了一种微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，属于化学分析测试【技术领域】。该微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪能够准确控制反应开始时间及反应进程，并通过综合分析确定反应动力学参数及催化剂失活原因，特别适用于需要在线气相切换、混合及液相组成实时监测且关键产物为液相的气液固三相反应。
【背景技术】
[0002]化学反应动力学参数是探讨反应机理的重要数据,包含化学反应速率,也包含反应过程中对反应速率有影响的各内外因素(反应物质结构、温度、压力、催化剂、辐射等)，而现有反应动力学常用研究方法为经典化学动力学研究方法，它是从反应动力学的原始实验数据浓度与时间的关系出发，经过分析获得某些反应动力学参数。
[0003]热重分析法(TG或TGA)是一种常用的反应动力学参数测定方法，它是指在程序控制温度下测量待测样品的质量与温度变化关系的一种热分析技术，用来研究材料的热稳定性和组份，它要求将所要测量的固体或液体样品事先放入反应池中，由气体向装于反应池中静止的固、液反应物进行物质和能量传递，热量传递分别以扩散和传导为主，而实际反应器中的化学反应由于通常发生于固体运动或液体运动过程中，因而存在表面更新等其他性质及传热途径，这使得此种方法测定的反应速率通常与实际反应过程中反应速率相差很大。
[0004]为了准确测定反应速率，中国科学院过程工程研究所的许光文等研制出气固反应动力学参数仪(CN200610171515.3)，采用流化床反应器，而流化床反应器能真正模拟和再现实际固体物料反应器中发生的气固作用及相应的传热、传质和扩散过程，具有最好的可靠性和实用性，而采用此种反应器的气固反应动力学参数仪则有助于分析反应速度、反应时间，并综合分析反应活化能等反应动力学参数，弥补热重分析法的不足，但此种气固反应动力学参数仪特别适用于要求在线固态反应物添加且关键产物为气体的气固反应，对于气液固三相反应或气液反应且关键产物为液体的反应则无能为力。而作为分析仪最为重要的流化床反应器，现有气液固三相反应器通常不是真正的微分反应器，且没有配套的良好的气体预热装置，导致通入气体比反应温度低，使得该类反应器中存在的气体混合、扩散、反应等过程必将给测量快速反应的反应动力学参数带来巨大的困难。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，能为气相进行充分预热，实现反应器内等温微分，在线控制气相的切换和混合，并控制反应开始时间及反应进程，实时监测反应过程中液相组成变化情况及生成气体的组成，测试气液固三相反应本征动力学参数及反应中催化剂失活原因和失活机理。
[0006]本实用新型所采用的技术方案如下:
[0007]微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，包括:
[0008]由计算机(9)控制的电热炉(6)；
[0009]位于电热炉(6)内的回型气体预热管(5)及与其连接的带有安全阀的气体缓冲瓶
(3)；
[0010]所述的回型气体预热管(5)分别连接两个气体流量控制器(1、2)；
[0011]与气体缓冲瓶(3)相连的带有气体分布器(12)及多层阶梯砂板(11)的微型反应器⑷；
[0012]所述微型反应器(4)连接用于监测液相组成变化的原位红外装置及温度控制装置；
[0013]依次与微型反应器(4)出口相连的冷凝装置(8)及压力控制装置(7)，数据采集器
(10)和与数据采集器(10)相连的计算机(9)；
[0014]气、液检测装置与温度、压力控制装置分别通过数据采集器(10)与计算机(9)相连。
[0015]所述回型气体预热管(5)中间填充带孔隙石棉层，分别连接两个气体流量控制器(1、2),内直径为3-6mm,长为30-50cm,回型气体预热管固定于电热炉(6)内壁两侧。
[0016]所述气体缓冲瓶(3)带有安全阀。
[0017]所述微型反应器(4)内径为2-3cm，下部带有气体分布器(12)，上部带有阶梯砂板
(11)，两层砂板间距离为7-12cm，且上层砂板孔径较下层砂板大，微型反应器(4)连接原位红外测试装置。
[0018]所述气体分布器(12)由带有细小孔径的砂板制作，砂板规格为G1-G3。
[0019]所述多层阶梯砂板(11)由带有细小孔径的砂板制作，规格为G1-G2，各层砂板为带有缺口的不完全覆盖砂板，缺口方向相反，各层砂板间距离为0.5-1.5cm。
[0020]两种气体流量控制器(1、2)通过计算机(9)进行控制切换，并各自连接回型气体预热管。
[0021]所述微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪的基本操作过程是:通过计算机
(9)进行操控切换两种气体流量控制器(1、2)来提供气体，并确保提供的气体在此条件下不与其它两相发生反应，气体流量根据微型反应器(4)内情况定量供给，冷凝装置(8)填充液氮，取液相反应物10_50mL加入微型反应器(4)，并加入适量固相，将微型反应器(4)放入电热炉(6)内并关闭炉门，等待液相升温完成后，通过计算机(9)进行操控切换气体，通入反应气体，并同时记录切换气体时间，以便对应原位红外数据及气体检测器数据。
[0022]所述微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪的工作原理及数据处理方法是:由于在反应设定温度时，微型反应器(4)中的液体与固体处于稳定流化状态，因此当气体被切换成反应气体的瞬间，独特回型气体预热管(5)能快速为反应提供达到预热温度的反应气体，流化床良好的传热、传质性能使反应快速高效进行，并使得所生成的液体产物在液相中均匀分散，原位红外探头能灵敏准确的测试液相内反应物与产物浓度，同时，经冷凝装置(8)冷凝的气体由气体检测装置检测，这样根据各种组成物质的浓度变化可以很容易确定该反应温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应的活化能等反应动力学参数。
[0023]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是实现反应器内等温微分的效果，能测试气液固三相反应且关键产物为液相的反应在线控制气相的切换和混合，并控制反应开始时间及反应进程，从而分析其反应本征动力学参数及反应中催化剂失活原因和积炭失活机理。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型一种微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪结构示意图。
[0025]其中1、2是两个气体流量控制器，3是气体缓冲瓶，4是微型反应器，5是回型气体预热管，6是加热炉，7是压力控制装置，8是冷凝装置，9是计算机，10是数据采集器，11是多层阶梯砂板，12是气体分布器。
【具体实施方式】
[0026]下面为结合图1，采用本实用新型的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪实时监测反应过程中液相组成变化情况及生成气体的组成,测试气液固三相反应本征动力学参数等的实施实例。
[0027]实施实例1:甲基丙烯酸甲酯制备实验，通入氮气，取25mL甲醇与甲基丙烯醛混合反应液，加入5%固体催化剂，当温度达到80°C，压力0.3Mpa时，控制切换通入氧气，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团酯键随时间变化的浓度变化情况，不断增加，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=0.792e0.637tO
[0028]实施实例2:2-甲基_2，4-戊二醇制备实验，通入氮气，取25mL双丙酮醇反应液，加入5%镍固体催化剂，当温度达到120°C，压力1.5Mpa时，控制切换通入氢气，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团酮键随时间变化的浓度变化情况，不断减少，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=0.458e —a 326t。
[0029]实施实例3:对苯二甲酸制备实验，通入氮气，取25mL对二甲苯与乙酸混合反应液，加入5% Co-Mn-Br固体催化剂，当温度达到200°C，压力1.2Mpa时，控制切换通入氧气，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团酸键随时间变化的浓度变化情况，不断增加，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=0.0242e —6.8/t。
[0030]实施实例4:等规聚丙烯合成实验，通入氮气，取40mL聚丙烯与水反应液，加入5%助化剂，当温度达到80°C，控制切换通入氯气，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团氯键随时间变化的浓度变化情况，不断增加，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=5.836e°_°384t。
[0031]实施实例5:偶氮二甲酰胺合成实验，通入氮气，取30mL联二脲与水反应液，加入5%催化剂，当温度达到40°C，控制切换通入氯气，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据酰胺官能团随时间变化的浓度变化情况，不断增加，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=0.0739e°_529t。
[0032]实施实例6:过氧化氢制备实验，通入氮气，取25mL 2 一乙基蒽醌和四氢2 —乙基蒽醌反应液，加入5% Pd/Al203固体催化剂，当温度达到60°C，压力0.25Mpa时，控制切换通入氢气，气体流量200mL/min，进行测试，得到气体检测数据过氧化氢随时间变化的产量变化情况，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=0.361e —2_7/t。
[0033]实施实例7:氯甲烷制备实验，通入氮气，取30mL甲醇反应液，加入5%氯化锌催化剂，当温度达到140°C，控制切换通入氯化氢，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团氯键随时间变化的浓度变化情况，不断增加，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=5.036e_L84/to
[0034]实施实例8:乙酸异丙酯制备实验，通入氮气，取25mL乙酸反应液，加入5%固体催化剂，当温度达到150°C，压力0.8Mpa时，控制切换通入丙烯气体，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团酯键随时间变化的浓度变化情况，不断增加，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=5.2e 一
12.8/t
O
[0035]实施实例9:异丁醇制备实验，通入氮气，取25mL异丁醛反应液，加入5%固体催化剂，当温度达到160°C，压力0.4Mpa时，控制切换通入氢气，气体流量为200mL/min，进行测试，得到原位红外数据官能团醛键随时间变化的浓度变化情况，不断减少，并确认此温度下的反应速度，并进一步根据Arrhenus方程计算出反应动力学模型为=0.237e17 69A。
【权利要求】
1.微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，包括: -由计算机(9)控制的电热炉(6)； -位于电热炉(6)内的回型气体预热管(5)及与其连接的带有安全阀的气体缓冲瓶(3)； 所述的回型气体预热管(5)分别连接两个气体流量控制器(1、2)； -与气体缓冲瓶(3)相连的带有气体分布器(12)及多层阶梯砂板(11)的微型反应器⑷; 所述微型反应器(4)连接用于监测液相组成变化的原位红外装置及温度控制装置； -依次与微型反应器(4)出口相连的冷凝装置(8)及压力控制装置(7)，数据采集器(10)和与数据采集器(10)相连的计算机(9)； 气、液检测装置与温度、压力控制装置分别通过数据采集器(10)与计算机(9)相连。
2.根据权利要求1所述的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，其特征在于，所述回型气体预热管(5)中间填充带孔隙石棉层，分别连接两个气体流量控制器(1、2)，内直径为3-6mm,长为30_50cm,回型气体预热管固定于电热炉(6)内壁两侧。
3.根据权利要求1所述的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，其特征在于，所述气体缓冲瓶(3)带有安全阀。
4.根据权利要求1所述的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，其特征在于，所述微型反应器(4)内径为2-3cm，下部带有气体分布器(12)，上部带有阶梯砂板(11)，两层砂板间距离为7-12cm，且上层砂板孔径较下层砂板大，微型反应器(4)连接原位红外测试装置。
5.根据权利要求1所述的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，其特征在于，所述气体分布器(12)由带有细小孔径的砂板制作，砂板规格为G1-G3。
6.根据权利要求1所述的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，其特征在于，所述多层阶梯砂板(11)由带有细小孔径的砂板制作，规格为G1-G2，各层砂板为带有缺口的不完全覆盖砂板，缺口方向相反，各层砂板间距离为0.5-1.5cm。
7.根据权利要求1所述的微型气液固三相浆态床等温微分反应分析仪，其特征在于，两种气体流量控制器(1、2)通过计算机(9)进行控制切换，并各自连接回型气体预热管。
【文档编号】G01N31/00GK204165986SQ201420204453
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】吕兴梅 申请人:中国科学院过程工程研究所