多鞘大气化学层流反应系统的制作方法

本实用新型涉及大气气溶胶监测与控制，具体涉及一种多鞘大气化学层流反应系统。

背景技术：

大气污染物按照来源排放主要划分为一次污染物和二次污染物，一次污染物由排放源直接排放，二次污染物是一次污染物在大气中经过化学反应二次转化形成，一般其毒性比一次污染物大为增强。新粒子生成事件是由气态前体物经过气粒转化过程成核形成新的颗粒物的过程，是除一次排放颗粒物以外的最主要颗粒物形成方式。最新的模型模拟结果表明，新粒子形成事件对全球颗粒物数浓度额平均贡献远远高于一次排放。由挥发性有机物等前体物通过大气氧化形成的二次有机气溶胶组成更为复杂，由于其具有较强的极性、吸湿性和溶解性，对吸光特性、成云凝结核能力、健康效应等有更大影响。

在实际大气中观测到新粒子生成现象的特征是3-10nm或20nm核膜态颗粒物数浓度急剧增高，生成的新粒子是纳米级超细颗粒物。关于新粒子生成事件的科学理论主要是经典二元成核理论和三元成核理论，经典二元成核理论主要是基于对硫酸-水成核过程的研究，并广泛应用于所观察到的新粒子生成现象；三元成核理论是从经典二元成核理论的基础中发展起来的，是由于大气中氨的存在会大大降低硫酸蒸汽压，这样在大气中可能会出现硫酸-氨气或者硫酸-水成核，即氨-硫酸-水三元成核理论。尽管研究者对成核理论有一定了解，但其基本反应动力学及反应机制尚未完全阐明，建立大气颗粒物形成与增长模型，首先需要设计一套高响应时间的实验室反应模拟与控制系统。目前主流的室内模拟实验是通过烟雾箱系统完成，但该系统不适合观察新粒子生成现象及颗粒物形成初期的污染物，主要原因有两点：一是烟雾箱体积大，一般其正常体积都在5m³以上，反应物进入系统后反应停留时间较长，致使在线仪器只能监测到完全生长的颗粒物的理化特性，并不能明显观察新粒子生成和增长的初始过程；二是烟雾箱采用特氟龙材料制作，其表面会有一定的吸收和释放颗粒物的能力，且该过程可逆。当反应物浓度大大高于释放物时问题不大，不过新粒子生成模拟实验是在相对洁净的环境中完成，反应物和生成物浓度均较低且要求十分精确，而由特氟龙制作的烟雾箱表面吸收和释放的颗粒物会对实验造成潜在的干扰，造成实验误差。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种多鞘大气化学层流反应系统，解决现有反应系统反应停留时间长，对反应过程干扰大，造成实验误差，不便拆卸清理的问题。

技术方案：本实用新型所述的多鞘大气化学层流反应系统，包括反应主体和保温管，所述反应主体嵌套设置在保温管内，所述反应主体包括三层反应石英管，三层反应石英管一端通过变径接头固定连接，里面两层反应石英管一端均设置有进气口，另一端均设置有六角辐条，最外层的反应石英管一端设置有出气口。

为了方便连接恒温水浴装置形成水的循环，所述保温管两端均设置有进出水口。

为了方便把三层独立的石英管连接起来，让细管可以自由伸缩，并达到密封不漏气的目的，所述变径接头为两个。

为了方便连接仪器使用，所述出气口为五个。

为了方便将各个部分连接在一起，保证密封，方便清理，所述反应主体两侧均设置有法兰。

有益效果：本实用新型反应物反应停留时间短，可按需改变实验条件，反应管采用石英材料制作，惰性无孔，透光性好有效减少实验干扰，可以同时进行多级反应，防止交叉干扰，增加实用性，反应管设置有六角辐条，增加气流平稳性，防止湍流产生，本实用新型拆卸方便，有效减少制作和维护成本。

附图说明

图1是本实用新型的机构示意图；

图2是石英环结构示意图；

图3是六角辐条结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步说明。

如图1-3所示，多鞘大气化学层流反应系统，包括反应主体和保温管1，反应主体嵌套设置在保温管内，反应主体包括三层反应石英管2，保温管1两端均设置有进出水口6，通过进出水口形成水循环，提供恒温水浴，维持反应系统内温度恒定，以保证反应物在反应时不会受温度变化影响，最外层的保温管在前端和后端各有一个开口，其中一个是进水口一个是出水口，且与恒温水浴装置连接，达到循环的目的。在实验过程中，可通过变更长度、流量、温湿度、光照来改变实验条件如体积、反应时间、流动时间，以达到实验目的。三层石英管为反应管，其中三层反应管外层固定，里面两层可移动伸缩，里面两层通过该系统整体长1.9m，外层保温管外径为130mm，三层反应管的内径分别为94mm、31mm、8.5mm。反应时间通过公式控制:

其中r为石英管内径的半径，d为管长，v为反应物流速，T为反应物管内停留时间。通过改变管长和流速来控制反应物在装置中流动时间，可控范围在0.1s-30s之间。

三层反应石英管一端通过两个通过两个尺寸为1/2英寸-35mm和35mm-50mm变径接头3连接，将变径接头小尺寸处打通，可让小管套入大管，利用O形密封圈密封防止漏气。在反应主体两侧均设置法兰5，以方便拆卸，并用O形密封环密封。反应管选择反应管选择石英材质制成，惰性无孔，石英具有很好的光透性，可以同时研究有光照参与的化学反应。反应管设置三层可以防止反应物间的干扰反应，在进气口处设计连接固定石英环9，并在石英环9上均匀穿孔，保证进气流均匀且平稳，更易达到层流效果。设置的石英环不是完全闭合的，是有个小石英管导入到环里，然后小石英管另一端导出到管外，反应气就从管外进入到石英环，然后再分散到反应管里，里面两层石英管伸缩是通过2个变径真空接头，粗的一端可以顶住较粗的管子，细的一端打通，这样细管可以在接头里伸缩，伸缩到想要的长度后再把接头拧紧，这样就保证密封了。里面两层反应石英管一端均设置有进气口4，另一端均设置有六角辐条7，六角幅条上均匀开孔，可以给移动石英管提供支撑，使反应物混合均匀，保证层流，防止湍流产生。最外层的反应石英管一端设置有5个出气口8，出气口均是为了连接仪器使用。本装置分为3个部分，前端中端和后端，由于石英易碎，且加工难度大，所以需要分开加工。设置法兰让3个部分连接在一起，保证密封，然后法兰是可拆卸的，这样既可以方便清理，又可以易于损坏部件的重新加工或更换。

在实用本实用新型模拟大气化学层流反应时，三个反应气体从钢瓶通出分别通入三层反应管，第一个反应气体直接通入细管，从六角辐条分散通出；第二个反应气体从中管进气口通入，从石英环分散通出，石英环和六角辐条可以分散反应气体，使其更快混合均匀。这样两个反应气体会在中管相遇并发生反应，然后通过拉伸细管选择不同的长度来控制反应时间。第三个反应气体从大管进气管通入，从石英环分散通出，并与前两个反应气体的产物发生二级反应，然后通过拉伸中管选择不同的长度来控制反应时间。最终反应产物在出气口被仪器检测，多余气体在尾气口排出。最外层保温管进水，利用恒温水浴装置建立第二恒温场，控制反应温度，结束后打开法兰及真空接头，将装置各部分拆卸并清洗。