技术领域本发明涉及一种无梯度催化反应器，特别是关于一种可在线监测催化剂质量的无梯度反应器。
背景技术：
反应器在催化反应动力学实验和催化剂评测实验等催化化工研究中必不可少，如常见的固定床反应器、流化床反应器和转篮反应器等均被广泛采用。但是，这些反应器在深入研究许多常见的催化剂积碳失活行为(例如催化裂化、甲醇制烯烃、烷基化、甲烷重整制合成气和芳构化等反应的积碳失活行为)时难以胜任。这是因为催化剂积碳失活是一个复杂的过程，积碳生成速率和主反应速率与反应气氛密切相关，催化剂失活造成主反应速率下降，也同样会造成积碳生成速率下降，获取积碳的实时生成速率与反应气氛的关系，对准确研究催化剂积碳行为极为重要。一种循环电天平反应器，通过Kanthal线连接反应篮与天平，实现了积碳质量的实时在线检测。但是，该反应器存在若干问题：称重单元与反应单元硬连接导致系统震动极易传导至称重天平从而影响测量准确性；称重单元与反应单元之间靠氮气正向流动不足以阻隔反应单元热量向上传递，系统长周期运行时极易因称重单元高温而烧坏称重天平；反应器仅可以在常压下运行，限制了其应用范围；反应器不适合有液体产物生成的反应；在原反应篮结构下，原料转化率较低，初始转化率一般在10％～15％之间，最高不超过17％，并且不利于实验数据采集。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可在线监测催化剂质量的无梯度反应器，其能在较宽压力范围内使用、称重精准且不局限于仅气相产物生成的反应。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种在线监测催化剂质量的无梯度反应器，其特征在于它包括称重室、称重传感器、信号控制系统、反应篮、合金连接线、波纹管、水冷管路、循环套管、加热箱和循环驱动器；所述称重室内设置有所述称重传感器，所述称重传感器与所述信号控制系统电连接；所述反应篮经所述合金连接线与所述称重传感器连接，所述称重室底部依次经所述波纹管和所述水冷管路与所述循环套管密闭连接，所述循环套管设置在所述加热箱内，所述加热箱为恒温加热箱；所述循环套管与循环驱动器连接。优选地，所述循环套管由第一L型支管和第二L型支管构成，所述第一L型支管一端与所述水冷管路连接，所述第一L型支管另一端通过法兰与所述循环驱动器连接，所述第一L型支管底部设置有液体放样口，所述第二L型支管一端也与所述循环驱动器连接，所述第二L型支管的另一端与所述第一L型支管靠近所述水冷管路处的侧壁连接，原料进气管和尾气出气管组成同心套管，都设置在所述第二L型支管上部，内管为所述原料进气管，外管为所述尾气出气管，所述原料进气管出口端伸入到所述第二L型支管的1/2以下处，所述尾气出气管入口端伸入到所述第二L型支管的1/2以上处，所述尾气出气管出口端与气相色谱分析仪连接。优选地，所述水冷管路由三级水冷管路、二级水冷管路和一级水冷管路构成；所述波纹管一端与所述三级水冷管路一端密封连接，所述三级水冷管路另一端与所述二级水冷管路一端密封连接，所述二级水冷管路另一端与所述一级水冷管路一端密封连接，所述一级水冷管路另一端与所述第一L型支管一端通过铜垫密封连接。优选地，所述循环驱动器由传动轴、轴承、循环风扇和传动管构成；所述第一L型支管另一端通过法兰与所述轴承连接，所述传动轴穿过所述轴承与所述循环风扇连接，所述循环风扇通过反丝螺纹结构固定在所述传动轴上，所述传动轴另一端穿过另一所述轴承与所述传动管一端连接，所述传动管另一端与外部驱动电机连接，所述外部驱动电机与所述信号控制系统电连接，在所述传动管上，与所述外部驱动电机连接端上设置有压紧盖，所述传动管与所述压紧盖之间由O形圈、四氟轴套和密封圈构成三级密封。优选地，所述第一L型支管内设置有热偶温度计，所述热偶温度计与所述信号控制系统电连接。优选地，所述称重室的侧壁设置有一个压差计，所述三级水冷管路和所述二级水冷管路的连接处设置有另一个所述压差计；两个所述压差计均与所述信号控制系统电连接，所述称重室内通入惰性气体。优选地，所述反应篮设置为圆柱状，底面为镂空，底面的孔透面积不低于30％，所述反应篮上部开槽，安装镂空顶盖，顶盖的孔透面积也不低于30％，镂空顶盖设置为抽拉式。优选地，所述反应篮的内径为12-26mm，高12-30mm；与所述水冷管路连接的所述第一L型支管内径为14-28mm，高为140-320mm，所述循环套管的其余部分内径为8-22mm，水平长度为120-200mm。优选地，所述反应篮与所述第一L型支管间存在0.5mm-2mm的环隙，与所述水冷管路连接的所述第一L型支管内壁和所述反应篮外壁均抛光。优选地，所述O形圈的材质为硅橡胶或氟橡胶，所述波纹管和所述水冷管路使用SUS304材料；所述循环套管、所述反应篮、所述循环风扇、所述传动轴和所述传动管使用SUS316材料，所述轴承的材质为氧化锆或氮化硅；所述合金连接线的材质为Ni30Cr20合金。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用无梯度反应器，可以精准监测催化剂随反应进行过程中的质量变化。2、本发明采用无梯度反应器，拥有良好的冷却系统，可实现系统长期稳定运行。3、本发明采用无梯度反应器，可以实现在较宽工况压力(1bar-10bar)下操作。4、本发明采用无梯度反应器，在实时监测催化剂质量的同时，配合实时在线产物分析装置，可用于很多非稳态催化反应的深入研究，并且适合有液体产物生成的反应。附图说明图1是本发明无梯度催化反应器整体结构示意图；图2是本发明在载气流量50ml/min、循环风扇转速1000rpm、操作温度25℃时，尾气中示踪剂的响应信号监测结果；图3是本发明在载气流量25ml/min、循环风扇转速2000rpm、操作温度25℃时，尾气中示踪剂的响应信号监测结果；图4是本发明在载气流量50ml/min、循环风扇转速2000rpm、操作温度255℃时，尾气中示踪剂的响应信号监测结果；图5是本发明在载气流量50ml/min、循环风扇转速0rpm、操作温度25℃时，尾气中示踪剂的响应信号监测结果；图6是本发明催化裂化中积碳质量随反应时间的变化曲线示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明提供一种在线监测催化剂质量的无梯度反应器，其包括称重室1、称重传感器2、信号控制系统、反应篮3、合金连接线4、波纹管5、水冷管路、循环套管、加热箱6、液体放样口7、循环驱动器、原料进气管8和尾气出气管9。称重室1内设置有称重传感器2，称重传感器2与信号控制系统电连接，用于实时在线测量催化剂失活所生成的积碳量；反应篮3经合金连接线4与称重传感器2连接；称重室1底部依次经波纹管5和水冷管路与循环套管密闭连接。循环套管设置在加热箱6内，加热箱6为恒温加热箱，用于整个循环套管处于恒温条件下。循环套管由第一L型支管10和第二L型支管11构成，第一L型支管10一端与水冷管路连接，第一L型支管10另一端通过法兰与循环驱动器连接，第一L型支管10底部设置有液体放样口7，用于收集反应过程中的液体产物；第二L型支管11一端也与循环驱动器连接，第二L型支管11的另一端与第一L型支管10靠近水冷管路处的侧壁连接，原料进气管8和尾气出气管9组成同心套管，都设置在第二L型支管11上，内管为原料进气管8，外管为尾气出气管9，原料进气管8出口端伸入到第二L型支管11的1/2以下处，尾气出气管9入口端伸入到第二L型支管11的1/2以上处，便于循环套管内的气流按顺时针方向稳定平推循环流动，尾气出气管9出口端与气相色谱分析仪连接，用于对尾气成分进行实时分析。上述实施例中，水冷管路由三级水冷管路12、二级水冷管路13和一级水冷管路14构成。波纹管5一端与三级水冷管路12一端密封连接，三级水冷管路12另一端与二级水冷管路13一端密封连接，二级水冷管路13另一端与一级水冷管路14一端密封连接，一级水冷管路14另一端与第一L型支管10一端通过铜垫密封连接。水冷管路用于冷却循环套管与称重室1之间的气体，进而降低称重室1温度。上述各实施例中，循环驱动器由传动轴15、轴承16、循环风扇17和传动管18构成。第一L型支管10另一端通过法兰与轴承16连接，传动轴15穿过轴承16与循环风扇17连接，循环风扇17通过反丝螺纹结构固定在传动轴15上，传动轴15另一端穿过另一轴承16与传动管18一端连接，传动管18另一端与外部驱动电机连接，外部驱动电机与信号控制系统电连接，用于控制驱动电机的转速，进而控制循环风扇17使循环套管内气体流速与新鲜气体进气流速达到一定循环比。在传动管18上，与外部驱动电机连接端上设置有压紧盖19，传动管18与压紧盖19之间由O形圈20、四氟轴套21和密封圈22构成三级密封。上述各实施例中，第一L型支管10内设置有热偶温度计23，热偶温度计23与信号控制系统电连接，用于实时监测循环套管内的温度。上述各实施例中，称重室1的侧壁设置有一个压差计24，三级水冷管路12和二级水冷管路13的连接处设置有另一个压差计24。两个压差计24均与信号控制系统电连接，用于实时监测称重室1和循环套管的压力差。称重室1内通入惰性气体，使称重室1的压力微大于循环套管的压力，用于保证惰性气体持续由称重室1向循环套管流动。称重室1与循环套管之间设置有波纹管5，用于缓减循环套管和环境震动对称重室1造成的影响，使称重传感器2输出精准信号。上述各实施例中，反应篮3设置为圆柱状，底面为镂空，底面的孔透面积不低于30％，反应篮3上部开槽，安装镂空顶盖，顶盖的孔透面积也不低于30％，镂空顶盖设置为抽拉式，用于催化剂方便地装入反应篮3或从反应篮3内卸除。反应篮3的内径为12-26mm，高12-30mm；与水冷管路连接的第一L型支管10内径为14-28mm，高为140-320mm，循环套管的其余部分内径为8-22mm，水平长度为120-200mm。反应篮3与水冷管路连接的第一L型支管10间存在0.5mm-2mm的环隙，用于增加无梯度反应器通量，提高原料转化率。与水冷管路连接的第一L型支管10内壁和反应篮3外壁均抛光，用于减小气流经过环隙时的摩擦，使反应篮3与第一L型支管10间无碰撞接触，尽量避免对称重传感器2信号的影响，称重传感器2输出高质量信号。上述实施例中，反应篮3的优选尺寸为内径19mm，高22mm，体积约为6ml；与水冷管路连接的第一L型支管10内径优选为22.4mm，高优选为232mm，循环套管其余部分内径优选为15mm，水平长度优选为156mm。上述各实施例中，O形圈20的材质为硅橡胶或氟橡胶，具有一定的耐热性能，使整个装置具有较好的耐热性和气密性，同时节约传动距离。波纹管5和水冷管路等常温部件使用SUS304材料；循环套管、反应篮3、循环风扇17、传动轴15和传动管18等高温部件使用SUS316材料，具有较好的耐热性能，且无空管反应。轴承16的材质为氧化锆或氮化硅。合金连接线4的材质为Ni30Cr20合金，该材料具有优良的耐热性，且具有较好的柔韧性。根据上述装置，本发明还提供了一种在线监测催化剂质量的无梯度反应器的使用方法，其步骤如下：1)反应开始前通入惰性气体至称重室且保证正向流入循环套管以确保反应时原料气不会发生倒流，然后打开水冷管路，保证称重室维持在安全运行温度范围(不高于30℃)；2)监测称重传感器输出信号的稳定性，确保波纹管的减震功能发挥正常，把反应物通过原料进气口进入循环套管右侧，在循环风扇驱动下快速循环流动，其中一部分气体会沿尾气出气口排出；3)调节进气量和循环风扇转速改变气体在套管内的循环比，进而控制反应器的无梯度特性；4)混合气体循环过程中经过反应篮发生催化反应，部分气体会经反应篮与循环套管间的环隙短路通过；5)反应篮通过合金线悬挂于称重传感器正下方，实时在线测量反应过程中所生成积碳量；6)采用高精度称重传感器实时输出反应篮(含催化剂)的质量信号，进而完成整个反应过程中积碳生成速率的测定；实施例1，在无梯度反应器上进行空白实验，不安装反应篮，实验以N2为载气，CH4为示踪气，N2气速为50ml/min，循环风扇转速为1000rpm，CH4量为5ml。温度为25℃，压力为0.1MPa，停留时间为10.45min，循环套管内气体流速与新鲜气体进气流速之比为3.52，如图2所示。实施例2，循环风扇转速为2000rpm，N2气速为25ml/min，其余实验条件与实施例1相同，进行试验。停留时间为5.07min，循环套管内气体流速与新鲜气体进气流速之比为7.31，如图3所示。实施例3，循环风扇转速为2000rpm，N2气速为50ml/min，反应器温度为255℃，其余实验条件与实施例1相同，进行试验。停留时间为5.88min，循环套管内气体流速与新鲜气体进气流速之比为5.78，如图4所示。实施例4，循环风扇转速为0rpm，其余实验条件与实施例1相同，进行试验，停留时间为16.16min，仅出现一个短路峰和一个循环峰。该现象说明缺少循环风扇时，无法实现循环套管内气体流速与新鲜气体进气流速之比，如图5所示。实施例5，在无梯度反应器上加装反应篮，并进行催化裂化反应，催化剂装填量1.5g，实验以N2为载气，N2气速为15ml/min，原料为正十六烷，进料速率为0.005ml/min。循环风扇转速为4000rpm，反应器温度为390℃，压力为0.1MPa。随反应时间增加积碳的生成速率曲线如图6所示，称重信号扰动绝对值为±5mg，得到正十六烷初始转化率为45.18％。上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。