CN102053163B

CN102053163B - 一种催化反应脉冲原位分析系统

Info

Publication number: CN102053163B
Application number: CN 200910209547
Authority: CN
Inventors: 王斌; 张颖; 赵梅君
Original assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Current assignee: Sinopec Beijing Research Institute of Chemical Industry; China Petroleum and Chemical Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: CN102053163A

Abstract

一种催化反应脉冲原位分析系统，依次为脉冲进样单元，特定结构的原位红外漫反射光谱池，独立控温管线，以及与特定结构的原位红外漫反射光谱池相连接的色谱或质谱检测装置，且特定结构的原位红外漫反射光谱池置于傅利叶变换红外光谱仪漫反射附件的光路中进行原位傅利叶变换红外漫反射光谱测量。本发明所述系统，兼具原位光谱表征功能和脉冲微反应器评价功能，在进行原位光谱表征的同时即可对催化剂性能进行评价，在原位状态下，通过一次实验不但可获得催化反应过程中反应组分在催化剂表面的吸附态及动态转化等丰富的催化反应过程信息，还可以对催化反应的动态产物组分进行分析。

Description

一种催化反应脉冲原位分析系统

技术领域

本发明涉及分析测试系统，具体的说是一种催化反应脉冲原位分析系统。

背景技术

催化反应机理研究是进行催化研究的基础，认识催化反应机理的过程，就是要获取催化反应各个历程的详细信息，一般来说，催化反应包括反应物在催化剂表面的吸附、反应转化、生成物解吸等过程。原位红外光谱表征是进行催化研究的有效手段，可以给出反应条件下反应物在催化剂表面的吸附态及其动态转化信息，常被运用于催化反应机理的研究中，但单纯的原位光谱表征所能获取的信息对于催化反应机理的研究是不够的，原因在于原位光谱表征不易对催化反应过程中生成物的组分信息给出一个明确的定性定量结果。因此，需要谋求一种兼具原位光谱表征功能，又具备生成物即时在线分析功能的装备，以实现对催化反应的整个过程进行跟踪。

ZL200520000283.6公开了一种化学化工反应过程测试装置，述及将色谱仪、质谱仪设置于原位红外测试系统的后端以对反应产物进行分离鉴定的方案，但该实用新型所述之原位红外光谱样品池为透射型原位红外光谱池，当运用透射型原位红外光谱池进行红外光谱表征时，需要将催化剂样品压成均匀的薄片，然后置于透射型原位红外光谱池中进行测量，该种形态的催化剂与实际催化反应中催化剂的形态相距甚远，无法代表真实的工作状态，另外，反应器的流出物中包含了未与催化剂接触并反应的部分反应物，因此对其检测所得的组分信息，并不能代表反应物与催化剂作用并转化后的物种信息。

漫反射技术由于不破坏样品固有形态等优点而被运用于原位红外光谱表征领域，但通用的原位漫反射光谱池，如Thermo Spectra-Tech的原位漫反射池，其气体流通路径并不穿过催化剂样品，气体从入口进入原位漫反射池腔体，掠过催化剂表面后流出原位池，初始反应组分与反应后组分在腔体内发生混流，因此，与对原位池中流出的气体进行分析的结果并不能真实反映原料气经过催化转化后的真实产物信息。

因此，简单的仪器联用，或者调整相应分析仪器的排列顺序，无法实现对催化反应的整个过程进行有效跟踪研究，获取全面的催化反应机理信息。对于系统的进样方式，装置的结构，以及组合模式，必须有相应的设计和改进，使进样精确可控、可连续脉冲进样并保证良好的重复性，使系统同时具备原位光谱表征和催化评价功能，才能满足相应的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种催化反应脉冲原位分析系统，能通过一次实验获得催化反应过程中包括反应物吸附、动态转化以及生成物等催化反应过程信息，在进行原位光谱表征的同时，对催化剂性能进行评价。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种催化反应脉冲原位分析系统，其特征在于包括：

脉冲进样单元1，包括一个自动平面四通阀10、一个带定量样品管的自动平面六通阀20和按下述连接方式连接自动平面四通阀10、自动平面六通阀20的连接管线：

第一种气体11经过一个气体控制计量装置13后，通过第一管路14连接到自动平面四通阀10的接口g；

第二种气体12经过另一个气体控制计量装置13后，通过第二管路15连接到自动平面四通阀10的接口j；

自动平面四通阀10的接口i连接到第三管路16一端，

自动平面四通阀10的接口h连接到第四管路17一端，

自动平面六通阀20的接口a连接到第四管路17另一端，

自动平面六通阀20的接口b连接到第五管路19一端，

自动平面六通阀20的接口e连接到第三管路16另一端，

自动平面六通阀20的接口d连接到放空气管路18，

自动平面六通阀20的接口f和接口c之间串联定量样品管；

置于傅利叶变换红外光谱仪漫反射附件2的光路中进行原位傅利叶变换红外漫反射光谱测量的特定结构的原位红外漫反射光谱池61，所述特定结构是指：

原位红外漫反射光谱池61的催化剂22装填于原位池样品槽23中形成催化剂床层，催化剂床层下部用不锈钢金属网或石英棉25进行封堵；

红外光21掠过催化剂22表面并发生反射，光谱采集模式为漫反射模式；

第五管路19另一端经气体入口24导入特定结构的原位红外漫反射光谱池61内，穿过催化剂床层后经气体出口26导出特定结构的原位红外漫反射光谱池61，使得初始反应组分和反应后组分不发生混流；

色谱或质谱检测装置4，通过独立控温管线3与气体出口26连接。

在上述技术方案的基础上，所述自动平面四通阀10及自动平面六通阀20的阀体为气动驱动、电动驱动或微电子线路驱动。

在上述技术方案的基础上，所述气体控制计量装置13为至少包括压力调节阀、稳流阀、以及质量流量控制器的气体压力控制和计量装置。

本发明所述的催化反应脉冲原位分析系统，兼具原位光谱表征功能和脉冲微反应器评价功能，在进行原位光谱表征的同时即可对催化剂性能进行评价，在原位状态下，通过一次实验不但可获得催化反应过程中反应组分在催化剂表面的吸附态及动态转化等丰富的催化反应过程信息，还可以对催化反应的动态产物组分进行分析。

附图说明

图1是本发明的整体结构组成示意图；

图2是本发明各单元部件及组合结构示意图；

图3是本发明脉冲进样单元中包含的自动平面四通阀联通示意图

图4是本发明脉冲进样单元中包含的自动平面六通阀联通示意图

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，本发明公开了一种催化反应脉冲原位分析系统，依次为脉冲进样单元1，特定结构的原位红外漫反射光谱池61，独立控温管线3，以及与特定结构的原位红外漫反射光谱池61相连接的色谱或质谱检测装置4，且特定结构的原位红外漫反射光谱池置于傅利叶变换红外光谱仪漫反射附件2的光路中进行原位傅利叶变换红外漫反射光谱测量。脉冲进样单元1可实现精确可控进样，可连续脉冲进样并保证良好的重复性。将特定结构的原位红外漫反射光谱池置于傅利叶变换红外光谱仪漫反射附件2的光路中进行原位傅利叶变换红外漫反射光谱测量，获得反应组分在催化剂表面吸附态及其动态转化等丰富的催化反应过程信息，催化反应生成物经独立控温管线3进入后续的色谱或质谱检测装置4进行定性定量分析，例如：进入在线色谱检测器进行定性定量分析，或进入在线质谱检测器进行定性定量分析，为提高检测灵敏度并有效地对催化反应过程的生成物种进行跟踪，优选在线质谱检测器作为后续的检测装置。本发明所述系统，兼具原位光谱表征功能和脉冲微反应器评价功能，在进行原位光谱表征的同时即可对催化剂性能进行评价，在原位状态下，通过一次实验不但可获得催化反应过程中反应组分在催化剂表面的吸附态及动态转化等丰富的催化反应过程信息，还可以对催化反应的动态产物组分进行分析。

本发明所述系统的具体结构如下：

自动平面四通阀10的接口i连接到第三管路16一端，

自动平面四通阀10的接口h连接到第四管路17一端，

自动平面六通阀20的接口a连接到第四管路17另一端，

自动平面六通阀20的接口b连接到第五管路19一端，

自动平面六通阀20的接口e连接到第三管路16另一端，

自动平面六通阀20的接口d连接到放空气管路18，

自动平面六通阀20的接口f和接口c之间串联定量样品管；定量样品管为一段固定容积的管路，用以量取每一脉冲进样的定量气体；

上述技术方案中所述第一种气体11和第二种气体12即为实验对象本发明对所述实验对象进行控制与计量，实验对象可以是单组分气体，也可以是按一定配比预混和好的多组分气体，可以是反应气，也可以是惰性载气或吹扫气。

上述技术方案中所述第一管路14通过接口g、h联通于第四管路17，第二管路15通过接口j、i联通于第三管路16，自动平面四通阀10的转动可转换两路连通状态，实现第一管路14联通于第三管路16、第二管路15联通于第四管路17。

上述技术方案中所述自动平面六通阀20的转动可实现以下两种联通状态的切换：

(1)第四管路17通过接口a、b联通于第五管路19，第三管路16通过接口e、f经定量样品管以及接口c、d联通于放空气管路18，该联通状态为取样状态；

(2)第四管路17通过接口a、f经定量样品管以及接口c、b联通于第五管路19，第三管路16通过接口e、d联通于放空气管路18，该联通状态为脉冲进样状态。

上述两种联通状态动态切换可以连续发生，重复进行。

本发明给出的特定结构的原位红外漫反射光谱池61兼具固定床微型反应器功能，催化剂22装填于原位池样品槽23中形成催化剂床层，催化剂床层下部用不锈钢金属网或石英棉25进行封堵。漫反射红外光谱测量可获得反应组分在催化剂表面吸附态及其动态转化信息，气体穿过催化剂床层后流出反应器(特定结构的原位红外漫反射光谱池)，进行在线分析，可获得生成物组分信息。实现在原位状态下获得反应组分在催化剂表面吸附态及其动态转化信息的同时，得到催化反应的活性评价数据。

本发明在特定结构的原位红外漫反射光谱池61的气体出口26至检测装置(色谱或质谱检测装置4)之间设置独立控温管线3，独立控温管线3为适宜于联接以及气体流通的管路，如不锈钢管线、氟塑料管线等，外部包裹加热体及保温材料，由独立控温加热单元对其进行加热保温，可避免逸出气体在连接管线内冷凝。催化反应生成物经控温加热管线进入后续检测装置4进行定性定量分析，检测装置4可以是在线色谱检测器，也可以是在线质谱检测器，为提高检测灵敏度并有效地对催化反应过程的生成物种进行跟踪，优选质谱作为检测器。

本发明的有益效果：

本发明的脉冲进样单元可实现精确可控进样，可连续脉冲进样并保证良好的重复性。原位红外漫反射光谱池可置于傅利叶变换红外光谱仪漫反射附件的光路中进行原位傅利叶变换红外漫反射光谱测量，获得反应组分在催化剂表面吸附态及其动态转化信息；催化反应生成物经控温加热管线进入后续检测装置进行定性定量分析，可获得反应生成物信息。该系统兼具原位光谱表征功能和脉冲微反应器评价功能，不但可获得催化反应过程中反应组分在催化剂表面的吸附态及动态转化的信息，还可以对催化反应的动态产物组分进行分析，可在原位状态下，通过一次实验获取丰富的催化反应过程信息。

脉冲进样单元具有很好灵活性，进样组分可以即时灵活切换，并可以反复进行。可以单独脉冲进样，也可以多次脉冲持续进样，进样量精确可控，可保证良好的重复性。可以进行单独一个脉冲的微量进样，以减少后续原位红外表征过程中的光谱叠加问题，为进行原位时间分辨红外光谱的研究提供前提。

本发明所选用原位红外漫反射光谱池之结构可使反应气经原位光谱池气体入口导入，穿过催化剂床层经出口导出，初始反应组分和反应后组分不发生混流。原位红外漫反射光谱池兼具固定床微型反应器功能，漫反射红外光谱测量可获得反应组分在催化剂表面吸附态及其动态转化信息，气体穿过催化剂床层后流出反应器，进行在线分析，可获得生成物组分信息。实现在原位状态下获得反应组分在催化剂表面吸附态及其动态转化信息的同时，得到催化反应的活性评价数据。

Claims

1.一种催化反应脉冲原位分析系统，其特征在于包括：

脉冲进样单元（1），包括一个自动平面四通阀（10）、一个带定量样品管的自动平面六通阀（20）和按下述连接方式连接自动平面四通阀（10）、自动平面六通阀（20）的连接管线：

第一种气体（11）经过一个气体控制计量装置（13）后，通过第一管路（14）连接到自动平面四通阀（10）的接口g；

第二种气体（12）经过另一个气体控制计量装置（13）后，通过第二管路（15）连接到自动平面四通阀（10）的接口j；

自动平面四通阀（10）的接口i连接到第三管路（16）一端，所述第二管路（15）通过接口j、i联通于第三管路（16），

自动平面四通阀（10）的接口h连接到第四管路（17）一端，所述第一管路（14）通过接口g、h联通于第四管路（17），

自动平面六通阀（20）的接口a连接到第四管路（17）另一端，

自动平面六通阀（20）的接口b连接到第五管路（19）一端，

自动平面六通阀（20）的接口e连接到第三管路（16）另一端，

自动平面六通阀（20）的接口d连接到放空气管路（18），

自动平面六通阀（20）的接口f和接口c之间串联定量样品管；

自动平面六通阀（20）的转动实现以下两种联通状态的切换：

第1种，第四管路（17）通过接口a、b联通于第五管路（19），第三管路（16）通过接口e、f经定量样品管以及接口c、d联通于放空气管路（18），该联通状态为取样状态；

第2种，第四管路（17）通过接口a、f经定量样品管以及接口c、b联通于第五管路（19），第三管路（16）通过接口e、d联通于放空气管路（18），该联通状态为脉冲进样状态；

置于傅利叶变换红外光谱仪漫反射附件（2）的光路中进行原位傅利叶变换红外漫反射光谱测量的特定结构的原位红外漫反射光谱池（61），所述特定结构是指：

原位红外漫反射光谱池（61）的催化剂（22）装填于原位池样品槽（23）中形成催化剂床层，催化剂床层下部用不锈钢金属网或石英棉（25）进行封堵；

红外光（21）掠过催化剂（22）表面并发生反射，光谱采集模式为漫反射模式；

第五管路（19）另一端经气体入口（24）导入特定结构的原位红外漫反射光谱池（61）内，穿过催化剂床层后经气体出口（26）导出特定结构的原位红外漫反射光谱池（61），使得初始反应组分和反应后组分不发生混流；

色谱或质谱检测装置（4），通过独立控温管线（3）与气体出口（26）连接。

2.如权利要求1所述的催化反应脉冲原位分析系统，其特征在于：所述自动平面四通阀（10）及自动平面六通阀（20）的阀体为气动驱动、电动驱动或微电子线路驱动。

3.如权利要求1所述的催化反应脉冲原位分析系统，其特征在于：所述气体控制计量装置（13）为至少包括压力调节阀、稳流阀、以及质量流量控制器的气体压力控制和计量装置。