CN103846072B - 一种用于原位红外监测的反应池 - Google Patents

Abstract

一种用于原位红外监测的反应池，与梅特勒-托利多在线红外分析仪配套使用。池体由不锈钢制成，加热带绕于池体之外，热电偶置于不锈钢池体内，并连接电子温控仪用于温度检测和控制。反应池的顶盖设有压力表、两个阀门和一个取样口，红外探头从反应池的顶盖插入反应液体中。该反应池结合梅特勒-托利多的红外探头可用于原位监测氧化、加氢等高温、高压液相反应。

Description

一种用于原位红外监测的反应池

技术领域：

本发明涉及一种用于原位监测氧化、加氢等高温、高压液相反应的装置，具体说是一种与梅特勒托利多的红外探头配套使用的原位红外反应池。

背景技术：

红外光谱是认识化学反应的强有力的工具之一，因为化学反应通常涉及化学键的断裂和形成，红外光谱能够提供分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息。但是基于透射法的原位红外光谱技术在液相氧化加氢反应的研究中存在多种局限性。以分子氧为氧源的液相催化氧化反应为例，这类反应有以下特点：（1）多数情况下，水作为副产物存在于反应体系中；（2）大多反应需要在加热和压力存在条件下进行；（3）通常需要在溶剂中进行，且液相氧化反应液可能会有较深颜色；（4）溶于液体的氧气可能会产生气泡。这些因素都可能干扰红外光谱的收集。

衰减全反射红外光谱技术（ATR-IR）通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成份的结构信息，信号不需要透过样品，同时不破坏样品。目前已有基于这种技术的原位红外分析仪器，如梅特勒-托利多在线红外分析仪，研究时只需将耐压探头浸入反应器中就可直接测量反应液的红外吸收，在线实时跟踪和分析反应体系中反应物、中间物和产物的变化。例如Mettler-Toledo ReactIR IC15在线红外分析仪，具有一个直径为9mm的探头，该设计主要针对常压烧瓶中有机反应，但是高温、高压、含水等反应体系的原位红外监测需要特定的反应池。

发明内容

本发明的目的在于提供可用于原位红外监测的反应池，与Mettler-Toledo ReactIR在线红外分析仪等探头配套使用，用于氧化、加氢等高温、高压液相反应的原位监测。

根据氧化、加氢等反应的特点，该系统需要满足以下要求：能够检测较少反应液（如最小可为1mL），反应中密闭耐压（0.1-2.0MPa），反应后探头可拆卸清洗，接口及内部表面耐腐蚀，具有温控系统、搅拌系统、安全阀、气体压力检测控制系统、气体流量检测及切换系统等，同时能够在线取样（微量）等。

为实现上述目的，本发明针对Mettler-Toledo ReactIR在线红外分析仪的红外探头提供一种原位反应池，用于原位红外监测（附图1）：

反应池的池体以一不锈钢上端开口的容器作为釜体，釜体上端开口处设有不锈钢顶盖，于釜体外侧壁上缠绕有电加热带，一热电偶通过一下端封闭的圆管插入不锈钢釜体内部，热电偶通过导线与电子温控仪连接，电加热带通过电子温控仪与外界电源相连，电子温控仪用于釜体内盛放的反应液的温度检测和控制；釜体底部放置有搅拌磁子，池体置于一电磁搅拌器上。

不锈钢顶盖与池体之间利用聚四氟乙烯密封圈密封。

顶盖上设有连接压力表和两个两通阀门的接口，分别连接压力表和两个两通阀门，其中压力表用于检测反应池内的压力变化；一个两通阀门为气体入口，其通过气体质量流量控制器与所源相连，气体质量流量控制器能够检测控制气体的流量和压力；另一个两通阀门为气体出口，其连接有泄压阀或安全阀，用于气体的排出。

顶盖上设有与梅特勒托利多的红外探头直径相当的孔道，原位红外探头插入孔道内，探头和反应池之间使用聚醚醚酮卡套密封。

顶盖有一取样口，使用硅胶密封垫密封，可用于0.1-2.0MPa下的原位取样。

顶盖上设有压力表接口，其上接有压力表。

反应池连接温控系统、搅拌系统、安全阀、气体压力检测控制系统、气体流量检测及切换系统等，实现温度、气体、搅拌的控制等，用于原位氧化、加氢等反应条件控制，结合Mettler-Toledo ReactIR在线红外分析仪可实现原位条件下的红外监测。

本发明中解决的难点是梅特勒-托利多在线红外分析仪的金属探头与金属釜体之间的密封、在线取样时的密封：

1．原位检测反应液的红外光谱时，需将金属探头插入反应液面以下，关键要保证探头与釜体接触面在一定温度压力条件下（如20-170°C，0.1-2.0MPa）的气密性，拟利用卡套密封。常见的铜卡套受热膨胀系数与探头有差异，密封后易损坏探头且不利于探头拆卸清洗，同时在反应条件下铜易被腐蚀。聚四氟乙烯卡套耐酸碱，但是温度高时易软化。综合考虑，卡套材质拟选用聚醚醚酮（PEEK）高分子聚合物（熔点334℃，软化点168℃），这种树脂材料有着良好的机械性能和耐化学腐蚀、耐磨损、耐水解等性能，能够在实验氧化反应条件下稳定，同时不易损坏探头。

2．取样时的密封性解决方案：拟参照气相色谱中的进样口密封原理，利用密封垫实现在线取样时的密封，考虑到氧化反应的温度，拟选用基于聚四氟乙烯/硅橡胶的垫片，能够耐酸碱腐蚀、耐氧化、耐高温，而且方便更换。使用微量注射器取样，微量样品的抽取不会干扰氧化反应的平稳运行。

本发明具有如下特点：

（1）配合梅特勒-托利多在线红外分析仪，可用于气体参与的化学反应的原位红外监测。反应液最少仅需1mL，反应可在一定压力温度范围内（0.1-2.0MPa，室温-170°C）运行。

（2）在原位红外观测的同时，可带压在线取样（微量），特别适合于氧化、加氢等反应的原位监测分析。

附图说明

图1为本发明反应池示意图；1接气体质量流量控制器，2接原位红外探头，3热电偶，4接压力表，5取样口，6接泄压阀或安全阀，7搅拌磁子，8电加热带，9电磁搅拌器，10反应液。

图2：原位红外光谱研究苯甲醇的选择氧化反应；

图3：原位红外光谱研究监测5-羟甲基糠醛的氧化。

具体实施方式

实施例1：

结合附图1，制造了原位红外反应池，池体由不锈钢制造，内部为圆柱状，底部光滑。

锈钢顶盖与池体之间利用聚四氟乙烯密封圈密封，顶盖连接压力表和两个两通阀门，其中压力表用于检测反应池内的压力变化，一个阀门为气体入口，连接气体质量流量控制器，能够检测控制气体的流量和压力等；另一个阀门为气体出口，同时连接有安全阀，用于气体的排出。

反应池底部内置搅拌磁子，外接电磁搅拌。加热带绕于釜体之外，热电偶通过圆管插入反应池内部，并连接电子温控仪，实现温度的监测和控制。

顶盖有与梅特勒托利多的红外探头直径相当的孔道，探头和反应池之间使用聚醚醚酮卡套密封。顶盖有一取样口，使用硅胶密封垫密封。

结合制造的反应池和Mettler-Toledo ReactIR IC15在线红外分析仪原位研究苯甲醇的液相氧化（参考文献Adv.Synth.Catal.2009,351,558-562），其中氧气为0.5MPa，反应液为5mL乙腈，温度80°C。附图2为得到的三维红外光谱图。

实施例2：

结合制造的反应池和Mettler-Toledo ReactIR IC15在线红外分析仪原位研究5-羟甲基糠醛的氧化制备马来酸酐（参考文献Green Chem.,2011,13,554-557），其中反应池内总压力为1.0-2.0MPa，反应液为1mL乙腈，温度60-150°C。附图3为不同时间反应液的原位红外光谱图。

Claims (4)

1.一种用于原位红外监测的反应池，其特征在于：

反应池的池体以一不锈钢上端开口的容器作为池体，池体上端开口处设有不锈钢顶盖，池体外侧壁上缠绕有电加热带，一热电偶通过一下端封闭的不锈钢圆管插入不锈钢池体内部，热电偶通过导线与电子温控仪连接，电加热带通过电子温控仪与外界电源相连，电子温控仪用于池体内盛放的反应液的温度检测和控制；池体底部放置有搅拌磁子，池体置于一电磁搅拌器上；

顶盖上设有与梅特勒托利多的红外探头直径相当的孔道，原位红外探头插入孔道内，探头和反应池之间使用聚醚醚酮卡套密封；

顶盖上设有连接压力表和两个两通阀门的接口，分别连接压力表和两个两通阀门，其中压力表用于检测反应池内的压力变化；一个两通阀门为气体入口，其通过气体质量流量控制器与气源相连，气体质量流量控制器能够检测控制气体的流量和压力；另一个两通阀门为气体出口，其连接有泄压阀或安全阀，用于气体的排出。

2.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于：不锈钢顶盖与池体之间利用聚四氟乙烯密封圈密封。

3.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于：顶盖有一取样口，使用硅胶密封垫密封。

4.根据权利要求1所述的反应池，其特征在于：

顶盖上设有压力表接口，其上接有压力表。