CN103990421A - 用于气固多相反应的装置及气固多相反应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气固多相反应的装置，包括反应管、热电偶，以及加热组件；反应管包括第一管壁和第二管壁；第二管壁的内径大于第一管壁的外径，第一管壁嵌套在第二管壁形成的空腔中，第一管壁和第二管壁之间形成两端封闭的环柱状反应腔；环柱状反应腔内设置有支撑台，支撑台与第一管壁或第二管壁之间存在间隙；第二管壁的两端分别设置有进气口和出气口；加热组件用于加热反应管；热电偶设置在第一管壁形成的空腔中，热电偶用于测试反应管的温度。本发明的装置无需使用外围加热炉，减少了装置整体的体积，节约了占地空间，有利于装置的小型化；并且，该装置结构简单，易于制备。本发明还提供了一种气固多相反应方法。

Description

用于气固多相反应的装置及气固多相反应方法

技术领域

本发明涉及气固多相反应，特别是涉及一种用于气固多相反应的装置及一种气固多相反应方法。

背景技术

气固多相反应常用于评价固体催化剂的活性，一般在固定反应床上进行。固定反应床多为圆筒形反应管，在进行反应时，通常向该圆筒形反应管中装入固体样品，并在该圆筒形反应管的外围安装加热炉以维持反应所需的温度；然后在一定温度下，向圆筒形反应管内通入反应气体，与固体样品接触，实现气固多相反应。但是，圆筒形反应管外围的加热炉体积较大，会占用较多的空间，不利于设备的小型化。

发明内容

本发明提供一种无需使用外围加热炉的用于气固多相反应的装置。同时，本发明还提供一种气固多相反应方法。

为达到技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于气固多相反应的装置，包括反应管、热电偶，以及加热组件；

所述反应管包括第一管壁和第二管壁；

所述第二管壁的内径大于所述第一管壁的外径，所述第一管壁嵌套在所述第二管壁形成的空腔中，所述第一管壁和所述第二管壁之间形成两端封闭的环柱状反应腔；

所述环柱状反应腔内设置有支撑台，所述支撑台与所述第一管壁或所述第二管壁之间存在间隙；

所述第二管壁的两端分别设置有进气口和出气口；

所述加热组件用于加热所述反应管；

所述热电偶设置在所述第一管壁形成的空腔中，所述热电偶用于测试所述反应管的温度。

在其中一个实施例中，所述加热组件为加热丝，所述加热丝设置在所述第一管壁形成的空腔中。

在其中一个实施例中，所述加热丝的功率为100W～1000W。

在其中一个实施例中，所述装置还包括绝缘管；

所述绝缘管设置在所述第一管壁形成的空腔中，所述热电偶设置在所述绝缘管中；

所述加热丝为螺旋结构，所述螺旋结构的加热丝缠绕在所述绝缘管的外壁上。

在其中一个实施例中，所述加热组件为激光器，所述激光器发射的激光照射所述反应管。

在其中一个实施例中，所述环柱状反应腔的外径与所述反应管的长度之比为1:10～1:50；

所述第一管壁形成的空腔的直径与所述环柱状反应腔的外径之比为1:2～1:6；

所述支撑台与所述第一管壁或所述第二管壁之间的间隙为1mm～3mm。

在其中一个实施例中，所述装置还包括保温层，所述保温层设置在所述第二管壁外侧。

在其中一个实施例中，所述保温层与所述第二管壁之间存在间隙，并形成密封的保温腔；

所述保温腔内的气压≤10Pa。

一种气固多相反应方法，采用所述的用于气固多相反应的装置，包括如下步骤：

由反应管的进气口向环柱状反应腔中加入支撑底料，所述支撑底料落至支撑台及所述支撑台与第一管壁或第二管壁之间的间隙中；

将固体样品由所述进气口加入到所述环柱状反应腔中，固体样品落至所述支撑底料上；

从所述进气口通入反应气体；

给加热组件通电，加热所述反应管，并根据热电偶的测试温度实时调整所述加热组件的输出电压或工作时间，使所述反应管的温度处于预设的温度范围内；

反应气体和固体样品进行反应；

反应结束后，停止加热，待所述环柱状反应腔中的温度降至室温后，停止反应气体的通入。

在其中一个实施例中，所述反应气体和所述固体样品的反应过程中，还包括利用紫外光、可见光或红外光对所述固体样品进行辐射的步骤。

本发明的有益效果如下：

本发明的用于气固多相反应的装置，反应管不同于传统装置中的圆筒形，而是由第一管壁和第二管壁形成的环柱状结构，当加热组件对反应管加热时，可将加热组件置于第一管壁形成的空腔中，无需使用外围加热炉，从而减少了装置整体的体积，节约了占地空间，有利于装置的小型化；并且，该装置结构简单，易于制备。本发明的气固多相反应方法，可利用本发明的装置完成气固多相反应。

附图说明

图1为本发明的用于气固多相反应的装置一实施例的剖视图；

图2为图1中用于气固多相反应的装置中A部分的放大图；

图3为本发明的气固多相反应方法一实施例中反应产物的浓度随温度的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参见图1和图2，本发明提供了一种用于气固多相反应的装置，该装置包括反应管110、热电偶130，以及加热组件120。反应管110用于为气固多相反应提供反应场所，热电偶130用于测试反应管的温度，加热组件120用于为气固多相反应提供所需的温度。

反应管110包括第一管壁111和第二管壁112，第二管壁112的内径大于第一管壁111的外径，第一管壁111嵌套在第二管壁112形成的空腔中，第一管壁111和第二管壁112之间形成两端封闭的环柱状反应腔113，气固多相反应在环柱状反应腔113中完成。

环柱状反应腔113内设置有支撑台114，支撑台114用于放置固体样品170，支撑台114和第一管壁111或第二管壁112之间存在间隙，该间隙用于反应气体的通过。

优选地，支撑台114设置在环柱状反应腔113的中部。如图2所示，支撑台114可由第二管壁112凹向第一管壁111形成，此时，支撑台114与第一管壁111之间存在间隙。此种设计节约了原材料，简化了模具。同理，支撑台114也可由第一管壁111凹向第二管壁112形成，此时，支撑台114与第二管壁112之间存在间隙。

此外，支撑台114也可为单独的支撑板。该单独的支撑板可与第一管壁111连接，同时与第二管壁112之间存在间隙；该单独的支撑板也可与第二管壁112连接，同时与第一管壁111之间存在间隙。

参见图1，第二管壁112的两端分别设置有进气口115和出气口116。在进行气固多相反应时，固体样品170通过进气口115加入到支撑台114上，反应气体从进气口115通入，反应后的气体由出气口116排出。较优地，在进气口115处设置有进气管，在出气口116处设置有出气管，且进气管与第二管壁的夹角φ设置为135°，以方便进料。

参见图1，环柱状反应腔113的外径ΦA(即第二管壁112的内径)与反应管的长度D之比为1:10～1:50；第一管壁111形成的空腔的直径ΦB(即第一管壁111的内径)与环柱状反应腔113的外径ΦA之比为1:2～1:6。

参见图2，当支撑台114由第二管壁112凹向第一管壁111形成时，支撑台114与第一管壁111之间的间隙d为1mm～3mm。支撑台114与第一管壁111之间的间隙用于气体的通过，该间隙过大，会使固体样品170从间隙漏掉，间隙过小，又不利于气体的通过，经实验证实，支撑台114与第一管壁111之间的间隙优选为1mm～3mm，在此范围内，气固多相反应能够顺利进行。

优选地，反应管110的材质为石英玻璃。石英玻璃具有较低的价格，节约了装置的成本；同时石英玻璃具有较高的透光性，通过石英玻璃可清楚直观地观察反应的进程，从而能有效控制反应的进行，在反应过程中，还可对反应管110内的反应物辅以光照射，加快反应进度；并且，石英玻璃具有优异的耐腐蚀性、耐高温性能，不易于气体发生反应等优点。此外，反应管110也可选用其他材质，如普通玻璃、刚玉、氧化铝、陶瓷、不锈钢和聚四氟乙烯等。

加热组件120用于加热反应管110。如图1所示，加热组件120优选为加热丝。当加热组件120为加热丝时，将加热丝设置在第一管壁111形成的空腔中。该方式无需使用外围加热炉，有效减小了装置的体积，节约了装置的占地空间；且不会遮蔽反应管110，当反应管110为透明材质时，可直观的观察反应过程并对反应辅以光照射。

需要说明的是，加热丝也可由加热管、加热片等组件代替。

优选地，当加热组件120为加热丝时，加热丝的功率为100W～1000W。在传统的气固多相反应中，由于加热炉设置在反应管110的外围，因此，其能量消耗较多，热容和功率也较大。本发明中加热丝设置在反应管的内围，即第一管壁111形成的空腔中，此种设计方式大大降低了能量的损耗，采用较低的功率即可使反应顺利进行。

另外，加热组件120也可选用激光器。在进行气固多相反应时，将激光器对准反应管110的反应区域，即支撑台114所在的区域，然后给激光器通电，使其发射一定波长的激光，加热反应管110。激光加热的优点在于其直接、快速；且利用激光加热同样能够避免外围加热炉的使用，减小装置体积。

本发明中，热电偶130设置在第一管壁111形成的空腔中，用于测试反应管110的温度。在反应过程中，可根据热电偶130的测试温度对加热组件120的加热功率及加热时间等参数进行调节，使反应管110的温度控制在预设的范围内，以保证反应的顺利进行。

较佳地，作为一种可实施方式，本发明的用于气固多相反应的装置还包括绝缘管140。绝缘管140设置在第一管壁111形成的空腔中，热电偶130设置在绝缘管140中；加热丝为螺旋结构，螺旋结构的加热丝缠绕在绝缘管140的外壁上。绝缘管140优选为石英材质，其具有优异的绝缘性以及耐腐蚀、耐高温性能。绝缘管140的设置，避免了加热丝和热电偶120的接触，增加了安全性能。同时，螺旋结构的加热丝则增加了加热丝的加热面积，从而提高了加热速率。

作为进一步改进，本发明的装置还增加了保温层150，保温层150设置在第二管壁112外侧。保温层150的设置，减少了装置的热量损失，增加了能量的利用率。

其中，保温层150可直接包裹在第二管壁112的外侧，防止反应管110内的热量向外界传递。作为优选，保温层150与第二管壁112之间存在间隙，并形成密封的保温腔，保温腔内的气压≤10Pa。保温腔将反应管110与外界隔绝，且保温腔内近真空的状态使得反应管110与外界的热传递大大减小，进一步增加了保温性能。

为了节省材料，保温层150设置在反应管110外侧的反应区域，一般为第二管壁112外侧的中间区域，而不必贯穿整个反应管110。一般地，保温层的材质为石英棉、石英布、硅酸铝、气凝胶毡和聚四氟乙烯等。

本发明的用于气固多相反应的装置，反应管110不同于传统装置中的圆筒形，而是为第一管壁111和第二管壁112形成的环柱状结构，当加热组件120对反应管110加热时，无需使用外围加热炉，可将加热丝置于第一管壁111形成的空腔中，对反应管110进行加热，也可通过激光器对第二管壁112进行照射来进行加热，从而减少了装置整体的体积，节约了占地空间，有利于装置的小型化；并且，该装置结构简单，易于制备。

本发明还提供了一种气固多相反应方法，采用上述的用于气固多相反应的装置，包括如下步骤：

S100：由反应管110的进气口115向环柱状反应腔113中加入支撑底料160，支撑底料160落至支撑台114以及支撑台114与第一管壁111或第二管壁112之间的间隙中。

由于参与反应的固体样品170一般颗粒较小，为了防止固体样品170由支撑台114与第一管壁111或第二管壁112之间的间隙掉落，在放入固体样品170之前，先在反环柱状应腔113中加入支撑底料160。

优选地，支撑底料160为石英砂或石英棉。石英砂或石英棉耐高温、化学性质稳定，不易与其他物质发生反应，且价格低廉，能节约反应的成本。此外，支撑底料160也可为其他化学稳定的固体物质，如氧化铝、氧化锆、堇青石、碳化硅等，可根据参与反应的固体样品及具体的反应条件进行选择。

S200：将固体样品170由进气口115加入到环柱状反应腔113中，固体样品170落至支撑底料160上；

较优地，在加入固体样品170后，继续向反应管113中加入支撑底料(此部分的支撑底料图中未示出)，使之覆盖固体样品160，避免固体样品160在反应过程中受反应气体的扰动而被吹起。

S300：从进气口115通入反应气体；

S400：给加热组件120通电，加热反应管110，并根据热电偶130的测试温度实时调整加热组件120的输出电压或工作时间，使反应管110的温度处于预设的温度范围内；

S500：反应气体和固体样品170进行反应；

S600：反应结束后，停止加热，待环柱状反应腔113中的温度降至室温后，停止反应气体的通入。

反应结束后的产物及支撑底料160由进气口115倒出。

较佳地，在S500中，即反应气体和固体样品170的反应过程中，还包括利用紫外光、可见光或红外光对固体样品进行辐射的步骤。对于某些气固多相反应，通常需要光催化来完成，根据具体的实际需要，对反应管110内施加一定波段的光的照射，促使反应完成。在对固体样品进行辐射时，要求反应管110具有较高的透光率。

本发明的气固多相反应方法，步骤简单，易于实现，容易操作。下面以碳烟颗粒(德国Degussa公司的Printex-U炭黑)的氧化反应对本发明的气固多相反应方法加以说明。

实施例1

(1)称取的80目的石英砂0.1g，从进气口加入到环柱状反应腔中，使石英砂落至支撑台上，并铺满支撑台及支撑台与第一管壁或第二管壁之间的间隙；

(2)称取0.05g碳烟颗粒，从进气口加入到环柱状反应腔中，使落至已铺入的石英砂之上；继续加入石英砂，使覆盖碳烟颗粒；调整热电偶的顶端位置，使热电偶位于碳烟颗粒的中间位置处；

(3)从进气口通入O₂/N₂混合气(O₂体积分数为10％)，流量100mL/min；

(4)将加热丝两端接入负载电压，加热反应管；并根据热电偶的测试温度实时调整加热组件的输出电压或工作时间，使反应管的温度升至800℃。

在此步骤中，为了使反应更具可控性，将热电偶及加热丝分别与温控仪相连接，并在温控仪上设置升温程序，使得反应管按照一定的规律进行升温。本实施例中温控仪选择厦门宇电温控仪(型号808P)；反应管的温度从室温以5℃/min的速率升至800℃。

(5)当温度升至800℃后，保温1～3小时，使碳烟颗粒与通入的O2充分反应；

(6)停止加热，降至室温后，停止通入气体。

需要说明的是，在反应过程中，还包括如下步骤：从出气口收集反应后的气体，并利用在线色谱仪检测反应产物CO₂和CO的浓度，以判断反应进程。本实施例中，反应产物CO₂和CO的浓度随温度的变化曲线如图3所示。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于气固多相反应的装置，其特征在于，包括反应管、热电偶，以及加热组件；

所述反应管包括第一管壁和第二管壁；

所述第二管壁的内径大于所述第一管壁的外径，所述第一管壁嵌套在所述第二管壁形成的空腔中，所述第一管壁和所述第二管壁之间形成两端封闭的环柱状反应腔；

所述环柱状反应腔内设置有支撑台，所述支撑台与所述第一管壁或所述第二管壁之间存在间隙；

所述第二管壁的两端分别设置有进气口和出气口；

所述加热组件用于加热所述反应管；

所述热电偶设置在所述第一管壁形成的空腔中，所述热电偶用于测试所述反应管的温度。

2.根据权利要求1所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，所述加热组件为加热丝，所述加热丝设置在所述第一管壁形成的空腔中。

3.根据权利要求2所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，所述加热丝的功率为100W～1000W。

4.根据权利要求3所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，所述装置还包括绝缘管；

所述绝缘管设置在所述第一管壁形成的空腔中，所述热电偶设置在所述绝缘管中；

所述加热丝为螺旋结构，所述螺旋结构的加热丝缠绕在所述绝缘管的外壁上。

5.根据权利要求1所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，所述加热组件为激光器，所述激光器发射的激光照射所述反应管。

6.根据权利要求1所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，

所述环柱状反应腔的外径与所述反应管的长度之比为1:10～1:50；

所述第一管壁形成的空腔的直径与所述环柱状反应腔的外径之比为1:2～1:6；

所述支撑台与所述第一管壁或所述第二管壁之间的间隙为1mm～3mm。

7.根据权利要求1所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，所述装置还包括保温层，所述保温层设置在所述第二管壁外侧。

8.根据权利要求7所述的用于气固多相反应的装置，其特征在于，所述保温层与所述第二管壁之间存在间隙，并形成密封的保温腔；

所述保温腔内的气压≤10Pa。

9.一种气固多相反应方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一项所述的用于气固多相反应的装置，包括如下步骤：

由反应管的进气口向环柱状反应腔中加入支撑底料，所述支撑底料落至支撑台及所述支撑台与第一管壁或第二管壁之间的间隙中；

将固体样品由所述进气口加入到所述环柱状反应腔中，固体样品落至所述支撑底料上；

从所述进气口通入反应气体；

给加热组件通电，加热所述反应管，并根据热电偶的测试温度实时调整所述加热组件的输出电压或工作时间，使所述反应管的温度处于预设的温度范围内；

反应气体和固体样品进行反应；

反应结束后，停止加热，待所述环柱状反应腔中的温度降至室温后，停止反应气体的通入。

10.根据权利要求9所述的气固多相反应方法，其特征在于，所述反应气体和所述固体样品的反应过程中，还包括利用紫外光、可见光或红外光对所述固体样品进行辐射的步骤。