CN104162386A - 透明管式光热反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种透明管式光热反应器。该透明管式光热反应器由管部分、灯管和壳体组成，管部分为石英外管内置加热棒加热的结构形式，其中反应管为石英管材质，也可采用硬质玻璃等透明材质。加热棒和热电偶外均套有套管，套管均为盲管的形式。加热棒套管从反应管下面插入反应管内，加热棒套管上面放置石英棉以及催化剂样品，而热电偶套管从反应管上部插入催化剂内，防止热电偶与加热棒的直接接触。反应管左右两侧对称放置两根灯管，可以为各种管状灯源。气体的流动模式与传统管式反应器类似，从反应管上部流入，反应后，产物从底部流出。该透明管式光热反应器可以广泛地用于光热催化反应或者催化剂光热反应性能评价中。
Description
技术领域
本发明总体涉及催化剂反应性能测试的仪器领域，具体地说是提供一种外部光源照射透明管内部样品实现光热反应的固定床用管式光热反应器。
背景技术
固定床反应器是一种微分反应装置，在催化剂反应性能测试方面具有广泛的应用。光作为一种自然的能源形式，作用于光敏感催化剂时，可使得催化剂处于激发态，从而促进催化反应过程的发生。光催化具有自身独特的优势，相比于热能，光子携带的巨大能量能完成热能无法实现的化学反应过程。另外光催化中，可通过选择合适能量的光源，选择地激发反应物，实现单一反应过程的发生。然而对于一些需要较大能量的光激发的反应，往往常用的白色光(390～780nm)和紫外光源(254nm)可能无法满足。另外光在催化反应的利用效率不大也限制它的应用。
光热反应过程是将光和热两者结合起来，在一定的反应温度，在光的辅助作用下，催化剂的反应性能一般远高于单一的光催化和热催化活性。因此要达到相同的反应活性，在光的参与作用下，可明显地降低反应的温度，同时可提高反应的选择性。反过来说，热源的存在可以减低所需光源的能量，即在一定温度下，使得原本需要在很高能量的光源作用的反应可以在常用的白色光(390～780nm)和紫外光源(254nm)完成。因此光热反应器充分发挥了光和热的协同作用，相互促进。
为此，申请人于2012年9月提出了“固定床光热反应器”的发明专利申请。该申请中将固定床和光源结合起来，主要是对光热反应器的结构进行比较特殊的设计，实现了热源与光源在位置上良好的匹配。但该固定床光热反应器采用内置光源外置加热炉加热的方式，由于光源处于高温炉体中，需要冷却。在该装置中，光源外套有光源套管，中间吹冷气，另外光源套管外还套有真空管，以隔绝炉体对灯管的传热，因此该装置结构和加工工艺较为复杂，使用成本比较高，大大地限制了其应用。实际上，本申请人于2013年5月提出了“透明管式反应器”的发明申请专利，该申请中提出一种外管透明内部样品可视的管式反应器，该反应器采用加热棒内置加热的方式，实现催化剂的高温反应，同时可以观察到反应过程中催化剂样品的颜色和状态。在此基础上，本申请人提出一种结构和工艺简单，操作方便，使用成本低的透明床式光热反应器，这对光热反应的研究有着广泛的现实意义。
发明内容
本发明设计出了一种崭新的透明管式光热反应器，并着重考虑设计中存在的问题。例如要考虑到加热棒与测温热电偶同时插入反应管内，但两者最好要相互隔绝，不相互接触，这样才能更准确地测定样品的温度，同时还考虑到灯管的数量和与反应管的位置问题，尽量地降低灯管的使用温度，因此对该反应器的结构进行特殊的设计。
具体来说，本发明中反应器由管部分、灯管和壳体组成，管部分为石英外管内置加热棒加热的结构形式，其中反应管为透明的石英管材质，也可采用普通的硬质玻璃或者其他的透明材质。加热棒和热电偶外均套有相应的加热棒套管和热电偶套管，加热棒套管的上端和热电偶套管的下端均为盲管的形式，以便于反应管的密封。加热棒套管及加热棒从反应管下面插入反应管内，加热棒套管上面放置一层一定厚度的石英棉，石英棉上再放置催化剂样品，加热棒通过自然传热的方式对催化剂进行加热，使催化剂样品的温度均匀。而热电偶套管及热电偶从反应管上部插入催化剂内，这样可防止热电偶与加热棒的直接接触，另外热电偶与催化剂接触，可有效地测定催化剂的温度。在反应管的左右两侧对称放置两根灯管，也可根据用户需求选择多根灯管。灯管可以为白炽灯管、高压氙灯、高压汞灯和卤钨灯等各种管状灯源，可根据用户的光源要求进行选择，另外灯管与反应管的距离要尽量远，避免灯管温度过高而影响其正常工作，距离的选择则要考虑到反应的温度和灯管的工作状态。反应管和灯管均处于外壳中，外壳要尽量密封，防止光线外露，减小能量损失以及对人体的伤害；外壳的材料可选用不锈钢、铝等金属，尽量减小其对光源的吸收。气体的流动模式与传统的管式反应器类似，从反应管上部入口流入，经过催化剂反应后，产物从反应管底部出口流出。
下面结合附图进行详细说明
图1为本发明的透明管式光热反应器的结构示意图；
如图1为本发明的透明管式光热反应器的结构示意图。该透明管式光热反应器由管部分1、灯管11和壳体12组成，其中管部分1为石英外管2内置加热棒8加热的结构形式，反应管2为透明的石英管材质，也可采用普通的硬质玻璃或者其他的透明材质。加热棒8和热电偶4外均套有相应的加热棒套管7和热电偶套管3，加热棒套管7的上端和热电偶套管7的下端均为盲管的形式，以便于反应管2的密封。加热棒套管7及加热棒8从下面插入反应管2内，加热棒套管7上面放置一层一定厚度的石英棉6，石英棉6上再放置催化剂样品5，加热棒套管7的粗度与反应管2相当，因此可起到承载石英棉6的作用，防止在反应过程中吹动或松散而导致催化剂样品5损失。加热棒8通过自然传热的方式对上面支撑的催化剂样品5进行加热，同时使催化剂样品5的温度均匀。而热电偶套管3及热电偶4从反应管2上部插入催化剂样品5中，这样可防止热电偶4与加热棒8相接触，另外热电偶4与催化剂样品5紧密接触，可有效地测定催化剂样品5的温度。
在反应管2的左右两侧对称放置两根灯管11，也可根据用户需求选择多根灯管。灯管11可以为白炽灯管、高压氙灯、高压汞灯和卤钨灯等各种管状灯源，可根据用户的要求进行选择，另外灯管11与反应管2的距离要尽量远，避免灯管11温度过高而影响其正常工作，距离的选择则要考虑到反应的温度和灯管11的工作状态。反应管2和灯管11均处于外壳12中，外壳12要尽量密封，防止光线外露，以减小能量损失以及对人体的伤害；外壳12的材料可选用不锈钢、铝等金属，尽量减小其对光源的吸收。
气体的流动模式与传统的管式反应器类似，从反应管上部入口9流入，经过催化剂5反应后，产物从反应管底部10出口流出，进入色谱、质谱等检测仪器中进行分析或者通过尾气处理后进行排空。
该透明管式光热反应器可以广泛地用于光热催化反应或者催化剂的光热反应性能的评价中，其结构和工艺简单，操作方便，使用成本低，具有较大的实用价值和应用前景。
Claims (7)
1.一种透明的管式光热反应器。
2.按照权利要求1所述的透明管式光热反应器，其特征在于其由管部分、灯管和壳体组成。
3.按照权利要求2所述的管部分，其特征在于其为石英外管内置加热棒加热的结构形式，加热棒和热电偶外均套有相应的加热棒套管和热电偶套管，加热棒套管的上端和热电偶套管的下端均为盲管的形式，以便于反应管的密封。加热棒套管及加热棒从反应管下面插入反应管内，加热棒套管上面放置一层一定厚度的石英棉，石英棉上再放置催化剂样品，加热棒通过自然传热的方式对催化剂进行加热，使催化剂样品的温度均匀。而热电偶套管及热电偶从反应管上部插入催化剂内，这样可防止热电偶与加热棒的直接接触，另外热电偶与催化剂接触，可有效地测定催化剂的温度。
4.按照权利要求2所述的管部分，其特征在于其中气体的流动模式与传统的管式反应器类似，从反应管上部入口流入，经过催化剂反应后，产物从反应管底部出口流出。
5.按照权利要求2所述的多根灯管，其特征在于其对称放置在反应管的两侧，其数量可根据用户需求选择，可以为白炽灯管、高压氙灯、高压汞灯和卤钨灯等各种管状灯源，根据用户的要求进行选择，另外其与反应管的距离要尽量远，避免其温度过高而影响其正常工作，距离的选择则要考虑到其工作状态和反应的温度。
6.按照权利要求2所述的外壳，其特征在于反应管和灯管均处于其中，要尽量密封，防止光线外露，减小能量损失以及对人体的伤害；其材料可选用不锈钢、铝等金属，尽量减小光源的吸收和损失。
7.按照权利要求3所述的石英管，其特征在于其为透明的石英管材质，也可采用普通的硬质玻璃或者其他的透明材质。
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