CN106362670B - 射流搅拌反应器系统 - Google Patents

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Abstract

一种射流搅拌反应器系统，催化化学技术领域，包括反应器装置，所述反应器装置包括主进气管路、至少一个次级管路和负载部件，其中，所述次级管路与所述主进气管路连通且次级管路截面为向下游的收敛性结构，以使气体在次级管路出口处形成射流；所述负载部件被配置为负载催化剂，所述负载部件设置于所形成射流的下游。本发明通过设置次级管路和负载部件系统，可以使得反应气体与催化剂有较长的接触时间，从而保证催化反应可以最大程度的进行。

Description

射流搅拌反应器系统
技术领域
本发明属于催化化学技术领域，进一步涉及一种射流搅拌反应器系统。
背景技术
催化研究所使用的反应器大部分是固定床反应器，均是流体通过载有催化剂的固定床层进行化学反应。由于气相反应物在常规固定床反应器中的滞留时间很短，并且固定床对催化剂的形状有一定的限制，这就导致了催化剂的催化效率较低，反应中产物和中间体检测困难，且不利于不同形状催化剂的广泛应用。
近些年来，人们对流动管反应器进行了一些改进。授权公告号为CN102186578 B的中国专利“催化反应器”提出了一种紧凑催化反应器，该反应器限定许多交替布置的第一和第二流动通道，分别用于吸热反应和用于放热反应，并分别包含催化反应的可拆除的可透流体的催化插入物。该反应器通过增加通道的长度，增加反应物与催化剂的接触时间，从而提高催化剂的催化性能。但是该反应器中的反应物不能够进行有效的混合，也无法实时检测催化反应的多种产物。此外，该反应器的制造成本较高。授权公告号为CN 1531458 B的中国专利“含有多相催化剂的化学转化流动反应器”提出了带有控制放热装置的用于固定催化剂放热化学转化的流动反应器。该反应器包括多根带隔层的导管，用于延长催化剂与反应物的接触时间。该反应器做工十分复杂，成本极高，对催化剂形状有所限制，无法在线获得不稳定及稳定的反应产物的实时变化信息。授权公告号为CN102807901 B的中国专利“一种生物质气化催化裂解工艺及整体式气化催化反应器”使用固定床用于焦油的催化裂解，但该反应器对催化剂形状有所限制，并且对反应物有所限制，也无法实时检测催化反应的多种产物。
射流搅拌反应器的优点是能够使得反应燃料和氧气在反应器内产生射流并有效的混合，形成均相反应气体，保证气体在反应器内具有较长的滞留时间并可以充分反应。此外，射流搅拌反应器还能与常规的气相色谱、红外光谱和质谱等分析设备耦合，对气相反应产物进行定性和定量分析。
因此，发展一种可以有效进行催化反应，能够实时在线检测催化反应产物的射流搅拌反应器系统是十分必要的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种射流搅拌反应器系统，以解决以上所述的至少一种技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种射流搅拌反应器系统，包括反应器装置，其中：所述反应器装置包括主进气管路、至少一个次级管路和负载部件，其中，所述次级管路与所述主进气管路连通且次级管路截面为向下游的收敛性结构，以使气体在次级管路出口处形成射流；所述负载部件被配置为负载催化剂，所述负载部件设置于所形成射流的下游。
进一步的，所述至少一个次级管路的个数为4-8个，并且沿着一固定轴均匀分布。
进一步的，所述负载催化剂的方式为在负载部件上覆盖催化剂层，或者催化剂为粉末状、球状、条状、圆柱状、片状、多孔管道或蜂窝体。
进一步的，所述收敛性结构为口径渐变性收敛性结构或者口径具有突变性收敛结构。
进一步的，至少一个次级管路绕某一轴进行转动和/或自身进行转动。
进一步的，所述次级管路为具有弧度的管路。
进一步的，所述反应器装置还包括加热单元，以对所述负载部件、反应器及反应物质进行加热；优选的，所述反应器装置还包括温度检测单元，以监测反应温度。
进一步的，还包括进样装置，所述进样装置包括反应气体管路、反应液体管路和载气管路，均连接至反应器装置的主进气管路，以为反应器装置输送反应物和载气。
进一步的，还包括在线检测系统，在线检测系统包括取样管路，所述反应器装置包括出气管路，所述出气管路连接与所述取样管路连通。
进一步的，所述在线检测系统(30)包括分析设备，所述分析设备包括气相色谱分析仪、气相色谱质谱联用分析仪、分子束质谱或傅里叶红外光谱分析仪等。
(三)有益效果
通过上述技术方案，可以看出本发明的有益效果在于：
a、通过设置次级管路和负载部件系统，可以使得反应气体与催化剂有较长的接触时间，从而保证催化反应可以最大程度的进行；
b、通过设置在线检测装置以及与反应器装置连通，能够对催化反应产物进行在线取样并进行检测，可用于各种催化研究。
c、通过设置加热单元和设置不同的氧气浓度，能够提高催化剂的催化性能，降低反应物的活化能，提高转化效率，获得反应物的动力学特性。
附图说明
图1为一种射流搅拌反应器系统的示意图。
图2为利用本发明的装置进行的丙烯催化反应中在不同氧气浓度下，丙烯的转换率图，其中，催化剂为氧化铜(CuO)。
图3为利用本发明的装置进行的均三甲苯催化反应在未加入空网、加入未镀膜不锈钢网及加入镀有催化剂的不锈钢网条件下均三甲苯的转换率图，其中，催化剂为氧化铜(CuO)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
参见图1所示，根据本发明总体上的发明构思，提供一种射流搅拌反应器系统，包括反应器装置20，其中，
所述反应器装置20包括主进气管路21、至少一个次级管路和负载部件，其中，
所述次级管路与所述主进气管路连通且次级管路截面为向下游的收敛性结构，以使气体在次级管路出口处形成射流；
所述负载部件被配置为负载催化剂22，所述负载部件设置于所形成射流的下游。
对于负载催化剂22的负载部件，在一种实施例中，所述负载部件包含有网状结构，参见图3所示，该网状结构可以使得反应气体与催化剂有较长的接触时间，从而保证催化反应可以最大程度的进行。
优选的，上述负载催化剂的方式为在负载部件上覆盖催化剂层。
优选的，催化剂的形状还可以为粉末状、球状、条状、圆柱状、片状、多孔通道和蜂窝体等。
负载部件的一种设置方式是固定在一射流搅拌器23上，位于射流的下游，射流可以均匀与负载部件的催化剂进行接触。催化射流搅拌反应器23的尺寸可以根据实际情况而确定。
对于次级管路，其中所述口径收敛结构为口径渐变性收敛结构或者口径具有突变性收敛结构。通过该结构可以保证产生射流，以使载气和反应气体充分分散，增大与催化剂的接触时间。
优选的，所述次级管路的出口的孔径介于0.1-2mm之间。
次级管路的个数可以为4-8个，优选的为4个，并且次级管路可以沿着一固定轴(例如主进气管路所形成的轴)均匀分布，最终次级管路的出口朝向不同方向，气体从出口喷出，在反应器内部形成射流；优选的，所述次级管路为具有弧度的管路。
一种优选的次级管路的设置方式是，至少一个次级管路绕某一轴进行转动和/或自身进行转动，通过旋转可以使气体在反应器内部均匀分布，提高反应效率。
进一步的，所述反应器装置20还可以包括加热单元26，以对所述负载部件、反应器及反应物质进行加热。加热单元26可以是加热带结合控温仪，以提供催化射流搅拌反应器中化学反应所需要的温度。
具体的该加热单元可以为一恒温炉。
相配套的，反应器装置20内还设定有热电偶25，以对反应器装置20内的温度进行测定。
进一步的，反应器装置20还包括出气管路24，以将反应产物排出并检测。
反应器装置20的一种优选设置方式是：在催化射流搅拌反应器23内部有向着不同方向的管路，管路尖端有小孔，通过这些小孔的作用可以在反应器内部形成射流。催化剂22放置在四个不同方向旋转的管路的下游，并通过凸台固定。热电偶25被用来检测反应器的温度。整个反应器装置20放置于恒温炉(也即加热单元26)中，用以保证催化研究所需要的温度。样品气体通过进气管路21进入催化射流搅拌反应器23进行反应，反应产物通过出气管路24排出。
参见图1所示，所述的射流搅拌反应器系统还可以包括进样装置10，所述进样装置10包括反应气体管路、反应液体管路和载气管路，均连接至反应器装置20的主进气管路，以为反应器装置20输送反应物和载气。
进样装置10包括载气及氧气11、气体样品12、液体样品13和输液泵14。当样品为气体时，载气及氧气11携带气体样品12共同进入反应器装置20。当样品为液体时，液体样品13通过输液泵14进行精确的定量给样，之后液体样品13被汽化并由载气及氧气11携带进入反应器装置20。
作为优选技术方案，本发明所述的检测装置，所述气体和液体燃料为能产生热能的气态和液态可燃物质。
作为优选技术方案，本发明所述的检测装置中所述的进样装置10根据实验需求可以通入一种或者多种气体样品或者液体样品，例如可以通入苯系物、烷烃、烯烃、炔烃、胺类、杂环类、醇类、醛类、醚类和酯类等。
作为优选技术方案，所述的载气及氧气11中的载气，可以根据需要通入Ar、He和N2等气体的一种或两种及以上的混合气体。
为实时获取反应情况以对反应进行调整，射流搅拌反应器系统还可以包括在线检测装置30。
其中，反应器装置20置于进样装置10和在线检测装置30之间。
在线检测装置30包括取样管路31和分析设备32。由反应器装置20的出气管路24排出的催化反应气相产物通过取样管路31进入分析设备32中。
取样管路31采用不锈钢或者石英管路，取样形式可以为取样探针、取样管或者超声分子束，并对管路进行加热，防止产物冷凝。
所述分析设备32为分析化学领域的常规仪器，如气相色谱分析仪(GC)、气相色谱质谱联用分析仪(GC-MS)、分子束质谱(MBMS)和傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)等。
图2为利用本发明的装置进行的丙烯催化反应中在不同氧气浓度下，丙烯的转换率图，其中，催化剂为氧化铜(CuO)。可以得知，反应气氛中氧气浓度越高，反应转化率越高，而且温度越高，反应效率越高，所以在系统中引入加热单元和在线监测单元可以提高相应的转化效果。
图3为利用本发明的装置进行的均三甲苯催化反应在未加入空网、加入未镀膜不锈钢网及加入镀有催化剂的不锈钢网条件下均三甲苯的转换率图，其中，催化剂为氧化铜(CuO)。可以得知采用网状的负载部件负载一层催化剂层，转化效果最好。
以上介绍了本发明的射流搅拌反应器系统，该系统解决了目前气相反应物在反应器内与催化剂接触时间太短而导致催化剂催化效率较低、催化剂形状有所限制、无法实时检测催化产物的问题。本发明能够提高催化剂的催化性能，降低反应物的活化能，提高转化效率，获得反应物的动力学特性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种射流搅拌反应器系统，包括反应器装置(20)和在线检测系统(30)，其特征在于：
所述反应器装置(20)包括主进气管路、出气管路、4-8个次级管路和负载部件，所述在线检测系统(30)包括取样管路和分析设备，其中，
所述次级管路与所述主进气管路连通且次级管路截面为向下游的收敛性结构，以使气体在次级管路出口处形成射流；
所述负载部件被配置为负载催化剂，所述负载部件设置于所形成射流的下游；
所述出气管路与所述取样管路连通，催化反应气相产物通过所述取样管路进入所述分析设备中；
所述分析设备包括气相色谱分析仪、气相色谱质谱联用分析仪、分子束质谱或傅里叶红外光谱分析仪，用于对气相反应产物进行定性和定量分析；
所述射流搅拌反应器系统用于实时在线检测催化反应气相产物；
其中，4-8个次级管路绕某一轴进行转动和/或自身进行转动，所述收敛性结构为口径渐变性收敛性结构或者口径具有突变性收敛结构，所述次级管路为具有弧度的管路。
2.根据权利要求1所述的射流搅拌反应器系统，其特征在于，次级管路沿着一固定轴均匀分布。
3.根据权利要求1所述的射流搅拌反应器系统，其特征在于，所述负载催化剂的方式为在负载部件上覆盖催化剂层，或者催化剂为粉末状、球状、条状、圆柱状、片状、多孔管道或蜂窝体。
4.根据权利要求1所述的射流搅拌反应器系统，其特征在于，所述反应器装置(20)还包括加热单元，以对所述负载部件、反应器及反应物质进行加热；所述反应器装置(20)还包括温度检测单元，以监测反应温度。
5.根据权利要求1所述的射流搅拌反应器系统，其特征在于，还包括进样装置(10)，所述进样装置(10)包括反应气体管路、反应液体管路和载气管路，均连接至反应器装置(20)的主进气管路，以为反应器装置(20)输送反应物和载气。
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