CN111229141A - 一种用于精准控制催化反应的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精准控制催化反应的装置，用以控制催化纤维束与反应物的接触面积，催化纤维束包括若干根催化纤维，催化纤维为皮芯结构，其芯层采用催化材料制成，第一气囊沿催化纤维束的周向裹持并控制其沿导轨向反应物移动，用以控制其与反应物接触；第二气囊沿催化纤维束的周向裹持并控制催化纤维束紧束或松弛，当催化纤维束紧束时，切刀沿催化纤维束的径向切割。本发明通过皮芯结构催化纤维，催化材料处于芯层，被皮层包覆，明确催化剂与反应物的接触面积，并通过对其端面的切割更新，消除被反应物或其反应产物或其他物质覆盖的端面，从而实现催化反应的再次进行，从而精准控制催化反应的反应程度。

Description

一种用于精准控制催化反应的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及催化反应控制技术领域，尤其涉及一种用于精准控制催化反应的装置及其使用方法。

背景技术

催化反应指在催化剂作用下进行的化学反应。化学反应中，反应分子原有的某些化学键，必须断开并形成新的化学键，这需要一定的活化能。在某些难以发生化学反应的体系中，加入有助于反应分子化学键重排的第三种物质(即催化剂)其作用可降低反应的活化能，因而能加速化学反应和控制产物的选择性及立体规整性。

催化反应的过程为反应物在催化剂周围发生反应，同时外围的反应物不断向催化剂扩散(因为此处反应物不断被消耗而浓度降低)，生成物则不断向外围扩散，即该过程包括七个步骤：①原料分子自主气流中向催化剂扩散；②接近催化剂的原料分子向微孔内表面扩散；③靠近催化剂表面的原料分子被催化剂吸附；④被吸附的分子在催化剂的作用下进行化学反应；⑤生成的产品分子从催化剂上脱附下来；⑥脱附下来的产品分子从微孔内向外扩散；⑦产品分子从催化剂外表面再扩散到主气流中，然后离开反应器。

催化反应的控制包括对催化剂与反应物的接触面积的控制，目前的常规做法为通过控制催化剂的剂型以及用量来控制两者的接触面积，但此方法在实际操作中很难对两者的接触面积作出精准控制，特别是广泛使用的颗粒状催化剂，虽然不同粒径的催化剂具有理论上的表面积，但由于制造上造成的误差、运输存储过程中造成的颗粒间磨损或聚合，因此实际使用中难以精准确认其与反应物的接触面积。因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种用于精准控制催化反应的装置及其使用方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种用于精准控制催化反应的装置，用以控制催化纤维束与反应物的接触面积，所述催化纤维束包括若干根催化纤维，所述催化纤维为皮芯结构，其芯层采用催化材料制成，所述装置包括架体以及与所述架体连接的驱动组件、切割组件，

所述驱动组件包括导轨和与所述导轨滑动连接的第一气囊，所述导轨与所述架体连接，所述第一气囊的内部设置有沿其长度方向螺旋延伸的气体通道，所述第一气囊沿所述催化纤维束的周向裹持并控制其沿所述导轨向所述反应物移动，用以控制其与所述反应物接触；

所述切割组件包括均与所述导轨滑动连接的第二气囊和切刀，所述第二气囊设置于所述第一气囊和所述反应物之间，所述切刀设置于所述第二气囊和所述反应物之间，所述第二气囊沿所述催化纤维束的周向裹持并控制所述催化纤维束紧束或松弛，当所述催化纤维束紧束时，所述切刀沿所述催化纤维束的径向切割。

优选地，所述装置还包括辅助组件，所述辅助组件包括灯光板和固定杆，所述固定杆的一端连接所述灯光板，所述灯光板位于所述反应物内。

优选地，所述固定杆连通泵体，并在靠近所述反应物的一端设置有若干流通孔，若干所述流通孔沿所述固定杆的周向和轴向设置。

优选地，所述固定杆贯穿所述第一气囊和所述第二气囊的中心位置。

优选地，所述灯光板为曲面板，并向背离所述催化纤维束的方向凹陷。

优选地，所述第二气囊的内部设置有沿其长度方向螺旋延伸的气体通道。

本发明还公开了一所述的用于精准控制催化反应的装置的使用方法，包括以下步骤：

将所述装置架设在反应容器上方，沿导轨调整第一气囊和第二气囊至适当位置；

当所述第一气囊和所述第二气囊处于未充气状态，将催化纤维束依次穿过所述第一气囊和所述第二气囊，然后至少对第一气囊充气使得所述催化纤维束被相对固定；

沿所述导轨移动所述第一气囊，使得所述催化纤维束的端面与所述反应物接触；

反应一定时间后，移动所述第二气囊至与所述催化纤维束的端面相距一距离，启动切刀按一角度对所述催化纤维束进行切割。

优选地，还包括以下步骤：

通过固定杆将灯光板放置于所述反应容器内，并启动灯光照射。

优选地，还包括以下步骤：

启动泵体，通过所述固定杆上的流通孔向所述反应容器内输送流体，以控制所述催化纤维束的发散程度。

优选地，移动所述第二气囊至与所述催化纤维束的端面相距1-5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明通过纤维式催化剂，特别是皮芯结构催化纤维，催化材料处于芯层，被皮层包覆，通过规格式制造能够使其端面面积明确，即明确催化剂与反应物的接触面积，并通过对其端面的切割更新，消除被反应物或其反应产物或其他物质覆盖的端面，从而实现催化反应的再次进行，从而精准控制催化反应的反应程度。

(2)本发明通过第一气囊控制催化纤维束与反应物接触，进一步的，第一气囊内部的螺旋形气体通道不仅能够减少充气量，从而快速实现对催化纤维束的紧密裹持，而且均衡了对催化纤维束控制力度，将裹持力度分散在多个维度上，防止催化纤维束断裂。

(3)本发明通过第二气囊与切刀的配合，实现对催化纤维束端面的定向切割，当第二气囊充气对催化纤维束的紧密裹持时，切刀进行切割；当第二气囊未充气对催化纤维束无约束时，为处于反应容器内的催化纤维提供一发散空间，实现多点催化，增强外围的反应物向催化剂的扩散，以及生成物向外围扩散的空间，以提高整体反应速度。

(4)本发明通过增加辅助组件，为光催化反应提供一较好的反应条件，方便实验操作。

(5)本发明通过固定杆上的流通孔，以控制反应容器内的催化纤维的发散程度，从而在一定程度上控制外围的反应物向催化剂的扩散以及生成物向外围扩散，以控制整体反应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的立体示意图；

图2为本发明中第一气囊的透视放大示意图；

图3为本发明中切割组件的立体放大示意图；

图4为本发明中辅助组件的立体放大示意图；

图5为本发明中催化纤维的立体放大示意图。

具体地，10-架体；

20-驱动组件，21-导轨，211-滑块，22-第一气囊，221-弹性层，222-气体通道，223-连接部，224-裹持区域；

30-切割组件，31-第二气囊，32-切刀；

40-辅助组件，41-灯光板，42-固定杆，421-流通孔；

50-催化纤维，51-皮层，52-芯层；

60-反应容器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了一种用于精准控制催化反应的装置的立体结构示意图，其中，省略相关泵体以及相关连接管。

泵体以及相关连接管为现有技术，本领域技术人员能够根据需求选择的，泵体仅为本装置提供气流或其他流体，非本发明的发明点。

如图1所示，一种用于精准控制催化反应的装置，用以控制催化纤维束与反应物的接触面积，并且优选为与液态反应物反应，并特别是与一种特殊结构的催化纤维配合。

装置包括架体10以及与架体10连接的驱动组件20、切割组件30。本装置通过其架体10将驱动组件20和切割组件30架设在反应容器60上方，将催化纤维束通过驱动组件20向反应容器60内输送，以使得催化纤维束与反应物接触，并通过切割组件对催化纤维束的端面实现更新，使得新的未被覆盖的端面露出，从而以控制催化剂与反应物的接触面积，从而精准控制催化反应的反应程度。

具体而言，驱动组件20包括导轨21和与导轨21滑动连接的第一气囊22。导轨21与架体10连接，导轨21包括两相对设置的子导轨，以实现第一气囊22、切割组件40的平稳移动，导轨21通过架体10设置于反应容器60的上方，反应物放置与反应容器60内，并且进一步可以将导轨21设置为部分位于反应物的上方，部分位于反应物内，导轨21位于反应物上方的部分主要为第一气囊22提供与反应物分离的移动路径，减少催化纤维束与反应物的接触，使得能够对未使用的催化纤维束进行便捷的回收；导轨21位于反应物内的部分主要为切割组件30提供切割移动路径，切割在反应物内部进行，避免催化反应的中断。当然，可以理解的是，以上仅为本发明的一具体实施方式，而本发明不限于此具体实施方式，导轨21可以全部位于反应物的上方，或全部位于反应物内，其设定方式并不影响本发明对催化剂与反应物的接触面积的控制。

图2示出了用于精准控制催化反应的装置中的第一气囊的透视放大结构示意图。

如图2所示，第一气囊22的内部设置有沿其长度方向螺旋延伸的气体通道222，第一气囊22沿催化纤维束的周向裹持并控制其沿导轨21向反应物移动，用以控制其与反应物接触。

具体而言，第一气囊22包括弹性层221、设置在弹性层221内部的气体通道222，以及连通气体通道222与外部的连接部223。弹性层221可以采用橡胶制成，并且优选为筒状，其内部形成上下贯通的裹持区域224，催化纤维束穿过该裹持区域224，通过连接部223外接气泵，对气体通道222充气，使得气体通道222膨胀带动弹性层221主要沿其径向膨胀，实现对催化纤维束的紧密裹持。第一气囊22通过其弹性层221的外层表面与设置在导轨21内部的滑块211固定连接，从而通过第一气囊22的移动控制催化纤维束的移动，该固定连接方式可以为粘黏。气体通道222绕裹持区域224螺旋环设，并且其一端头与连接部223连通。该气体通道222能够以较少的充气量实现弹性层221的快速膨胀，从而快速实现对催化纤维束的紧密裹持，同样的，也能够快速放气，从而快速解除对催化纤维束的紧密裹持。并且该气体通道222均衡了对催化纤维束控制力度，将裹持力度分散在多个维度上，防止催化纤维束断裂。

可以理解的是，第一气囊22通过其连接部223与外部的气泵连接，以实现充放气，达到对催化纤维束的控制。

图3示出了用于精准控制催化反应的装置中的切割组件30的立体放大结构示意图。

如图3所示，切割组件30包括均与导轨21滑动连接的第二气囊31和切刀32，第二气囊31设置于第一气囊22和反应物之间，切刀32设置于第二气囊31和反应物之间，第二气囊31沿催化纤维50束的周向裹持并控制催化纤维50束紧束或松弛，当催化纤维50束紧束时，切刀32沿催化纤维50束的径向切割。

具体而言，因催化纤维束较为柔软，容易变形，通过第二气囊31对其靠近端面部分进行紧束，以方便切割，并且同时保证若干催化纤维的切割端面面积相同，从而实现对催化剂与反应物接触面积的精准控制，从而能够精准控制催化反应。在本实施例中，切割位置一定，切刀32设置在导轨21的端面，沿其端面水平旋转从而对催化纤维束实现水平切割，当然，毫无疑义地，也可以通过切刀32与导轨21滑动连接从而实现切割位置的灵活移动，以实现更为便捷地切割。

通过第二气囊31与切刀32的配合，实现对催化纤维束端面的定向切割，当第二气囊31充气对催化纤维束的紧密裹持时，切刀32进行切割；当第二气囊31未充气对催化纤维束无约束时，为处于反应容器内的催化纤维提供一发散空间，实现多点催化，增强外围的反应物向催化剂的扩散，以及生成物向外围扩散的空间，以提高整体反应速度。

本实施例中，切刀32为单一横置刀片，当然也可以采用沿催化纤维束周向设置的3个子切刀，3个子切刀向催化纤维束的中心轴线切割，并且沿其刀口能够组成一个圆，该设置方式将切割面积分为多个小块，切割效果更为稳定。

图4示出了用于精准控制催化反应的装置中的辅助组件40的立体放大结构示意图。

如图1所示，根据本发明的实施例，用于精准控制催化反应的装置还包括辅助组件40，使用时，该辅助组件40主要放置于反应容器60内。

具体而言，如图4所示，辅助组件40包括灯光板41和固定杆42，固定杆42的一端连接灯光板41，灯光板41位于反应物内，以针对需要光参与的催化反应提供光源补充，为光催化反应提供一较好的反应条件，方便实验操作。

进一步地，为配合反应物内呈发散状的光催化纤维，灯光板41优选为曲面板，并向背离催化纤维束的方向凹陷，以实现对尽可能多的光催化纤维端面照射，实现催化剂、光和反应物三者界面叠合，从而实现催化反应。

根据本发明的实施例，固定杆42连通泵体(图中未示出)，并在靠近反应物的一端设置有若干流通孔421，若干流通孔421沿固定杆42的周向和轴向设置。通过固定杆42上的流通孔421，以控制反应容器内的催化纤维的发散程度，从而在一定程度上控制外围的反应物向催化剂的扩散以及生成物向外围扩散，以控制整体反应速度。该泵体可以为气泵或液体泵，抽气或输气，以控制催化纤维在反应物内的发散程度。

为实现装置中各部件的规整，固定杆42优选贯穿第一气囊22和第二气囊31的中心位置，固定杆42的远离灯光板41的一端可以设置有挂钩结构，以实现与架体10的便捷可拆卸式固定。

根据本发明的实施例，第二气囊31采用与第一气囊22相同设置，其内部设置有沿其长度方向螺旋延伸的气体通道。

具体而言，第二气囊31包括弹性层、设置在弹性层内部的气体通道，以及连通气体通道与外部的连接部。弹性层可以采用橡胶制成，并且优选为筒状，其内部形成上下贯通的裹持区域，催化纤维束穿过该裹持区域，通过连接部外接气泵，对气体通道充气，使得气体通道膨胀带动弹性层主要沿其径向膨胀，实现对催化纤维束的紧密裹持。第二气囊31通过其弹性层的外层表面与设置在导轨内部的滑块固定连接，从而控制第二气囊31向催化纤维束与反应物接触的端面移动，该固定连接方式可以为粘黏。气体通道绕裹持区域螺旋环设，并且其一端头与连接部连通。该气体通道能够以较少的充气量实现弹性层的快速膨胀，从而快速实现对催化纤维束的紧束，同样的，也能够快速放气，从而快速解除对催化纤维束的紧束，实现催化纤维束的松弛。并且该气体通道均衡了对催化纤维束控制力度，将紧束力度分散在多个维度上，防止催化纤维束断裂。

图5示出了用于精准控制催化反应的装置中的催化纤维的立体放大结构示意图。

如图5所示，根据本发明的实施例，催化纤维束包括若干根催化纤维50，催化纤维50为皮芯结构，其芯层52采用催化材料制成，催化材料处于芯层，被皮层51包覆，通过规格式制造能够使其端面面积明确，即明确催化剂与反应物的接触面积，并通过对其端面的切割更新，从而精准控制催化反应的反应程度。

需要说明的是，皮层51可以采用高分子材料制成，例如合成纤维或无机纤维，以将芯层52的催化材料包裹，仅前端面暴露与反应物反应，以较为精准地控制催化剂与反应物的接触面积。该催化纤维的直径在0.5-10mm。

该芯层52具体可以采用二氧化钛，并且可以理解的是，为提高二氧化钛的光催化效果，对二氧化钛进行改性后的光催化材料应也属于本申请的保护范围。

本发明还提供了一种用于精准控制催化反应的装置的使用方法，包括以下步骤：

将装置架设在反应容器上方，沿导轨21调整第一气囊22和第二气囊31至适当位置；

当第一气囊22和第二气囊31处于未充气状态，将催化纤维束依次穿过第一气囊22和第二气囊31，然后至少对第一气囊22充气使得催化纤维束被相对固定；

沿导轨21移动第一气囊22，使得催化纤维束的端面与反应物接触；

反应一定时间后，移动第二气囊31至与催化纤维束的端面相距一距离，启动切刀32按一角度对催化纤维束进行切割。

需要说明的是，优选移动第二气囊31至与催化纤维束的端面相距1-5mm处进行切割，该距离使得切割下的催化纤维颗粒能够被较为方便的收集。可以理解的是，切割下的催化纤维颗粒的一端面也未被反应物或其反应产物或其他物质覆盖，能够充分与反应物反应，控制反应时应考虑到切割一次产生两个更新面。

根据本发明的实施例，还包括以下步骤：

通过固定杆42将灯光板41放置于反应容器内，并启动灯光照射。

根据本发明的实施例，还包括以下步骤：

启动泵体，通过固定杆42上的流通孔421向反应容器内输送流体，以控制催化纤维50束的发散程度。

综上所述，本发明通过纤维式催化剂，特别是皮芯结构催化纤维，催化材料处于芯层，被皮层包覆，通过规格式制造能够使其端面面积明确，即明确催化剂与反应物的接触面积，并通过对其端面的切割更新，消除被反应物或其反应产物或其他物质覆盖的端面，从而实现催化反应的再次进行，从而精准控制催化反应的反应程度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种用于精准控制催化反应的装置，用以控制催化纤维束与反应物的接触面积，其特征在于，所述催化纤维束包括若干根催化纤维，所述催化纤维为皮芯结构，其芯层采用催化材料制成，所述装置包括架体以及与所述架体连接的驱动组件、切割组件，

所述驱动组件包括导轨和与所述导轨滑动连接的第一气囊，所述导轨与所述架体连接，所述第一气囊的内部设置有沿其长度方向螺旋延伸的气体通道，所述第一气囊沿所述催化纤维束的周向裹持并控制其沿所述导轨向所述反应物移动，用以控制其与所述反应物接触；

所述切割组件包括均与所述导轨滑动连接的第二气囊和切刀，所述第二气囊设置于所述第一气囊和所述反应物之间，所述切刀设置于所述第二气囊和所述反应物之间，所述第二气囊沿所述催化纤维束的周向裹持并控制所述催化纤维束紧束或松弛，当所述催化纤维束紧束时，所述切刀沿所述催化纤维束的径向切割。

2.根据权利要求1所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，所述装置还包括辅助组件，所述辅助组件包括灯光板和固定杆，所述固定杆的一端连接所述灯光板，所述灯光板位于所述反应物内。

3.根据权利要求2所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，所述固定杆连通泵体，并在靠近所述反应物的一端设置有若干流通孔，若干所述流通孔沿所述固定杆的周向和轴向设置。

4.根据权利要求3所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，所述固定杆贯穿所述第一气囊和所述第二气囊的中心位置。

5.根据权利要求2所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，所述灯光板为曲面板，并向背离所述催化纤维束的方向凹陷。

6.根据权利要求1所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，所述第二气囊的内部设置有沿其长度方向螺旋延伸的气体通道。

7.根据权利要求1-6任一所述的用于精准控制催化反应的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述装置架设在反应容器上方，沿导轨调整第一气囊和第二气囊至适当位置；

当所述第一气囊和所述第二气囊处于未充气状态，将催化纤维束依次穿过所述第一气囊和所述第二气囊，然后至少对第一气囊充气使得所述催化纤维束被相对固定；

沿所述导轨移动所述第一气囊，使得所述催化纤维束的端面与所述反应物接触；

反应一定时间后，移动所述第二气囊至与所述催化纤维束的端面相距一距离，启动切刀按一角度对所述催化纤维束进行切割。

8.根据权利要求7所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，还包括以下步骤：

通过固定杆将灯光板放置于所述反应容器内，并启动灯光照射。

9.根据权利要求8所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，还包括以下步骤：

启动泵体，通过所述固定杆上的流通孔向所述反应容器内输送流体，以控制所述催化纤维束的发散程度。

10.根据权利要求7所述的用于精准控制催化反应的装置，其特征在于，移动所述第二气囊至与所述催化纤维束的端面相距1-5mm。

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