CN115337873A - 一种基于mri的实时原位监测的催化反应流化床 - Google Patents

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曹永辉
鲍庆嘉
程鑫
王强
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Abstract

本发明公开了一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，包括MRI鸟笼线圈、气体缓冲室和流化床套筒，气体缓冲室侧部与气嘴连接，气体缓冲室顶部开口，流化床套筒底部与气体缓冲室顶部开口密封连接，流化床套筒与气体缓冲室之间设置有承载气网，流化床套筒顶部设置有隔离网，流化床套筒外部套设有MRI鸟笼线圈，MRI鸟笼线圈与可调电容和同轴线接口连接。流化床套筒用于导流气体并为原位催化反应提供场所，MRI鸟笼线圈可以实现射频脉冲的发射和磁共振信号的并行接收，能够有效监测催化反应的进行状态，对催化反应进行细节上的把控。

Description

一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床
技术领域
本发明涉及化工领域和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)技 术领域，具体涉及一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，可适用于 由固体物料或催化剂构成混合物在气室内进行催化反应，采用MRI实现反应物 状态的实时原位监测，从而控制气体流速调整反应的剧烈程度。
背景技术
催化反应在生化反应中占据着重要地位，相对于流化床等催化反应容器而言， 固定床填料的催化反应进行的不够彻底，反应进行缓慢，不方便对反应状态进行 把控与操作等缺点，而流化床的设计能够让催化剂与反应物质充分接触，加快反 应速率。
磁共振成像(MRI)技术作为一种非接触，多维度瞬态全流场原位监测手段， 具有无损伤、无电离辐射、成像参数多等优点，最初广泛运用于生物医疗领域， 后被化学家用来检测大分子化合物的成分，催化剂的表面结构特征以及监测化学 反应等。因而将磁共振技术运用于流化床装置可以获得详细的多维度流场信息， 包过颗粒在流场中的分布，颗粒的大小与浓度等多尺度参数。
磁共振成像技术运用于流场检测的发展是漫长曲折的，最初磁共振技术用于 研究固体颗粒在滚筒中的特征状态，在后续研究中发现磁共振成像技术对于流体 有着较好的检测手段，为了深层次的揭示多相流特性，Ehrichs等人较早的将磁 共振技术应用于流化床颗粒的研究，为对流可视化提供了一种有前途的替代方法， 利用这种技术原则上获得可以流化床中物料任意界面的状态，但是受限于当时的 技术问题未能取得良好的断层成像效果，之后Savelsberg等人报道了利用脉冲梯 度场MRI技术研究流化床中的气固流动特性，得出了颗粒尺寸与气流的关系， 为后续相关研究奠定了基础。之后Huan等为进一步研究流化床内多相流的动态 模型，利用梯度场MRI技术实现三维检测流化床，对颗粒的密度进行研究。
综上所述，为检测流化床中填料的分布状态，进而控制催化反应的速率，对 反应过程进行细节上的把控，MRI技术是目前主流的一个研究方向，它具有非 接触，动态检测的先天优势，然而目前对于能够快速成像并进行动态检测的流化 床实验装置还没有相关文献报道，属于技术空白领域，此装置对于生化反应的把 控有着极为关键的作用。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于MRI的实时原位监 测的催化反应流化床，本发明以模块化的方式进行设计，以便对于不同物质的成 像实验更换配套的MRI鸟笼线圈，具有广阔的应用前景。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，包括MRI鸟笼线圈，还 包括气体缓冲室和流化床套筒，气体缓冲室侧部与气嘴连接，气体缓冲室顶部开 口，流化床套筒底部与气体缓冲室顶部开口密封连接，流化床套筒与气体缓冲室 之间设置有承载气网，流化床套筒顶部设置有隔离网，流化床套筒外部套设有 MRI鸟笼线圈，MRI鸟笼线圈与可调电容和同轴线接口连接。
如上所述流化床套筒顶端开设有排气孔，隔离网设置在排气孔处。
如上所述流化床套筒底部与气体缓冲室顶部开口通过螺纹连接，螺纹连接处 设置有密封胶。
如上所述同轴线接口与前置放大器连接。
如上所述流化床套筒为透明的有机玻璃，流化床套筒内壁镀有聚氨酯膜。
如上所述隔离网和承载气网为不锈钢网或者聚酰亚胺网，隔离网上铺设有空 气过滤膜。
本发明技术与现有技术相比，具有以下优点：
1、相对于固定床填料的原位催化反应床，本发明可利用气流将参与反应的 催化剂颗粒和反应物质混合均匀，加快反应速率。
2、利用快速MRI可对流化床套筒内的物质进行实时成像，方便对反应过程 进行细节把控；
3、本发明模块化方式进行设计，当流化床套筒内放入不同催化剂颗粒和反 应物质时，根据需求更换流化床套筒的以及更换不同的低噪声的前置放大器。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为本发明的俯视结构示意图。
图中：1-气嘴；2-气体缓冲室；3-承载气网；4-流化床套筒；5-MRI鸟笼线 圈；6-可调电容；7-隔离网；8-同轴线接口。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实例对本发明作 进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明， 并不用于限定本发明。
实施例1：
一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，包括MRI鸟笼线圈5， 还包括气体缓冲室2和流化床套筒4，气体缓冲室2侧部与气嘴1连接，气体缓 冲室2顶部开口，流化床套筒4底部与气体缓冲室2顶部开口密封连接，流化床 套筒4与气体缓冲室2之间设置有承载气网3，流化床套筒4顶部设置有隔离网 7，流化床套筒4外部套设有MRI鸟笼线圈5，MRI鸟笼线圈5与可调电容6和 同轴线接口8连接。
气体经过气嘴1进入气体缓冲室2，经过承载气网3对气体整流，同时将承 载气网3上的反应填料和催化剂颗粒均匀的向上吹起，优选的，流化床套筒4 与气体缓冲室2是螺纹连接，可任意拆卸更换，用与支持不同的反应填料颗粒和 催化剂颗粒在此进行催化反应；流化床套筒4还留有排气孔，方便气体的顺利上 流，让参与反应的反应填料颗粒和催化剂颗粒处于悬空状态；同时排气孔处设置 有隔离网7，减缓气体流速的同时防止反应填料颗粒和催化剂颗粒飞出流化床套 筒4。
本发明适用于各种反应填料颗粒和催化剂颗粒的催化反应，相较于现有技术 的原位催化流化床，本发明可以采用少量的反应填料颗粒和催化剂颗粒，并使反 应填料颗粒和催化剂颗粒呈流化状态，在保证催化反应进行的同时，节约了催化 剂的用量，本发明MRI鸟笼线圈5和流化床套筒4均可拆卸，降低了制造成本， 由于上升气流的影响，能够极大地避免反应填料颗粒和催化剂颗粒表面受到污染， 而顶部的隔离网7的设计更是防止反应填料颗粒和催化剂颗粒随气流飘到空气 中污染环境，简化了装置结构。
MRI鸟笼线圈5用于发射射频脉冲和接受MR信号，紧贴在流化床套筒4 上，以尽量增大填充因子提高成像质量，MRI鸟笼线圈5可以根据反应填料颗 粒和催化剂颗粒的需求更改设计，MRI鸟笼线圈5与可调电容6连接，可调电 容6通过焊锡固定在MRI鸟笼线圈5上，用于调节电路谐振频率，减小回波损 耗，MRI鸟笼线圈5通过同轴线接口8连接前置放大器以及后续的处理电路。
气体缓冲室2，通过气嘴1与外部气泵相连，用于将高压高速的气体能量稀 释掉，同时集聚气体，增加气压，为气体的整流提供条件；同时，气嘴1具有减 缓气体流速的功能，防止进入的气体流速过快，气体流速过快会导致气体沿着流 化床套筒4内壁向上流动，减速过的气流经过气体缓冲室2的增压，气体会向上 流动，经过承载气网3后，气体会被整流，均匀的分布于流化床套筒4内，有利 于分布在承载气网3上的反应填料颗粒和催化剂颗粒被均匀吹起参与反应，通过 磁共振技术检测反应填料颗粒和催化剂颗粒状态，防止颗粒聚团。
流化床套筒4顶端开设有排气孔，隔离网7设置在排气孔处。流化床套筒4 底部与气体缓冲室2顶部开口通过螺纹连接，螺纹连接处设置有密封胶。
流化床套筒4是催化反应进行的场所，催化反应进行时有MRI鸟笼线圈5 进行实时成像，监测反应物的状态，控制气体流速以达到控制反应的进行。流化 床套筒4可以根据参与反应物质的情况来改变大小(直径与长短)，流化床套筒 4用透明的有机玻璃制成，内壁镀有聚氨酯膜，防止颗粒物附着，聚氨酯薄膜具 有较好的透明度和柔韧性，将聚氨酯膜通过化学、物理双交联网络的构筑实现降 低物体表面的粘附性，从而实现减少颗粒物附着。
可更换的MRI鸟笼线圈5，用于发射射频脉冲和接受MR信号；MRI鸟笼 线圈5紧贴在流化床套筒4外壁上，将流化床套筒4放置在梯度磁场中，利用 MRI鸟笼线圈5可对流化床套筒4内的反应填料颗粒和催化剂颗粒进行及时成 像，从而进行检测。
可调电容6，可调电容6可以设置在MRI鸟笼线圈5的端面，一般有两个 或者多个，通过可调电容6对电路的谐振频率进行调整，得到对应反应填料颗粒 和催化剂颗粒的谐振频率，从而对反应填料颗粒和催化剂颗粒进行成像，通过调 整可调电容6还可以减少回波损耗。
承载气网3可以采用不锈钢网，隔离网7可采用GORE-TEX膜(PTFE空气 过滤膜)，具有贴附高性能，用来滤除气流中的细小颗粒物，只允许气体通过， 来减少化学物质对环境的污染。
同轴线接口8与前置放大器连接。将MRI鸟笼线圈5接收的MR信号传输 至前置放大器以及后续的处理电路，通过焊锡固定在MRI鸟笼线圈5上；
作为另一种实施方式，隔离网7和承载气网3可以采用不锈钢网，隔离网7 上铺设有GORE-TEX膜(PTFE空气过滤膜)，纯度较高的不锈钢材质不含磁性， 而且MRI鸟笼线圈的成像区域在隔离网与承载气网之间，对试验影响不大，如 果试验样品腐蚀性较高，隔离网7和承载气网3也可以换用高性能的塑料产品 PI(聚酰亚胺网)。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改 或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求 书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，包括MRI鸟笼线圈(5)，其特征在于，还包括气体缓冲室(2)和流化床套筒(4)，气体缓冲室(2)侧部与气嘴(1)连接，气体缓冲室(2)顶部开口，流化床套筒(4)底部与气体缓冲室(2)顶部开口密封连接，流化床套筒(4)与气体缓冲室(2)之间设置有承载气网(3)，流化床套筒(4)顶部设置有隔离网(7)，流化床套筒(4)外部套设有MRI鸟笼线圈(5)，MRI鸟笼线圈(5)与可调电容(6)和同轴线接口(8)连接。
2.根据权利要求1所述一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，其特征在于，所述流化床套筒(4)顶端开设有排气孔，隔离网(7)设置在排气孔处。
3.根据权利要求1所述一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，其特征在于，所述流化床套筒(4)底部与气体缓冲室(2)顶部开口通过螺纹连接，螺纹连接处设置有密封胶。
4.根据权利要求1所述一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，其特征在于，所述同轴线接口(8)与前置放大器连接。
5.根据权利要求1所述一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，其特征在于，所述流化床套筒(4)为透明的有机玻璃，流化床套筒(4)内壁镀有聚氨酯膜。
6.根据权利要求1所述一种基于MRI的实时原位监测的催化反应流化床，其特征在于，所述隔离网(7)和承载气网(3)为不锈钢网或者聚酰亚胺网，隔离网(7)上铺设有空气过滤膜。
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