一種防污染型高溫高壓動態現場原位光譜測試用反應器的制作方法

本發明屬于儀器分析技術領域，特別涉及一種規避液固相物質污染高透光學窗片的高溫高壓動態現場原位光譜量用反應器。

背景技術：

高溫高壓多相催化反應是化學工業常見的反應類型。在反應條件下氣體在固體樣品上的吸附、反應、脫附是非均相催化的重要步驟，固體樣品本身的分子結構在反應條件下的結構變化，是揭示催化劑活性中心的形成、反應構-效關系以及催化劑失活的關鍵科學問題。

現代分子光譜技術在物理、化學、生物等領域中都有廣泛的應用。以拉曼光譜為例，其在固態粉末樣品的離線結構表征方面開展了大量研究。現有的拉曼光譜反應器，在溫和條件(常壓低溫)下的原位研究已經相對成熟，苛刻條件下(溫度：300～1000℃，壓力：10-100公斤)的原位研究也能實現，但在苛刻條件下進行復雜多相反應的研究技術依然不夠成熟。

實驗者通過大量實驗研究發現，在現場動態原位實驗中，較高的原料氣體流速可能攜帶細固體顆粒沖擊樣品池上方的高透光學窗片；在復雜的高溫反應體系中，產物組分復雜多樣，若產生的高溫易凝氣體上升至反應器蓋，遇低溫高透光學窗片發生冷凝，形成液滴、液膜或油漬聚集在反應器蓋的光路孔和高透光學窗片上，將造成射入光譜能量衰減和反饋信號干擾，影響光譜分析的準確度。

技術實現要素：

本發明提供了一種可以在復雜多相體系應用的高溫高壓現場動態原位測試反應器，可用于包括拉曼等多種光譜技術在內的動態現場原位研究。可移動式防污片的設計，在非光譜信號采集階段，通過防污片阻擋液固相物質對光學窗片的污染，在實驗的光譜信號采集階段移開防污片，保證分析光束透過純凈的光學窗片且不發生光路偏移，減少光能量衰減，增強反饋信號強度。該設計擴大了反應器的適用范圍，使得多相(氣固，氣液固)反應的現場動態原位光譜研究具有更高的時空分辨度。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種防污染型高溫高壓動態現場原位光譜測試用反應器，包括反應器主體及反應器主體上的反應器蓋，反應器蓋的中心處開有光孔，光孔上配有高透光學窗片，反應器主體具有樣品池和原料輸送管道，其特征在于，所述的反應器還包括一個設置于反應器蓋下表面的防污系統；

所述的防污系統包括：位于高透光學窗片下方的防污片上密封槽，其兩側分別設置有防污片密封儲槽A和防污片密封儲槽B，兩片半圓形的防污片安裝于防污片上密封槽下表面，閉合后與防污片上密封槽、高透光學窗片形成一密閉空間，防污片密封儲槽A和防污片密封儲槽B的槽口與防污片位置相對應；

一個防污片外傳動桿穿過反應器蓋，其下端通過由兩個相嚙合的齒輪組成的第一齒輪組與內傳動桿A的前端相連接，內傳動桿A的末端通過由三個相嚙合的齒輪組成的第二齒輪組連接內傳動桿B的前端及內傳動桿C的前端，內傳動桿C的末端通過由兩個相嚙合的齒輪組成的第三齒輪組連接內傳動桿D的前端，內傳動桿B的末端和內傳動桿D的末端各有一個轉動齒輪，每個轉動齒輪卡住一條履帶實現履帶的移動；其中，內傳動桿A伸出防污片密封儲槽A外，內傳動桿C以水平狀態依次貫穿防污片密封儲槽A、防污片上儲槽和防污片密封儲槽B，其位置高于防污片，內傳動桿B及內傳動桿D分別收納于防污片密封儲槽A及防污片密封儲槽B槽內；履帶的一端固定于半圓形的防污片下表面，另一端分別固定于防污片密封儲槽A或防污片密封儲槽B槽內的上部。

位于反應器蓋下的反應器主體中心處設有用于放置樣品池的圓柱形的熱臺，熱臺周圍繞有加熱絲，原料輸入通道伸入至熱臺底部，反應器主體一側設置反應物出口；

反應器主體底部還設置有冷卻水通道，側面設有DCS溫控系統與熱臺相連。

本發明防污片材質可為耐高溫石英、陶瓷或剛玉。特點是可根據需求，在高溫下附著腐蝕性化學物質。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)反應器蓋設置了緊密結合的可移動式高溫石英防污片，有效防止了實驗過程中的固體顆粒、液體、油相污漬對高透光學窗片的污染，增加了有效測試時間。

(2)防污片的傳動裝置，可實現在高溫高壓條件下對石英防污片的移動。

(3)加熱系統、冷卻水系統、樣品池和防污片的結合設計擴大了反應器的應用范圍。

附圖說明

圖1為防污染型高溫高壓動態現場原位光譜測量用反應器拆分圖。

其中，1：反應器蓋，2：高透光學窗片，3：防污片，4：防污片上密封槽，5：防污片密封儲槽A，6：防污片密封儲槽B，7：防污片外傳動桿，8：熱臺，9：反應器原料入口，10：產物出口，11：循環水通道，12：DCS控制機構，13：內傳動桿A。

圖2為防污系統的底部圖(a)、正視圖(b)、側視圖(c)。

其中，2：石英片，3：防污片，4：防污片上密封槽，5：防污片密封儲槽A，6：防污片密封儲槽B，13：內傳動桿A，14：內傳動桿B，15：內傳動桿C，16：內傳動桿D，17：轉動齒輪，18：履帶。

圖3為防污系統與反應器蓋結合組件的俯視圖(a)、側視圖(b)、正視圖(c)。

其中，1：反應器蓋，3：防污片，4：防污片上密封槽，5：防污片密封儲槽A，6：防污片密封儲槽B，7：防污片外傳動桿，13：內傳動桿A。

圖4為防污系統傳統示意圖。

其中，3：防污片，7：防污片外傳動桿，13：內傳動桿A，14：內傳動桿B，15：內傳動桿C，16：內傳動桿D，17：旋轉齒輪，18：履帶，19：第一齒輪組，20：第二齒輪組，21：第三齒輪組。

圖5為反應器主體示意圖。

其中，8：樣品池及熱臺，9：反應器原料入口，10：產物出口，11：循環水通道，12：DCS控制機構。

圖6為Fe-Mn雙金屬催化劑矢活過程的高溫高壓原位拉曼光譜。

其中，圖6a為相同條件下，使用傳統反應器進行測試的拉曼光譜，圖6b為相同條件下，使用本發明的防污染型反應器進行測試的拉曼光譜。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述，但本發明的保護范圍并不限于此。

防污系統的實施方式如下：

轉動防污片外傳動桿7通過第一齒輪組19帶動內傳動桿A13，內傳動桿A13連接第二齒輪組20，實現內傳動桿B14、內傳動桿C15的聯動；內傳動桿C15通過第三齒輪組21連接內傳動桿D16。內傳動桿B14和內傳動桿D16末端均有轉動齒輪17，轉動齒輪17卡住履帶18，以實現履帶18的移動。通過該傳動系統，旋轉防污片外傳動桿7，可實現兩片防污片3的開啟及閉合操作。當兩片防污片3閉合時，可形成一個由防污片3、透光學窗片2和防污片上密封槽4組成的密閉空間。

反應器主體包括樣品池及熱臺8、反應器原料入口9、產物出口10及循環水通道11。熱臺周圍繞有加熱絲，通過嵌制環形熱電偶構建DCS控制機構12，以實現微型反應器在較寬范圍內的精確控溫。反應器主體設有冷卻水通道11，保證池體不受溫度影響而變形，延長使用壽命。熱臺內搭建了放置樣品池的艙體空間。

樣品池為底部開孔，上部開有薄片載槽的柱體，材質為不銹鋼、陶瓷或剛玉。特點是可根據需求，對粉末樣品和成型片狀樣品進行光譜測定。

實施例

本實例中，防污染型高溫高壓動態現場原位光譜測量用反應器如圖1所示。反應器主體和反應器蓋材質為不銹鋼，主體直徑為62mm，高20mm，內部樣品池空間尺寸直徑為24mm，深16mm。樣品池外徑14mm，內徑10mm，深5mm，薄片載槽直徑12mm，深1mm。密封O型圈外徑為43.5mm，內徑38.5mm。高透光學窗片直徑17mm，厚1mm，石英防污片直徑19mm，厚1mm。

本實例中，以Fe-Mn雙金屬催化劑在費-托合成反應體系中失活機理研究為例，樣品填充于墊有石英棉的樣品池8中并壓實，蓋上O型墊圈、高透光學窗片3和反應器蓋(保持防污片處于移開模式)，然后將反應器固定在檢測平臺上，調節鏡頭及平臺位置，調節樣品池位置，使激光聚焦在樣品上。將進氣和出氣口分別與原料供應系統和產物檢測系統連接，CO+H₂(1:1v:v)以15mL/min流量輸入，逐步調節壓力至2.0Mpa。隨后，通過旋轉防污片外傳動桿7，結合各齒輪組，帶動內傳動桿A13、內傳動桿B14、內傳動桿C15、內傳動桿D16的轉動，使得履帶18在旋轉齒輪17的驅動下帶動兩片防污片3移動，并使之閉合。之后，再通過DCS控制系統加熱樣品池至300℃，在防污片保持閉合狀態下開始反應，并依實驗要求適時采譜時。采譜時，轉動外傳動桿7使防污片3打開，光束聚焦于樣品上采集信號，本次采光譜結束后，將外傳動桿7轉回，防污片3再次閉合。采集圖譜見圖6b。作為參比，相同催化劑置于傳統高溫高壓現場動態原位反應器以相同條件測試，測試結果見圖6a。由圖6可知，當反應進行到50h時，使用傳統反應器和本發明產品，都可取得較高分辨度的表面碳物質Raman光譜信號。當反應進行至80h，傳統反應器采集的光譜信號強度受到窗片透光度下降的影響明顯降低，到115h時由于窗片完全被油相覆蓋，無法采集到光譜信號。而本案例反應器在80h以后的光譜采集信號強度及分辨率明顯增強，115h時依然可以采集到有效的Raman光譜信號，延長了有效測試時間。