基于气相催化的流动管反应器

1.本公开的实施例涉及化学反应器技术领域，尤其涉及一种基于气相催化的流动管反应器。


背景技术：

2.在化学领域的探索和研究过程中，必然存在着化学反应，相应的也会利用与化学反应向匹配的反应器。反应器为实现反应过程的设备，能够用于实现液相单相反应过程和液液、气液、液固、气液固等多相反应过程，并广泛应用于化工、轻工等工业部门。反应器可以包括管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、喷射反应器等。管式反应器是一种呈管状、长径比很大的连续操作反应器。管式反应器返混小，因而容积效率(单位容积生产能力)高，对要求转化率较高或有串联副反应的场合尤为适用。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开提供了一种基于气相催化的流动管反应器，以期至少部分地解决上述提及的技术问题之一。
4.本公开提供了一种基于气相催化的流动管反应器，包括：
5.外管，包括主体和两个外端部，上述主体的外壁上设有收集接口；
6.内管，设置成穿过上述外管，上述内管包括反应管和与上述反应管连接的支撑管，上述反应管的侧壁上设有多个输出口，通过在轴向方向上相对于上述外管移动上述内管使得上述多个输出口中的一个输出口有选择地与上述收集接口对齐；
7.密封装置，用于封接上述外管的两个上述外端部和两个上述外端部处的内管的外壁；以及
8.收集装置，设置成部分地穿过上述收集接口和与收集接口对齐的上述一个输出口相接，用于收集反应管内的反应产物。
9.根据本公开的实施例，每个上述输出口包括多个输出孔，形成与上述收集装置相接的输出孔组；
10.其中，上述输出孔的孔径小于上述用于实验的固体物质的粒径。
11.根据本公开的实施例，上述内管与上述外管的主体的管壁之间形成压力调节空间；
12.其中，上述主体的管壁上设有真空接口；
13.优选地，上述主体的管壁上设有适用于检测上述压力调节空间的压力的真空检测接口。
14.根据本公开的实施例，上述支撑管与上述反应管通过至少一个连接管连接，每个连接管的内径小于上述用于实验的固体物质的粒径。
15.根据本公开的实施例，上述主体内还包括条形槽，用于放置温度传感器；
16.其中，上述条形槽从上述外管的一端沿上述外管的轴向方向延伸至上述收集接口
处；以及
17.其中，上述条形槽与上述反应管位于同一侧。
18.根据本公开的实施例，上述收集装置的结构为“喇叭”状；以及
19.其中，上述收集装置的口径较小的一端设置在上述收集接口内，且与上述输出口相接。
20.根据本公开的实施例，上述收集装置的与上述输出口相接的一端的口径大于上述一个输出口的口径。
21.根据本公开的实施例，上述外管的每个外端部包括：
22.收缩管，上述收缩管的外径小于上述主体的外径，上述内管穿过上述收缩管插入上述主体内；以及
23.过渡部，连接在上述主体与上述收缩管之间。
24.根据本公开的实施例，上述密封装置包括外管封接端、接头以及内管封接端；
25.其中，上述外管封接端与上述外管的收缩管密封连接；以及
26.其中，上述内管封接端与上述收缩管端部处的上述内管的外壁密封连接。
27.根据本公开的实施例，上述接头包括：
28.主体部；
29.第一内螺纹部，设置在上述主体部的第一侧；
30.第二内螺纹部，设置在上述主体部的与上述第一侧相对的第二侧；
31.上述外管封接端包括：
32.第一螺帽，与上述第一内螺纹部螺纹结合；以及
33.第一压环，上述收缩管穿过上述第一压环，上述第一螺帽通过与上述第一内螺纹部的结合挤压上述第一压环压紧上述收缩管；
34.上述内管封接端包括：
35.第二螺帽，与上述第二内螺纹部螺纹结合；以及
36.第二压环，上述内管穿过上述第一压环和主体部进入上述外管，上述第二螺帽通过与上述第二内螺纹部的结合挤压上述第二压环压紧上述内管。
37.根据本公开的实施例的基于气相催化的流动管反应器，采用将内管穿设在外壁具有收集接口的外管的内部，并且在内管的反应管部分设置多个输出口能够通过内管沿其轴向移动而与收集接口可选择地接触，从而一次性获得不同反应条件下的反应产物。
附图说明
38.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
39.图1示意性示出了根据本公开一实施例的反应器的立体示意图；
40.图2示意性示出了根据本公开实施例的内管的局部放大示意图；
41.图3示意性示出了根据本公开实施例的内管在输出孔组以及连接管处的放大示意图；
42.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的反应器的立体示意图；以及
43.图5示意性示出了根据本公开实施例的密封装置的分解示意图。
44.上述附图中，附图标记含义具体如下：
45.100、外管；
46.110、主体；
47.111、收集接口；
48.112、真空接口；
49.113、真空检测接口；
50.114、收缩管；
51.115、过渡部；
52.200、内管；
53.210、反应管；
54.211、输出口；
55.2111、输出孔；
56.220、支撑管；
57.230、连接管；
58.300、密封装置；
59.310、外管封接端；
60.311、第一螺帽；
61.312、第一压环；
62.313、第一垫圈；
63.320、接头；
64.321、主体部；
65.322、第一内螺纹部；
66.323、第二内螺纹部；
67.330、内管封接端；
68.331、第二螺帽；
69.332、第二压环；
70.333、第二垫圈；以及
71.400、收集装置。
具体实施方式
72.在低压下进行反应便于观测部分活泼中间产物如自由基等，其次在低压下进行反应可以完善物种反应动力学，而现有的流动管反应器大多只能做到在常压下进行反应，而无法实现在低压下进行反应；现有技术中的流动管反应器无法做到同一套设备同一次实验下的不同反应历程比较研究。
73.针对上述现有技术中存在的技术问题，本公开的实施例在玻璃内管上设置的五处凸出微管孔组分别通过与喷嘴连接采样能够得到样本经过不同的路径(时间)下的反应产物，可用于进行催化/氧化实验时，研究样本与催化剂/氧气在不同的反应时间下反应产物、反应产物浓度、反应速率等关键信息。
74.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性
的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
75.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
76.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
77.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
78.根据本公开总体上的发明构思，本公开提供了一种基于气相催化的流动管反应器，包括：
79.外管，包括主体和两个外端部，主体的外壁上设有收集接口；
80.内管，设置成穿过外管，内管包括反应管和与反应管连接的支撑管，反应管的侧壁上设有多个输出口，通过在轴向方向上相对于外管移动内管使得多个输出口中的一个输出口有选择地与收集接口对齐；
81.密封装置，用于封接外管的两个外端部和两个外端部处的内管的外壁；以及
82.收集装置，设置成部分地穿过收集接口和与收集接口对齐的一个输出口相接，用于收集反应管内的反应产物。
83.图1示意性示出了根据本公开一实施例的反应器的立体示意图。
84.根据本公开的实施例，参见图1，本公开提供了一种基于气相催化的流动管反应器，可以包括外管100、内管200、密封装置300、收集装置400。
85.外管100可以包括主体110和两个外端部，主体110的外壁上设有收集接口111。
86.内管200设置成可以穿过外管100，内管200可以包括反应管210和与反应管210连接的支撑管220，反应管210的侧壁上设有多个输出口211，通过在轴向方向上相对于外管100移动内管200使得多个输出口211中的一个输出口211有选择地与收集接口111对齐。
87.密封装置300用于封接外管100的两个外端部和两个外端部处的内管200的外壁。
88.收集装置400设置成部分地穿过收集接口111和与收集接口111对齐的一个输出口211相接，用于收集反应管210内的反应产物。
89.根据本公开的实施例，外管100、内管200以及收集装置400均可以采用石英材料制成。
90.在一示例性实施例中，外管100可以为主体110外径为25mm的玻璃管。
91.外管100上的凸出的收集接口111的孔径的范围可以包括50μm～300μm，例如200μm。
92.内管200可以为外径为6mm的玻璃管。
93.内管200的反应管210上的多个输出孔2111(下面将详细描述)的孔径的范围可以包括0.1mm-1.5mm，例如0.5mm。
94.根据本公开的实施例，反应管210上输出孔2111的数量可以设置为2个、3个、4个、5个甚至更多，而其具体数量可以根据具体的实验需要来设置。在一示例性实施例中，当需要对反应管210内的反应产物进行5组不同反应时间下的采样时，可以在沿反应管210的轴向方向上，依次设置5个距离反应管210的进料口处越来越近的输出口211，进而能够通过移动内管200，使得收集装置400依次与反应管210上不同位置的输出口211对接，以获得5组反应时间不同的实验数据。
95.根据本公开的实施例，该反应器还可以用于进行催化/氧化实验时，研究样本与催化剂/氧气在不同的反应时间下反应产物、反应产物浓度、反应速率等关键信息。
96.根据本公开的实施例，采用将内管200穿过设置在外管100内的双层管的设置方式，能够实现对反应管210的单独清洗或者更换，避免了反应产物对于管路其它位置的污染，从而使得反应结果更为精确。
97.根据本公开的实施例，收集装置400的一端需要设置在外观上的收集接口111内，以便于收集装置400的与输出口211紧密接触，防止反应产物的泄露，而污染环境。
98.根据本公开的实施例，收集装置400的与输出口211接触的另一端可以连接用于检测反应产物各种实验参数的检测装置。在一示例性实施例中，该另一端可以与光电离质谱仪耦合，反应产物在收集装置400中形成分子束，分子束进入质谱电离区，与同步辐射光相互作用，由光电离质谱进行探测。
99.根据本公开的实施例，采用将内管200穿设在外壁具有收集接口111的外管100的内部，并且在内管200的反应管210部分设置多个输出口211能够通过内管200沿其轴向移动而与收集接口111可选择地接触，从而一次性获得不同反应条件下的反应产物。
100.根据本公开的实施例，参见图1，内管200与外管100的主体110的管壁之间形成压力调节空间，主体110的管壁上设有真空接口112。
101.根据本公开的实施例，参见图1，主体110的管壁上还可以设有适用于检测压力调节空间的压力的真空检测接口113。
102.根据本公开的实施例，在密封装置300将内管200和外管100的两端密封之后，内管200与外管100的主体110的管壁之间能够形成压力调节空间，其最低气压能够达到3torr，收集装置400内的压强通常可以达到10-4
pa。
103.根据本公开的实施例，本公开的反应器既可以在常压下进行作业，还可以在低于常压的较低压强下进行低压作业，而在低压下进行反应便于观测部分活泼中间产物如自由基等，其次在低压下进行反应可以完善物种反应动力学。
104.根据本公开的实施例，参见图1，收集装置400的结构为“喇叭”状。
105.收集装置400的口径较小的一端设置在收集接口111内，且与输出口211相接。
106.根据本公开的实施例，参见图1，外管100的每个外端部可以包括收缩管114和过渡部115。
107.收缩管114的外径小于主体110的外径，内管200穿过收缩管114插入主体110内。
108.过渡部115连接在主体110与收缩管114之间。
109.根据本公开的实施例，外管100两端的收缩管114部分用于与密封装置300的外管封接端310密封连接。在一示例性实施例中，外管100两端的收缩管114的管径可以为10mm。
110.图2示意性示出了根据本公开实施例的内管的局部放大示意图。
111.图3示意性示出了根据本公开实施例的内管在输出孔组以及连接管处的放大示意图。
112.根据本公开的实施例，参见图2，每个输出口211可以包括多个输出孔2111，形成与收集装置400相接的输出孔组。
113.根据本公开的实施例，每个输出孔2111的孔径小于用于实验的固体物质的粒径。
114.根据本公开的实施例，输出口211的口径应小于用于实验的固体物质的粒径，防止在实验过程中，该固体物质的颗粒将输出口211堵塞，从而导致收集装置400无法收集到反应产物，进而影响实验的进程以及实验结果。
115.根据本公开的实施例，为了能够增加收集装置400对于反应产物的收集速度以加快实验进程，可以将每一输出口211设计为由多个输出孔2111组成的输出孔组，每个输出孔2111的孔径也均小于用于实验的固体物质的粒径。
116.根据本公开的实施例，参见图3，支撑管220与反应管210通过至少一个连接管230连接，每个连接管230的内径小于用于实验的固体物质的粒径。
117.根据本公开的实施例，为了防止用于实验的固体物质会通过支撑管220排出内管200，因此在支撑管220与反应管210之间通过连接管230进行连接，且连接管230的管径小于用于实验的固体物质的粒径，连接管230可以是一根或者多根的组合。
118.图4示意性示出了根据本公开另一实施例的反应器的立体示意图。
119.根据本公开的实施例，参见图4，主体110内还可以包括条形槽120，用于放置温度传感器。
120.条形槽从外管100的一端沿外管100的轴向方向延伸至收集接口111处，且条形槽与反应管210位于同侧。
121.根据本公开的实施例，在实验过程中整个流动管可以置于管式炉内，反应器的实验温度范围可以为300k到1200k。因此，通过在外管100内侧的近反应管210一端设置条形槽，可以将能够检测温度的温度传感器(例如k型热电偶)放置于条形槽中，以对反应管210内温度变化进行更为精准的监测。
122.图5示意性示出了根据本公开实施例的密封装置的分解示意图。
123.根据本公开的实施例，参见图5，密封装置300可以包括外管封接端310、接头320以及内管封接端330。
124.外管封接端310与外管100的收缩管114密封连接。
125.内管封接端330与收缩管114端部处的内管200的外壁密封连接。
126.根据本公开的实施例，接头320可以包括主体部321、第一内螺纹部322、第二内螺纹部323。
127.第一内螺纹部322设置在主体部321的第一侧。
128.第二内螺纹部323设置在主体部321的与第一侧相对的第二侧。
129.根据本公开的实施例，参见图5，外管封接端310可以包括第一螺帽311、第一压环312。
130.第一螺帽311与第一内螺纹部322螺纹结合。
131.收缩管114穿过第一压环312，第一螺帽311通过与第一内螺纹部322的结合挤压第一压环312压紧收缩管114。
132.根据本公开的实施例，参见图5，内管封接端330可以包括第二螺帽331、第二压环332。
133.第二螺帽331与第二内螺纹部323螺纹结合。
134.内管200穿过第一压环312和主体部321进入外管100，第二螺帽331通过与第二内螺纹部323的结合挤压第二压环332压紧内管200。
135.根据本公开的实施例，参见图5，外管封接端310还包括第一垫圈313，内管封接端330还包括第二垫圈333。
136.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
137.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。再者，单词
″
包含
″
不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
138.类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
139.以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于气相催化的流动管反应器，包括：外管，包括主体和两个外端部，所述主体的外壁上设有收集接口；内管，设置成穿过所述外管，所述内管包括反应管和与所述反应管连接的支撑管，所述反应管的侧壁上设有多个输出口，通过在轴向方向上相对于所述外管移动所述内管使得所述多个输出口中的一个输出口有选择地与所述收集接口对齐；密封装置，用于封接所述外管的两个所述外端部和两个所述外端部处的内管的外壁；以及收集装置，设置成部分地穿过所述收集接口和与收集接口对齐的所述一个输出口相接，用于收集反应管内的反应产物。2.根据权利要求1所述的反应器，其中，每个所述输出口包括多个输出孔，形成与所述收集装置相接的输出孔组；以及其中，所述输出孔的孔径小于所述用于实验的固体物质的粒径。3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，所述内管与所述外管的主体的管壁之间形成压力调节空间；其中，所述主体的管壁上设有真空接口；以及优选地，所述主体的管壁上设有适用于检测所述压力调节空间的压力的真空检测接口。4.根据权利要1或2所述的反应器，其中，所述支撑管与所述反应管通过至少一个连接管连接，每个所述连接管的内径小于所述用于实验的固体物质的粒径。5.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，所述主体内还包括条形槽，用于放置温度传感器；其中，所述条形槽从所述外管的一端沿所述外管的轴向方向延伸至所述收集接口处；以及其中，所述条形槽与所述反应管位于同一侧。6.根据权利要求1所述的反应器，其中，所述收集装置的结构为“喇叭”状；以及其中，所述收集装置的口径较小的一端设置在所述收集接口内，且与所述输出口相接。7.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，所述外管的每个外端部包括：收缩管，所述收缩管的外径小于所述主体的外径，所述内管穿过所述收缩管插入所述主体内；以及过渡部，连接在所述主体与所述收缩管之间。8.根据权利要求7所述的反应器，其中，所述密封装置包括外管封接端、接头以及内管封接端；其中，所述外管封接端与所述外管的收缩管密封连接；以及其中，所述内管封接端与所述收缩管端部处的所述内管的外壁密封连接。9.根据权利要求8所述的反应器，其中，所述接头包括：主体部；第一内螺纹部，设置在所述主体部的第一侧；以及第二内螺纹部，设置在所述主体部的与所述第一侧相对的第二侧；
所述外管封接端包括：第一螺帽，与所述第一内螺纹部螺纹结合；以及第一压环，所述收缩管穿过所述第一压环，所述第一螺帽通过与所述第一内螺纹部的结合挤压所述第一压环压紧所述收缩管；所述内管封接端包括：第二螺帽，与所述第二内螺纹部螺纹结合；以及第二压环，所述内管穿过所述第一压环和主体部进入所述外管，所述第二螺帽通过与所述第二内螺纹部的结合挤压所述第二压环压紧所述内管。

技术总结
本公开提供一种基于气相催化的流动管反应器，包括：外管包括主体和两个外端部，主体的外壁上设有收集接口。内管设置成穿过外管，内管包括反应管和与反应管连接的支撑管，反应管的侧壁上设有多个输出口，通过在轴向方向上相对于外管移动内管使得多个输出口中的一个输出口有选择地与收集接口对齐。密封装置用于封接外管的两个外端部和两个外端部处的内管的外壁。收集装置设置成部分地穿过收集接口和与收集接口对齐的一个输出口相接。采用将内管穿设在外壁具有收集接口的外管的内部，并且在内管的反应管部分设置多个输出口能够通过内管沿其轴向移动而与收集接口可选择地接触，从而获得不同反应条件下的反应产物。获得不同反应条件下的反应产物。获得不同反应条件下的反应产物。


技术研发人员：张锦阳 徐强 官觊文 王占东 王红 于同坡
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8