一种磁光热协同的催化剂评价装置制造方法及图纸

一种磁光热协同的催化剂评价装置，其磁场控制单元给反应器(21)中的催化反应提供稳恒磁场，光照控制单元给催化反应提供光照，温度控制单元给催化反应提供热能，供气单元给催化反应提供反应气体，产物分析单元分析催化反应产物的成分和产量。所述的供气单元、反应器和产物分析单元通过气体管路依次连通。温度控制单元与反应器(21)通过液体管路连通。反应器(21)的催化反应腔位于磁场控制单元产生的稳恒磁场中。光照控制单元的光源位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外；反应器开有光学窗口，光照控制单元发出的光透过反应器的光学窗口照射在反应器(21)催化反应腔内的催化剂上。

A catalyst evaluation device with magnetic light and heat synergy

A magnetic thermal coordination catalyst evaluation device, the magnetic field control unit to the reactor (21) catalytic reaction provides a steady magnetic field, the light control unit to provide the light catalytic reaction, catalytic reaction temperature control unit to provide heat, gas supply unit for catalytic reaction for reaction gas, product analysis unit analysis the yield and catalytic reaction products. The gas supply unit, the reactor and the product analysis unit are successively connected through the gas pipeline. The temperature control unit and the reactor (21) are connected through a liquid pipeline. The catalytic reaction chamber of the reactor (21) is located in the stable magnetic field produced by the magnetic field control unit. The light source of the light control unit is located outside the stable magnetic field generated by the magnetic field generating unit. The reactor has optical windows, and the light emitted by the light control unit is irradiated in the reactor (21) catalyst on the catalytic reaction cavity through the optical window of the reactor.

【技术实现步骤摘要】
一种磁光热协同的催化剂评价装置
本专利技术涉及一种催化剂评价装置。
技术介绍
由化石燃料燃烧形成的温室气体CO2排放所带来的全球气候变化问题已日益加剧，成为人类和地球生态系统面临的巨大威胁。一种有潜力的解决方案是利用光伏、风电等可再生能源电解水制得的氢气，再通过CO2的催化加氢制备有用的化学品或燃料。这一方案既能帮助解决大气中CO2浓度增加导致的环境问题，同时也能缓解对化石燃料的过度依赖和可再生能源的存储问题。制约这一方案大规模应用的一个关键技术问题是CO2的热催化加氢技术目前仍普遍存在能耗较高、催化剂稳定性差和目标产物收率低等问题，其规模化应用的经济性还有待提高。CO2的热催化加氢技术水平的提升，一方面需要高效催化剂的进一步发展，另一方面也需要突破传统热催化工艺的限制。比如，在利用温度、压力和空速等常规参量控制催化反应的同时，向反应体系施加磁场、光照等辅助外场，可为优化催化反应路径和促进CO2高效转化提供更大发展空间。从理论上讲，合适的磁场和光照条件有利于热催化反应过程的进行。适当的光照条件可促进反应体系中激发态分子、自由基离子等具有较强反应活性的中间体物种的形成。适当的磁场施加会通过其对电子自旋的影响改变反应体系中催化剂表面能级结构和自由基反应过程。CO2是一种热力学稳定的非极性分子，其反应动力学势垒很高，仅依靠热能活化CO2分子往往需要很高的温度，这也是目前CO2化学转化所需能耗较高的根本原因。若在利用热能活化CO2分子的同时辅以适当的光照条件和磁场环境，则会更有利于CO2分子的极化和离子化，为在温和反应条件和低能耗下CO2的高效转化提供了可能路径。目前，CO2的热催化加氢技术的研究仍基本依靠传统的固定床催化剂评价微反装置，主要通过控制反应的温度、压力和空速等参数来筛选催化剂、理解反应机理和优化反应工艺，如文献：《高分散Pd、Ru催化剂的制备、表征及在CO2加氢转化中的应用》(续晶华，2015，山东大学博士学位论文)、《新型CO2加氢合成甲醇碳负载CuO/ZnO催化剂的研究》(段华美，2014，东北大学博士学位论文)。传统的固定床催化剂评价微反装置的设计是基于单纯依靠热能驱动催化反应的理念而设计的，所以微型固定床反应器往往被包裹在电加热炉内，这使得向反应器内的催化剂施加磁场和光照非常困难。目前国内外尚无应用于研究磁光热协同驱动气固催化反应的催化剂评价装置。
技术实现思路
为了评价在磁光热协同下催化剂的气固催化反应性能，填补装置空白，本专利技术提出一种磁光热协同的催化剂评价装置，用以解决现有固定床催化剂评价装置无法向催化剂同时施加磁、光和热三种能量的问题，并使这三种能量可相互独立调节。本专利技术还具有易于实现小型化和易于更换催化剂等特点。本专利技术的催化剂评价装置包括：反应器、磁场控制单元、光照控制单元、温度控制单元、供气单元和产物分析单元。所述反应器是实现催化反应的场所，所述磁场控制单元为反应器中的催化反应提供稳恒磁场，所述光照控制单元为反应器中的催化反应提供光照，所述温度控制单元用于给催化反应提供热能，所述供气单元用于给催化反应提供反应气体，所述产物分析单元用于催化反应产物的成分和产量分析。其中，供气单元、反应器和产物分析单元通过气体管路依次连通。温度控制单元采用液体导热方式控温,与反应器通过液体管路连通。反应器具有放置催化剂的催化反应腔,所述催化反应腔位于磁场控制单元产生的稳恒磁场中。光照控制单元由光源和导光部件组成，其中光源位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外。反应器具有光学窗口。光照控制单元发出的光透过反应器的光学窗口照射在反应器的催化反应腔内。所述的反应器由反应器主体、光学窗口、顶盖和底盖组成。所述顶盖位于所述反应器主体上方，两者之间以法兰盘连接结构连接；所述反应器主体具有催化反应腔和温控腔。催化剂放置于所述催化反应腔内。所述催化反应腔的腔壁上设有进气口和出气口，所述进气口通过气体管路与所述供气单元连接，所述出气口通过气体管路与所述产物分析单元连接。所述的光学窗口位于催化反应腔的上部，光学窗口通过顶盖与反应器主体的法兰盘结构压合在催化反应腔上，光学窗口与反应器主体的连接处通过密封圈或密封垫片密封；所述温控腔围绕催化反应腔。催化反应腔与温控腔具有共用的腔壁，通过所述共用的腔壁进行换热。所述温控腔内容纳液体导热介质。底盖位于反应器主体的下方，与温控腔组成封闭腔体，可通过密封圈或密封垫片实现密封。所述温控腔的腔壁上设有进液口和出液口，所述出液口位置高于所述进液口位置,所述进液口和出液口通过液体管路与所述温度控制单元连接。所述反应器由非导磁材料制作。所述磁场控制单元的磁场由电磁体产生。所述反应器的催化反应腔位于所述磁场控制单元产生的稳恒磁场中。所述光照控制单元由光源和导光部件组成。光源产生的光通过导光部件引导，透过所述反应器的光学窗口射入所述反应器的催化反应腔的内部。所述导光部件包括光纤或导光筒。所述温度控制单元通过调控液体导热介质的温度，并将所述液体导热介质通过所述进液口输送进所述反应器的温控腔中，利用所述催化反应腔与温控腔的共用腔壁的导热能力实现对所述反应器的催化反应腔的温度调控，所述反应器的温控腔中的液体导热介质可通过出液口回流到所述温度控制单元，从而实现所述液体导热介质的循环流动。这种控温方式避免了传统电加热方式的寄生磁场的产生，有利于磁场和热能的各自独立调节。所述供气单元向催化反应腔通入反应气体，具有调节气体组成、温度、压力和流量的功能。所述非导磁材料为不锈钢、铝合金、钛合金、石英玻璃或特氟龙中的一种或几种。可选的，所述反应器的外侧包覆有保温层。可选的，所述催化反应腔的内部设有热电偶。可选的，所述光学窗口是石英窗口或蓝宝石窗口。可选的，所述密封圈的材料为丁腈橡胶、氟橡胶或硅橡胶。可选的，所述密封垫为含石墨的密封垫。可选的，所述光照控制单元的光源是氙灯。所述温度控制单元包括恒温槽和泵。所述恒温槽用于调控液体导热介质的温度，所述泵用于将液体导热介质从所述恒温槽输送进所述反应器的温控腔中。所述恒温槽与所述泵之间通过液体管路连接。所述泵与所述反应器的温控腔的进液口通过液体管路连接。所述液体导热介质为水或导热油。可选的，所述供气单元的组成部件包括气瓶、质量流量计、压力传感器和气体预热混合容器。可选的，所述产物分析单元为气相色谱仪。在向反应器的催化反应腔内布放待测催化剂和通入反应气体后，本专利技术装置工作时，设定恒温槽内的的目标温度，将液体导热介质加热到目标温度后，启动泵，将液体导热介质通过进液口泵入反应器的温控腔，温控腔内的液体导热介质通过出液口回流到恒温槽，液体导热介质依此进行循环流动，利用温控腔与催化反应腔的共用腔壁的导热能力实现向催化反应腔内的气固催化反应持续提供热能。由于传导加热方式没有寄生磁场，从而使热能与磁能可以相互独立调节。光照控制单元的光源发出的光通过导光部件和反应器的光学窗口，照射到催化反应腔内的催化剂上。磁场控制单元控制流经电磁体的电流大小，便可实现对催化反应腔内的气固催化反应施加不同大小的磁场。由于光照控制单元的光源在磁场外，磁场变化不会影响光源的发光性能，从而使光能与磁能可以相互独立调节。气固催化反应在设定的磁场、光照和温度条件下进行，反应产物通过反应器的催化反应腔的出气口经气体管路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁光热协同的催化剂评价装置，其特征在于：所述的评价装置包括反应器(21)、磁场控制单元、光照控制单元、温度控制单元、供气单元和产物分析单元；所述反应器(21)是实现催化反应的场所，所述磁场控制单元为反应器中的催化反应提供稳恒磁场，所述光照控制单元向反应器中的催化反应提供光照，所述温度控制单元用于给催化反应提供热能，所述供气单元用于给催化反应提供反应气体，所述产物分析单元用于催化反应产物的成分和产量分析；所述的供气单元、反应器(21)和产物分析单元通过气体管路依次连通；温度控制单元采用液体导热方式控温，与反应器(21)通过液体管路连通；反应器具有放置催化剂的催化反应腔，所述催化反应腔位于磁场控制单元产生的稳恒磁场中；光照控制单元由光源和导光部件组成，其中光源位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外；反应器具有光学窗口(2)，光照控制单元发出的光透过反应器的光学窗口照射在反应器的催化反应腔(5)内。

【技术特征摘要】
1.一种磁光热协同的催化剂评价装置，其特征在于：所述的评价装置包括反应器(21)、磁场控制单元、光照控制单元、温度控制单元、供气单元和产物分析单元；所述反应器(21)是实现催化反应的场所，所述磁场控制单元为反应器中的催化反应提供稳恒磁场，所述光照控制单元向反应器中的催化反应提供光照，所述温度控制单元用于给催化反应提供热能，所述供气单元用于给催化反应提供反应气体，所述产物分析单元用于催化反应产物的成分和产量分析；所述的供气单元、反应器(21)和产物分析单元通过气体管路依次连通；温度控制单元采用液体导热方式控温，与反应器(21)通过液体管路连通；反应器具有放置催化剂的催化反应腔，所述催化反应腔位于磁场控制单元产生的稳恒磁场中；光照控制单元由光源和导光部件组成，其中光源位于磁场发生单元产生的稳恒磁场外；反应器具有光学窗口(2)，光照控制单元发出的光透过反应器的光学窗口照射在反应器的催化反应腔(5)内。2.如权利要求1所述的磁光热协同的催化剂评价装置，其特征在于：所述的反应器(21)由反应器主体(1)、光学窗口(2)、顶盖(3)和底盖(4)组成；反应器主体(1)具有催化反应腔(5)和温控腔(6)，催化剂放置于催化反应腔(5)内，温控腔(6)围绕催化反应腔(5)布置，两者具有共用的腔壁，通过所述的共用腔壁进行换热；底盖(4)位于反应器主体(1)下方，与温控腔(6)组成封闭腔体；顶盖(3)位于反应器主体(1)上方，反应器主体(1)与顶盖(3)之间以法兰盘结构连接；反应器主体(1)、顶盖(3)和底盖(4)采用不锈钢材料制成；光学窗口(2)采用石英或蓝宝石材料制成。3.如权利要求2所述的磁光热协同的催化剂评价装置，其特征在于：所述的光学窗口(2)位于催化反应腔(5)的上部，光学窗口(2)通过顶盖(3)与反应器主体(1)的法兰盘连接结构压合在催化反应腔(5)上，光学窗口(2)与反应器主体(1)的连接处通过密封圈或密封垫片(7)密封；催化反应腔(5)的侧壁设有进气口(8)，进气口(8)与供气单元连接，催化反应腔(5)的底部设有出气口(9)，出气口(9)与产...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫存极，窦立广，李鑫，肖立业，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11