模块化气固相催化反应及表征装置

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，特别是涉及模块化气固相催化反应及表征装置。

背景技术

气固相催化反应是化学工业中最常见的反应过程，气体组分在固体催化剂的催化作用下反应生成目标产物，是化学工业中应用最广、规模最大的一种反应过程，占工业生产中催化反应过程的90％以上。在催化剂的研制与生产过程中，离不开反应装置和表征装置，通过反应装置对固体催化剂的性能评价，并进一步利用表征装置研究催化剂的物理化学性质，探究催化剂性能和结构之间的关系，从而指导开发出高效的催化剂。

一般来说，气固相催化过程的催化性能和结构表征是通过两套独立的设备分别测试。且催化性能测试设备的组件繁多，气路连接复杂，导致装置安装和搭建周期长，工作效率低。

发明内容

基于此，有必要针对现有催化性能测试设备的气路连接复杂问题，提供一种模块化气固相催化反应及表征装置。

一种模块化气固相催化反应及表征装置，包括：

配气模块，所述配气模块用于调配催化反应所需的气体组分；

反应模块，所述反应模块用于放置催化剂并控制催化剂床层温度，使得气体与催化剂接触反应；

检测模块，所述检测模块用于检测催化反应后的气体组分；

多个气路连接块，所述气路连接块上设有进气口和出气口，所述气路连接块的进气口和所述气路连接块的出气口在所述气路连接块内部连通，所述气路连接块的进气口和所述气路连接块的出气口设置在所述气路连接块的同一端面上；

所述配气模块的进气口用于与供气设备连通，所述配气模块的出气口与第一所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述反应模块的进气口对接连通，所述反应模块的出气口与第二所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述检测模块的进气口对接连通。

上述的模块化气固相催化反应及表征装置，设置了配气模块、反应模块、检测模块和气路连接块，所述配气模块用于调配催化反应所需的气体组分，所述反应模块用于放置催化剂并控制催化剂床层温度，使得气体与催化剂接触反应，所述检测模块用于检测催化反应后气体组分的变化，气路连接块既可以用于放置固定所述配气模块、所述反应模块和所述检测模块，也能用于依次连通所述配气模块、所述反应模块和所述检测模块，且只需要将这些模块与气路连接块的进气口和出气口对接，就能实现气路连通，提高了模块化气固相催化反应及表征装置安装和拆卸的便利性。同时，气路连接块代替了传统的气管连接方式，使得模块化气固相催化反应及表征装置整体更加整洁，提高了配气模块、反应模块、检测模块等功能模块更换的便利性，因此，只需要更换部分模块，就可以在同一套装置上进行催化性能测试和催化剂的结构表征。

在其中一个实施例中，所述配气模块包括多个配气支线，每个所述配气支线包括减压阀功能块、流量计功能块、气路开关功能块和多个所述气路连接块，所述减压阀功能块、所述流量计功能块和所述气路开关功能块上均设有进气口和出气口，所述减压阀功能块的进气口和所述减压阀功能块的出气口设置在所述减压阀功能块的同一端面上，所述流量计功能块的进气口和所述流量计功能块的出气口设置在所述流量计功能块的同一端面上，所述气路开关功能块的进气口和所述气路开关功能块的出气口设置在所述气路开关功能块的同一端面上；

所述减压阀功能块的进气口用于与所述供气设备连通，所述减压阀功能块的出气口与第三所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述流量计功能块的进气口对接连通，所述流量计功能块的出气口与第四所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述气路开关功能块的进气口对接连通，所述气路开关功能块的出气口与第五所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述反应模块的进气口对接连通。

在其中一个实施例中，所述模块化气固相催化反应及表征装置还包括气体混合块，所述气体混合块上设有多个进气口和一个出气口，所述气体混合块的多个进气口和所述气体混合块的一个出气口在所述气体混合块内部连通，所述气体混合块的多个进气口和所述气体混合块的一个出气口设置在所述气体混合块的同一端面上；

多个第五所述气路连接块的出气口分别与所述气体混合块上的多个进气口对接连通，所述气体混合块的出气口与第一所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述反应模块的进气口对接连通。

在其中一个实施例中，所述配气支线还包括转接块，所述转接块上设有进气口和出气口，所述转接块的进气口设有卡套接头，所述卡套接头用于与所述供气设备的气管对接连通，所述转接块的出气口与第六所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述减压阀功能块的进气口连通。

在其中一个实施例中，所述反应模块包括加热功能块和温控功能块，所述加热功能块和所述温控功能块电连接，所述加热功能块上设有进气口和出气口，所述加热功能块的进气口与第一所述气路连接块的出气口对接连通，该所述气路连接块的进气口与所述配气模块的出气口对接连通，所述加热功能块的出气口与第二所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述检测模块的进气口对接连通。

在其中一个实施例中，模块化气固相催化反应及表征装置还包括两个固定块，所述固定块上设有进气口和出气口，所述固定块的进气口和所述固定块的出气口分别设置在所述固定块相邻的两个端面上，所述加热功能块的进气口和所述加热功能块的出气口分别设置在所述加热功能块相对的两个端面上；

一个所述固定块的进气口与第一所述气路连接块的出气口对接连通，该所述固定块的出气口与所述加热功能块的进气口对接连通，该所述气路连接块的进气口与所述配气模块的出气口对接连通；

另一个所述固定块的进气口与所述加热功能块的出气口对接连通，该所述固定块的出气口与第二所述气路连接块的进气口对接连通，该所述气路连接块的出气口与所述检测模块的进气口对接连通。

在其中一个实施例中，所述检测模块包括气体传感器、氢火焰检测器、热导检测器、红外检测器和紫外检测器中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述气路连接块的进气口和所述气路连接块的出气口上均设有橡胶垫圈；

和/或，所述气路连接块为金属方块，所述金属方块内设有U型气路，所述U型气路的两端分别连通所述气路连接块的进气口和所述气路连接块的出气口。

在其中一个实施例中，所述模块化气固相催化反应及表征装置还包括底板，所述底板上设有多个凹槽，所述凹槽的形状与所述气路连接块的形状相适应，所述凹槽与所述气路连接块一一对应。

在其中一个实施例中，模块化气固相催化反应及表征装置还包括电源模块和控制模块，所述配气模块、所述反应模块和所述检测模块均与所述电源模块电连接，所述配气模块、所述反应模块和所述检测模块均与所述控制模块电连接，所述控制模块用于控制所述配气模块、所述反应模块和所述检测模块。

附图说明

图1为一实施例中模块化气固相催化反应及表征装置的结构示意图；

图2为一实施例中模块化气固相催化反应及表征装置的气流方向示意图；

图3为一实施例中模块化气固相催化反应及表征装置的俯视图；

图4为一实施例中气路连接块的俯视图；

图5为一实施例中气体混合块的俯视图。

附图标号：100、模块化气固相催化反应及表征装置；10、配气模块；11、配气支线；12、减压阀功能块；13、流量计功能块；14、气路开关功能块；15、转接块；20、反应模块；21、加热功能块；22、温控功能块；30、检测模块；40、气路连接块；41、第一安装孔；42、气路连接块的进气口；43、气路连接块的出气口；44、第一气路连接块；45、第二气路连接块；46、第三气路连接块；47、第四气路连接块；48、第五气路连接块；49、第六气路连接块；50、气体混合块；51、第二安装孔；52、气体混合块的进气口；53、气体混合块的出气口；60、固定块；70、底板；80、电源模块；90、螺钉。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。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。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面结合附图对本申请一些实施例提供的模块化气固相催化反应及表征装置100进行详细描述。

如图1、图2和图3所示，在一实施例中，提供了一种模块化气固相催化反应及表征装置100，包括配气模块10、反应模块20、检测模块30和多个气路连接块40；

其中，配气模块10用于调配催化反应所需的气体组分；反应模块20用于放置催化剂并控制催化剂床层温度，使得气体与催化剂接触反应；检测模块30用于检测催化反应后的气体组分；

气路连接块40上设有进气口和出气口，气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43在气路连接块40内部连通，气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43设置在气路连接块40的同一端面上；

配气模块10的进气口用于与供气设备连通，配气模块10的出气口与第一气路连接块44的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与反应模块20的进气口对接连通，反应模块20的出气口与第二气路连接块45的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与检测模块30的进气口对接连通。

上述的模块化气固相催化反应及表征装置100，设置了配气模块10、反应模块20、检测模块30和气路连接块40，配气模块10用于调配催化反应所需的气体组分，反应模块20用于放置催化剂并控制催化剂床层温度，使得气体与催化剂接触反应，检测模块30用于检测催化反应后气体组分的变化，气路连接块40能用于依次连通配气模块10、反应模块20和检测模块30，只需要将这些模块与气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43对接，就能实现气路连通，提高了模块化气固相催化反应及表征装置100安装和拆卸的便利性。同时，气路连接块40代替了传统的气管连接方式，使得模块化气固相催化反应及表征装置100整体更加整洁，提高了配气模块10、反应模块20、检测模块30等功能模块更换的便利性，因此，只需要更换部分模块，就可以在同一套装置上进行催化性能测试和催化剂的结构表征。

具体地，如图3所示，在一实施例中，多个气路连接块40沿直线依次间隔设置，配气模块10、反应模块20、检测模块30依次放置在相邻两个气路连接块40上，并依次与相邻两个气路连接块40对接连通，形成密封的气路。也即每个气路连接块40上放置相邻两个功能模块。如第一气路连接块44上放置并连通配气模块10和反应模块20，第二气路连接块45上放置并连通反应模块20和检测模块30。

并且，气路连接块40也可以不与功能模块对接连通，仅作为支撑底座使用。如支撑检测模块30的两个气路连接块40，前一个气路连接块40与检测模块30对接连通，后一个气路连接块40与检测模块30不连通。

具体地，如图3所示，在一实施例中，配气模块10包括多个配气支线11，每个配气支线11包括减压阀功能块12、流量计功能块13、气路开关功能块14和多个气路连接块40，减压阀功能块12、流量计功能块13和气路开关功能块14上均设有进气口和出气口，减压阀功能块12的进气口和减压阀功能块12的出气口设置在减压阀功能块12的同一端面上，流量计功能块13的进气口和流量计功能块13的出气口设置在流量计功能块13的同一端面上，气路开关功能块14的进气口和气路开关功能块14的出气口设置在气路开关功能块14的同一端面上。每个配气支线11用于控制一种气体的流量，一般催化反应过程中需要配置多种气体混合使用。减压阀功能块12用于调节供气设备(如气瓶)的供气压力，流量计功能块13用于精确控制该气体组分的流量，气路开关功能块14用于控制该配气支线11的气体通断。减压阀功能块12、流量计功能块13和气路开关功能块14均为标准化功能块，为了方便与气路连接块40对接连通，减压阀功能块12的进气口和出气口、流量计功能块13的进气口和出气口及气路开关功能块14的进气口和出气口均设置在同一端面上，且减压阀功能块12的进气口和出气口、流量计功能块13的进气口和出气口及气路开关功能块14的进气口和出气口设置的位置分别与气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43设置的位置对应。

其中，减压阀功能块12的进气口用于与供气设备连通，减压阀功能块12的出气口与第三气路连接块46的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与流量计功能块13的进气口对接连通，流量计功能块13的出气口与第四气路连接块47的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与气路开关功能块14的进气口对接连通，气路开关功能块14的出气口与第五气路连接块48的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与反应模块20的进气口对接连通。

具体地，如图3所示，多个气路连接块40沿直线依次间隔布置，减压阀功能块12、流量计功能块13和气路开关功能块14依次放置在相邻两个气路连接块40上。减压阀功能块12、流量计功能块13和气路开关功能块14均通过气路连接块40对接连通，每个气路连接块40上放置相邻两个功能块，且连通上述两个功能块，如第三气路连接块46连通减压阀功能块12和流量计功能块13，第四气路连接块47连通流量计功能块13和气路开关功能块14，第五气路连接块48连通气路开关功能块14和反应模块20。

在本具体实施例中，减压阀功能块12的内部设有减压阀，减压阀的进气口和出气口分别与减压阀功能块12的进气口和出气口连通，通过减压阀控制供气设备的放气压力。流量计功能块13的内部设有质量流量计，质量流量计的进气口和出气口分别与流量计功能块13的进气口和出气口连通，通过质量流量计来控制气体的流量。气路开关功能块14的内部设有电磁阀，电磁阀的进气口和出气口分别与气路开关功能块14的进气口和出气口连通，通过电磁阀来控制气路的开合。

具体地，如图3和图5所示，在一实施例中，模块化气固相催化反应及表征装置100还包括气体混合块50，气体混合块50上设有多个进气口和一个出气口，气体混合块50的多个进气口和气体混合块50的一个出气口在气体混合块50内部连通，气体混合块50的多个进气口和气体混合块50的一个出气口设置在气体混合块50的同一端面上。

其中，多个第五气路连接块48的出气口43分别与多个气体混合块的进气口52对接连通，气体混合块的出气口53与第一气路连接块44的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与反应模块20的进气口对接连通。气体混合块50用于将多条配气支线11的气流混合均匀，并合并汇总到反应模块20，使配气模块10的气体与反应模块20中的催化剂充分接触并发生催化反应。

在本具体实施例中，多个气体混合块的进气口52与多个配气支线11一一对应。当配气支线11为2个时，可以配制2种气体，气体混合块50上设置2个进气口。当配气支线11为3个时，可以配制3种气体，气体混合块50上设置3个进气口。

更进一步地，气体混合块50为金属块，金属块内部设有多个通道，通道用于连通气体混合块的进气口52和气体混合块的出气口53。

并且，气体混合块50上设有进气口和出气口的端面上还设有第二安装孔51，螺钉90穿过第二安装孔51与气路连接块40固定连接。

具体地，如图3所示，在一实施例中，配气支线11还包括转接块15，转接块15上设有进气口和出气口，转接块15的进气口设有卡套接头，卡套接头用于与供气设备的气管对接连通，转接块15的出气口与第六气路连接块49的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与减压阀功能块12的进气口连通。减压阀功能块12一般通过气管与供气设备(如气瓶)连通，因此设置转接块15，并在转接块15的进气口上设有卡套接头，方便与气管连接。

在本具体实施例中，卡套接头为标准件，可选用3mm、6mm和12mm的标准卡套接头，分别用于与直径为3mm、6mm和12mm的气管连接。

具体地，如图3所示，在一实施例中，反应模块20包括加热功能块21和温控功能块22，加热功能块21和温控功能块22电连接，加热功能块21上设有进气口和出气口，加热功能块21的进气口与第一气路连接块44的出气口43对接连通，该气路连接块的进气口42与配气模块10的出气口对接连通，加热功能块21的出气口与第二气路连接块45的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与检测模块30的进气口对接连通。加热功能块21用于对催化剂进行加热，并使得气体与催化剂充分接触并发生催化反应。温控功能块22用于控制加热功能块21温度。

在本具体实施例中，加热功能块21的内部设有固定床反应器或釜式反应器，固定床反应器或釜式反应器的进气口和出气口分别与加热功能块21的进气口和出气口连通。固定床反应器和釜式反应器可分别开展连续流动实验或间歇实验。

具体地，如图1和图2所示，在一实施例中，模块化气固相催化反应及表征装置100还包括两个固定块60，固定块60上设有进气口和出气口，固定块60的进气口和固定块60的出气口分别设置在固定块60相邻的两个端面上，加热功能块21的进气口和加热功能块21的出气口分别设置在加热功能块21相对的两个端面上。

其中，一个固定块60的进气口与第一气路连接块44的出气口43对接连通，该固定块60的出气口与加热功能块21的进气口对接连通，该气路连接块的进气口42与配气模块10的出气口对接连通。

其中，另一个固定块60的进气口与加热功能块21的出气口对接连通，该固定块60的出气口与第二气路连接块45的进气口42对接连通，该气路连接块的出气口43与检测模块30的进气口对接连通。

由于加热功能块21的内部设有固定床反应器，该固定床反应器一般为石英管，需要反复打开固定床反应器放入催化剂和取出催化剂，因此加热功能块21的进气口和出气口一般设置在左右两个端面上，无法与气路连接块40直接对接连通。设置两个固定块60，将两个固定块60的进气口和出气口设置在固定块60相邻的两个端面上，即固定块60的进气口和出气口，一个设置在底面上用于与气路连接块40对接连通，另一个设置在侧面上，用于加热功能块21对接连通，因此固定块60起到了连接加热功能块21和气路连接块40的转接作用。

在本具体实施例中，固定块60为金属块，固定块60内设有通道，通道用于连通固定块60的进气口和固定块60的出气口。

并且，固定块60和加热功能块21通过螺钉90、法兰盘或卡扣固定连接，固定块60与气路连接块40通过螺钉90、法兰盘或卡扣固定连接。

具体地，在一实施例中，检测模块30包括气体传感器、氢火焰检测器、热导检测器、红外检测器和紫外检测器中的至少一种。气体传感器、氢火焰检测器、热导检测器、红外检测器和紫外检测器为常见的气体浓度检测设备，可满足多种检测精度、灵敏度及时间分辨率的要求。

具体地，在一实施例中，气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43上均设有橡胶垫圈。橡胶垫圈用于提高气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43的密封性。

更进一步地，气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43上还可以设置硅胶垫圈、丁腈胶垫圈、聚四氟乙烯垫圈、金属垫圈或石墨垫圈。可以理解地，气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43上垫圈可以根据需要选择，只要保证密封性即可，在此不做限定。

具体地，在一实施例中，气路连接块40为金属方块，金属方块内设有U型通道，U型通道的两端分别连通气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43。

更进一步地，气路连接块的进气口42和气路连接块的出气口43的直径为2mm。

具体地，如图1、图2和图3所示，在一实施例中，模块化气固相催化反应及表征装置100还包括底板70，底板70上设有多个凹槽，凹槽的形状与气路连接块40的形状相适应，凹槽与气路连接块40一一对应。凹槽用于限制气路连接块40在底板70上的位置，有利于提高模块化气固相催化反应及表征装置100的安装效率。

其中，气路连接块40与底板70通过螺钉90固定连接。

具体地，如图3所示，在一实施例中，减压阀功能块12、流量计功能块13、气路开关功能块14、转接块15、气体混合块50、固定块60和检测模块30均与气路连接块40通过螺钉90连接。

其中，气路连接块40上设有进气口和出气口的端面上设有第一安装孔41，螺钉90穿过减压阀功能块12、流量计功能块13、气路开关功能块14、转接块15、气体混合块50、固定块60或检测模块30插入第一安装孔41中。

在本具体实施例中，第一连接孔设有4个，其中2个第一连接孔连接前一个功能块，另外2个第一连接孔连接后一个功能块。如第六气路连接块49分别连接转接块15和减压阀功能块12，其中2个第一连接孔用于固定转接块15，另外2个第一连接孔用于固定减压阀功能块12。

具体地，在一实施例中，模块化气固相催化反应及表征装置100还包括电源模块80和控制模块，配气模块10、反应模块20和检测模块30均与电源模块80电连接，配气模块10、反应模块20和检测模块30均与控制模块电连接，控制模块用于控制配气模块10、反应模块20和检测模块30。电源模块80用于为配气模块10、反应模块20和检测模块30提供电能。

减压阀功能块12、流量计功能块13、气路开关功能块14均与控制模块电连接，控制模块用于控制模块化气固相催化反应及表征装置100的气流压力、气体流量、气路开合等参数，控制模块还可用于接收检测模块30的检测结果，生成检测分析报告。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。