多功能原位空间分辨反应器

多功能原位空间分辨反应器

　　德国REACNOSTICS公司推出的新型多功能原位空间分辨反应器，可实现测量和/或模拟反应器内的浓度、温度和流场，可视化呈现出物质在反应器不同位置的实时状态，并通过原位即时空间分辨光谱（Operando Spectroscopy）实现对催化反应动力学的监测与控制。该技术解决了传统“黑匣子”式反应器内部动态无法监测的难题，使得催化反应各项性能指标“透明”。该催化反应器可以与拉曼光谱、质谱、气/液相色谱等联用，达到不断优化催化反应的目的。

REACNOSTICS方法与传统方法对比

左：传统反应器“黑匣子”；右：REACNOSTICS原位空间分辨反应器

应用领域

· 原位即时空间分辨光谱（Operando Spectroscopy）

· 传热研究

· 铑/铂催化甲烷部分氧化制合成气

· 镍上甲烷的干法重整

· 氧化钼上乙烷氧化脱氢制乙烯

· 甲烷选择性氧化

· 铂网上甲烷催化燃烧

· 泡沫铂催化剂上的一氧化碳氧化

· 焦磷酸钒催化氧化正丁烷制马来酸酐

· 铂网催化剂上的氨氧化（Ostwald工艺）

· 钛硅沸石上丙烯环氧化生成环氧丙烷（HPPO 工艺）

· 单颗粒分析

反应器型号

紧凑型反应器 - CPR(Compact Profile Reactors)

多种用途、小巧紧凑的设计、带光学接口

特点

· 带光学通道的紧凑型固定床催化反应器

· 适合在拉曼显微镜下观察

· 催化剂床等温区为60 mm

· 催化剂床直径 4mm

· max温度 550 °C

· max压强 20 bar（高压版本 50 bar）

· 通过加热反应区外的所有路径，不会使产物冷凝

· 可与外部分析设备（质谱、气相色谱、拉曼）互联

· 控制单元

· 软件

选件

· 供气

· 分析软件

· 采样毛细管内部用于拉曼光谱的光纤和耦合器

· 带采集光纤的高温计

小型台式反应釜（Bench Scale Profile Reactors）

适合实验室工作台/通风橱、根据客户流程量身定制、高温/高压

特点

· 中型刨面反应釜

· 适合放在实验室工作台上或通风橱

· 可定制催化剂床的尺寸

· 可定制气体供应和压力控制

· max温度1000 °C

· max压强50 bar

· 采样毛细管的平移和旋转

· 通过加热反应区外的所有路径，不会使产物冷凝

· 可与外部分析设备（质谱、气相色谱、拉曼）互联

· 控制单元

· 软件

· 全自动可控，可实现无人值守的长期运行

选件

· 分析软件

· 废气处理

· 采样毛细管内部用于拉曼光谱的光纤和耦合器

· 带采集光纤的高温计

中试规模反应器

根据客户流程量身定制、催化剂床长度长达100 cm、工业管径

特点

· 带通风机架的独立式反应器

· 可定制催化剂床的尺寸

· 可定制气体供应和压力控制

· max温度500 °C

· max压强50 bar

· 取样毛细管的平移和旋转

· 通过加热反应区外的所有路径，不会使产物冷凝

· 可与外部分析设备（质谱、气相色谱、拉曼）互联

· 控制单元

· 软件

· 全自动可控，可长期无人值守运行

· 尾气处理

选件

· 多个加热/冷却区

· 分析软件

· 采样毛细管内部用于拉曼光谱的光纤和耦合器

· 带采集光纤的高温计

· 用于快速测量温度曲线的光纤布拉格光栅

· 液体汽化

应用案例

反应器中的温度、浓度和光谱曲线测量

　　MoOx/Al3O2催化剂将乙烷氧化脱氢为乙烯的反应中，在 1 bar 反应器压力下，在固定床反应器中测量物质和温度曲线。利用拉曼光谱观测到随着氧分压的降低，MoO3含量逐渐降低。

详细信息请参阅：

Geske, M.; Korup, O.; Horn, R. Catal. Sci. Technol. 3 (2013) 169-175.

反应器中的空间分辨光谱

应用案例1：对涂有 Pt 纳米颗粒的氧化铝泡沫进行空间分辨拉曼光谱分析，Pt颗粒在甲烷催化部分氧化制合成气的反应器中使用过。拉曼光谱显示 Pt 颗粒上形成的 sp2 杂化碳的 D 和 G 带导致催化剂失活。

详情请参阅：

Korup, O.; Goldsmith, C. F.; Weinberg, G.; Geske, M.; Kandemir, T.; Schlögl, R.; Horn, R. J. Catal. 297 (2013) 1-16.

应用案例2：富甲烷条件下，气相甲烷氧化的空间剖面反应器研究。甲醛是甲烷氧化成一氧化碳过程中所形成的一种低浓度中间物质，通过空间分辨 LIF 光谱进行测量。

详情请参阅：

Schwarz, H.; Geske, M.; Goldsmith, C. F.; Schlögl, R.; Horn, R. Combust. Flame 161 (2014) 1688-1700.  

催化剂本征动力学测量

具有沙浴加热、原料气供应和气相色谱产物分析的三重平行等温动力学试验反应器。

反应过程的测量和优化

应用案例1：利用高分辨率轴向温度分布测量，来确定球体和空心圆柱体填充床的有效轴向导热率。

详情请参阅：

Sosna, B.; Dong, Y.; Chromow, L.; Korup, O.; Horn, R. Chem. Ing. Tech. 88 (2016) 1676-1683.

应用案例2： 模拟高温、高流速应用中，用作催化剂载体的开孔泡沫的流动轨迹。中间的圆柱体表示用于空间剖面测量的采样毛细管。

反应器建模

　　对壁加热催化固定床反应器内，基于颗粒解析的CFD模拟速度场和温度场。催化剂颗粒形状为空心圆柱体。

详情请参阅：

Dong, Y.; Sosna, B.; Korup, O.; Rosowski, F.; Horn, R. Chem. Eng. J. 317 (2017) 204-214.

发表文章

已发表文章（按应用分类）

•  原位即时空间分辨光谱（Operando Spectroscopy）

Exploring catalyst dynamics in a fixed bed reactor by correlative operando spatially-resolved structure-activity profiling. Wollak, B.; Doronkin, D.E.; Espinoza,D.; Sheppard, T.; Korup, O.; Schmidt, M.; Alizadefanaloo, S.; Rosowski, F.; Schroer, C.; Grunwaldt, J.-D.; Horn, R. Journal of Catalysis

•  传热研究

Investigation of Radial Heat Transfer in a Fixed-Bed Reactor: CFD Simulations and Profile Measurements. Dong, Y.; Sosna, B.; Rosowski, F.; Horn, R. Chemical Engineering Journal, Volume 317, (2017), Pages 204-214.

Effective Axial Thermal Conductivity in Catalyst Packings from High Resolution Temperature Profiles. Sosna, B.; Dong, Y.; Chromow, L.; Korup, O.; Horn, R. Chemie Ingenieur Technik, Volume 88, Issue 11, (2016), Pages 1676-1683.

•  铑/铂催化甲烷部分氧化制合成气

Catalytic Partial Oxidation of Methane on Platinum Investigated by Spatial Reactor Profiles, Spatially Resolved Spectroscopy, and Microkinetic Modeling. Korup, O.; Goldsmith, C. F.; Weinberg, G.; Geske, M.; Kandemir, T.; Schloegl, R.; Horn, R. Journal of Catalysis, Volume 297, Year 2013, Pages 1-16.

Measurement and Analysis of Spatial Reactor Profiles in High Temperature Catalysis Research. Korup, O.; Mavlyankariev, S.; Geske, M.; Goldsmith, C. F.; Horn, R. Chemical Engineering and Processing, Volume 50, Issue 10, Year 2011, Pages 998-1009.

Modeling Spatially Resolved Data of Methane Catalytic Partial Oxidation on Rh Foam Catalyst at Different Inlet Compositions and Flow Rates. Nogare, D. D.; Degenstein, N. J.; Horn, R.; Canu, P.; Schmidt, L. D. Journal of Catalysis, Volume 277, Issue 2, Year 2011, Pages 134-148.

Catalytic Partial Oxidation of Methane on Rhodium and Platinum: Spatial Profiles at Elevated Pressure. Bitsch-Larsen, A.; Horn, R.; Schmidt, L. D. Applied Catalysis A-General, Volume 348, Issue 2, Year 2008, Pages 165-172.

Modeling Spatially Resolved Profiles of Methane Partial Oxidation on a Rh Foam Catalyst with Detailed Chemistry. Nogare, D. D.; Degenstein, N. J.; Horn, R.; Canu, P.; Schmidt, L. D. Journal of Catalysis, Volume 258, Issue 1, Year 2008, Pages 131-142.

Performance of Mechanisms and Reactor Models for Methane Oxidation on Rh. Williams, K. A.; Horn, R.; Schmidt, L. D.AIChE Journal, Volume 53, Issue 8, Year 2007, Pages 2097-2113.

Methane Catalytic Partial Oxidation on Autothermal Rh and Pt Foam Catalysts: Oxidation and Reforming Zones, Transport Effects, and Approach to Thermodynamic Equilibrium. Horn, R.; Williams, K. A.; Degenstein, N. J.; Bitsch-Larsen, A.; Nogare, D. D.; Tupy, S. A.; Schmidt, L. D. Journal of Catalysis, Volume 249, Issue 2, Year 2007, Pages 380-393.

Mechanism of H2 and CO Formation in the Catalytic Partial Oxidation of CH4 on Rh Probed by Steady-State Spatial Profiles and Spatially Resolved Transients. Horn, R.; Williams, K. A.; Degenstein, N. J.; Schmidt, L. D. Chemical Engineering Science, Volume 62, Issue 5, Year 2007, Pages 1298-1307.

Spatial and Temporal Profiles in Millisecond Partial Oxidation Processes. Horn, R.; Degenstein, N. J.; Williams K. A.; Schmidt L. D. Catalysis Letters, Volume 110, Issue 3-4, Year 2006, Pages 169-178.

Syngas by Catalytic Partial Oxidation of Methane on Rhodium: Mechanistic Conclusions from Spatially Resolved Measurements and Numerical Simulations. Horn, R.; Williams K. A.; Degenstein, N. J.; Schmidt L. D. Journal of Catalysis, Volume 242, Issue 1, Year 2006, Pages 92-102.

•  镍上甲烷的干法重整

Investigating Dry Reforming of Methane with Spatial Reactor Profiles and Particle-Resolved CFD Simulations. Wehinger, G. D.; Kraume, M.; Berg, V.; Korup, O.; Mette, K.; Schlögl, R.; Behrens, M.; Horn, R. AIChE Journal, Volume 62, Year 2016, Pages 4436-4452.

•  氧化钼上乙烷氧化脱氢制乙烯

Resolving Kinetics and Dynamics of a Catalytic Reaction inside a Fixed Bed Reactor by Combined Kinetic and Spectroscopic Profiling. Geske, M.; Korup, O.; Horn, R. Catalysis Science and Technology, Volume 3, Year 2013, Pages 169-175.

•  甲烷选择性氧化

Fuel-Rich Methane Oxidation in a High-Pressure Flow Reactor Studied by Optical-Fiber Laser-Induced Fluorescence, Multi-Species Sampling Profile Measurements and Detailed Kinetic Simulations. Schwarz, H.; Geske, M.; Goldsmith, C. F.; Schlögl, R.; Horn, R. Combustion and Flame, Volume 161, Year 2014, Pages 1688-1700.

•  铂网上甲烷催化燃烧

Catalytic Methane Combustion on a Pt Gauze: Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, Species Profiles and Simulations. Schwarz, H.; Dong, Y.; Horn, R. Chemical Engineering Technology, Volume 39, Year 2016, Pages 2011-2019

•  泡沫铂催化剂上的一氧化碳氧化

Catalytic Methane Combustion on a Pt Gauze: Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, Species Profiles and Simulations. Schwarz, H.; Dong, Y.; Horn, R. Chemical Engineering Technology, Volume 39, Year 2016, Pages 2011-2019.

•  焦磷酸钒催化氧化正丁烷制马来酸酐

Catalytic Methane Combustion on a Pt Gauze: Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, Species Profiles and Simulations. Schwarz, H.; Dong, Y.; Horn, R. Chemical Engineering Technology, Volume 39, Year 2016, Pages 2011-2019.

•  铂网催化剂上的氨氧化（Ostwald工艺）

Catalytic Methane Combustion on a Pt Gauze: Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, Species Profiles and Simulations. Schwarz, H.; Dong, Y.; Horn, R. Chemical Engineering Technology, Volume 39, Year 2016, Pages 2011-2019.

•  钛硅沸石上丙烯环氧化生成环氧丙烷（HPPO 工艺）

Work in progress. Coming soon...

•  单颗粒分析

Probing local diffusion and reaction in a porous catalyst pellet. Sosna B.; Korup O.; Horn, R. Journal of Catalysis

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