多功能原位空间分辨反应器，突破传统局限，实时 “看清” 催化反应中间过程！

发布日期：2025-05-19

在多相催化中，传统技术无法对反应器内不同空间位置的浓度分布、温度梯度及流场特性进行实时解析，对于“黑匣子”式固定床反应器内部的物质状态监测长期面临挑战。

近期，德国REACNOSTICS公司研究推出的多功能原位空间分辨固定床原位反应器CPR，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。该技术突破了传统反应器 “只能测进出口参数，无法解析内部动态状态” 的局限，使得催化反应各项性能指标“透明”化，为催化机理研究提供了革命性工具。

图1空间分辨原位反应器-紧凑型反应器 CPR（多种用途、小巧紧凑的设计、带光学接口）

图2 左：传统反应器“黑匣子”；右：REACNOSTICS原位空间分辨反应器

案例进展：丙烯环氧化反应的深度解析

德国汉堡工业大学的科研人员利用多功能原位空间分辨固定床原位反应器CPR对钛硅分子筛（TS-1）催化的丙烯环氧化反应进行了深入研究，实现了一系列重要的测试表征。在反应动力学测量方面，改变液体时空速度，在 3.0、6.0 和 12.0(h^-1) 等不同接触时间下，通过 CPR 内置的轴向采样毛细管，实时监测反应器不同位置的组分浓度变化（图3）。通过记录不同位置处反应物和产物的浓度变化，计算出丙烯转化率、环氧丙烷选择性和反应微分速率等关键参数。从图 3a - c（CPR - 1，\(LHSV = 3.0h^-1）可以看到，随着反应的进行，丙烯逐渐转化为环氧丙烷，同时还有一些副产物生成，这些数据为研究反应进程提供了有力支持。

图3 主要的环氧化反应，副产物的形成，选择性(S)和转化率(X)空间分辨谱： (LHSV 3.0 h^-1)（左列），(LHSV 6.0 h^-1)（中列）和(LHSV 12.0 h^-1)（右列）。

此外，作者借助 CPR 持续监测催化剂床出口处的产物分布。通过观察产物浓度随时间的变化，判断反应是否达到稳态。当产物分布保持恒定且碳平衡闭合低于 10% 时，认定反应达到稳态。这一过程有助于确保实验数据的稳定性和可靠性，为后续分析提供有效数据。

图4 稳态过渡：Pr转化率(X)， PO选择性(S)，碳平衡闭合和产物分布。CPR-1（上行）、CPR-2（中行）和CPR-3（下行）。

值得注意的是，该技术还适用于对高压和高温有要求的多种反应体系，可以搭配联用各种气/液相/质谱、红外拉曼光谱和X射线衍射、X射线吸收光谱、拉曼光谱、SAXS等表征方法，从而多角度促进对催化反应体系的优化。

其他案例：

应用案例1：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.   

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。

应用案例3：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.

参考文献：

Ind. Eng. Chem. Res. 2023, 62, 3098−3115. Liquid Phase Epoxidation of Propylene to Propylene Oxide with Hydrogen Peroxide on Titanium Silicalite-1: Spatially Resolved Measurements and Numerical Simulations