多功能原位空間分辨反應器

　　德國REACNOSTICS公司推出的新型多功能原位空間分辨反應器，可實現測量和/或模擬反應器內的濃度、溫度和流場，可視化呈現出物質在反應器不同位置的實時狀態，并通過原位即時空間分辨光譜（Operando Spectroscopy）實現對催化反應動力學的監測與控制。該技術解決了傳統“黑匣子”式反應器內部動態無法監測的難題，使得催化反應各項性能指標“透明”。該催化反應器可以與拉曼光譜、質譜、氣/液相色譜等聯用，達到不斷優化催化反應的目的。

REACNOSTICS方法與傳統方法對比

左：傳統反應器“黑匣子”；右：REACNOSTICS原位空間分辨反應器

應用領域

· 原位即時空間分辨光譜（Operando Spectroscopy）

· 傳熱研究

· 銠/鉑催化甲烷部分氧化制合成氣

· 鎳上甲烷的干法重整

· 氧化鉬上乙烷氧化脫氫制乙烯

· 甲烷選擇性氧化

· 鉑網上甲烷催化燃燒

· 泡沫鉑催化劑上的一氧化碳氧化

· 焦磷酸釩催化氧化正丁烷制馬來酸酐

· 鉑網催化劑上的氨氧化（Ostwald工藝）

· 鈦硅沸石上丙烯環氧化生成環氧丙烷（HPPO 工藝）

· 單顆粒分析

反應器型號

緊湊型反應器 - CPR(Compact Profile Reactors)

多種用途、小巧緊湊的設計、帶光學接口

特點

· 帶光學通道的緊湊型固定床催化反應器

· 適合在拉曼顯微鏡下觀察

· 催化劑床等溫區為60 mm

· 催化劑床直徑 4mm

· max溫度 550 °C

· max壓強 20 bar（高壓版本 50 bar）

· 通過加熱反應區外的所有路徑，不會使產物冷凝

· 可與外部分析設備（質譜、氣相色譜、拉曼）互聯

· 控制單元

· 軟件

選件

· 供氣

· 分析軟件

· 采樣毛細管內部用于拉曼光譜的光纖和耦合器

· 帶采集光纖的高溫計

小型臺式反應釜（Bench Scale Profile Reactors）

適合實驗室工作臺/通風櫥、根據客戶流程量身定制、高溫/高壓

特點

· 中型刨面反應釜

· 適合放在實驗室工作臺上或通風櫥

· 可定制催化劑床的尺寸

· 可定制氣體供應和壓力控制

· max溫度1000 °C

· max壓強50 bar

· 采樣毛細管的平移和旋轉

· 通過加熱反應區外的所有路徑，不會使產物冷凝

· 可與外部分析設備（質譜、氣相色譜、拉曼）互聯

· 控制單元

· 軟件

· 全自動可控，可實現無人值守的長期運行

選件

· 分析軟件

· 廢氣處理

· 采樣毛細管內部用于拉曼光譜的光纖和耦合器

· 帶采集光纖的高溫計

中試規模反應器

根據客戶流程量身定制、催化劑床長度長達100 cm、工業管徑

特點

· 帶通風機架的獨立式反應器

· 可定制催化劑床的尺寸

· 可定制氣體供應和壓力控制

· max溫度500 °C

· max壓強50 bar

· 取樣毛細管的平移和旋轉

· 通過加熱反應區外的所有路徑，不會使產物冷凝

· 可與外部分析設備（質譜、氣相色譜、拉曼）互聯

· 控制單元

· 軟件

· 全自動可控，可長期無人值守運行

· 尾氣處理

選件

· 多個加熱/冷卻區

· 分析軟件

· 采樣毛細管內部用于拉曼光譜的光纖和耦合器

· 帶采集光纖的高溫計

· 用于快速測量溫度曲線的光纖布拉格光柵

· 液體汽化

應用案例

反應器中的溫度、濃度和光譜曲線測量

　　MoOx/Al₃O₂催化劑將乙烷氧化脫氫為乙烯的反應中，在 1 bar 反應器壓力下，在固定床反應器中測量物質和溫度曲線。利用拉曼光譜觀測到隨著氧分壓的降低，MoO₃含量逐漸降低。

詳細信息請參閱：

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

反應器中的空間分辨光譜

應用案例1：對涂有 Pt 納米顆粒的氧化鋁泡沫進行空間分辨拉曼光譜分析，Pt顆粒在甲烷催化部分氧化制合成氣的反應器中使用過。拉曼光譜顯示 Pt 顆粒上形成的 sp2 雜化碳的 D 和 G 帶導致催化劑失活。

詳情請參閱：

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

應用案例2：富甲烷條件下，氣相甲烷氧化的空間剖面反應器研究。甲醛是甲烷氧化成一氧化碳過程中所形成的一種低濃度中間物質，通過空間分辨 LIF 光譜進行測量。

詳情請參閱：

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

催化劑本征動力學測量

具有沙浴加熱、原料氣供應和氣相色譜產物分析的三重平行等溫動力學試驗反應器。

反應過程的測量和優化

應用案例1：利用高分辨率軸向溫度分布測量，來確定球體和空心圓柱體填充床的有效軸向導熱率。

詳情請參閱：

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

應用案例2： 模擬高溫、高流速應用中，用作催化劑載體的開孔泡沫的流動軌跡。中間的圓柱體表示用于空間剖面測量的采樣毛細管。

反應器建模

　　對壁加熱催化固定床反應器內，基于顆粒解析的CFD模擬速度場和溫度場。催化劑顆粒形狀為空心圓柱體。

詳情請參閱：

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

發表文章

已發表文章（按應用分類）

•  原位即時空間分辨光譜（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

•  傳熱研究

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.

•  銠/鉑催化甲烷部分氧化制合成氣

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.

•  鎳上甲烷的干法重整

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.; Schl?gl, R.; Behrens, M.; Horn, R. AIChE Journal, Volume 62, Year 2016, Pages 4436-4452.

•  氧化鉬上乙烷氧化脫氫制乙烯

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.

•  甲烷選擇性氧化

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.; Schl?gl, R.; Horn, R. Combustion and Flame, Volume 161, Year 2014, Pages 1688-1700.

•  鉑網上甲烷催化燃燒

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

•  泡沫鉑催化劑上的一氧化碳氧化

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.

•  焦磷酸釩催化氧化正丁烷制馬來酸酐

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.

•  鉑網催化劑上的氨氧化（Ostwald工藝）

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.

•  鈦硅沸石上丙烯環氧化生成環氧丙烷（HPPO 工藝）

Work in progress. Coming soon...

•  單顆粒分析

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

用戶單位

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獲得獎項