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原文传递一种用于催化反应过程实时在线分析的装置及方法

专利名称：	一种用于催化反应过程实时在线分析的装置及方法
摘要：	本发明涉及过程实时在线分析装置及方法，具体地说是基于高灵敏光电离飞行时间质谱技术实现催化反应过程实时、在线分析。包括催化反应装置、光电离源以及飞行时间质谱仪，催化反应装置产生的待测组分通过金属毛细管进入光电离源区域进行电离；金属毛细管进样口可调节设置于催化剂下端或者不同床层处，以观测不同位置催化产物分布情况；光电离源中放电气体可以根据待测组分实际分析需求进行选择与更换，放电管设置为敞口结构以提高连续监测过程中的稳定性，腔体内部设置有离子推斥电极、离子聚焦电极，将离子传输至飞行时间质谱实现最终检测。本发明所利用的仪器与方法具备高灵敏度、高稳定性、高时间分辨等显著优点，满足反应过程实时、在线分析需求，针对甲醇制烯烃、合成氨、甲烷催化等诸多领域，在基础研究、工业应用等不同过程分析场合均有广阔的应用前景。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	辽宁;21
申请人：	中国科学院大连化学物理研究所
发明人：	李海洋;李庆运;花磊;李函蔚;吴称心
专利状态：	有效
申请日期：	2017-12-06T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201711272725.6
公开号：	CN109884168A
代理机构：	沈阳科苑专利商标代理有限公司
代理人：	马驰
分类号：	G01N27/68(2006.01);G;G01;G01N;G01N27
申请人地址：	116023 辽宁省大连市中山路457号
主权项：	1.一种用于催化反应过程实时在线分析的装置，包括催化反应装置(1)、光电离源(5)、电离腔体(11)以及质谱仪(14)，其特征在于：所述催化反应装置(1)为催化反应发生区域，为一上端带有反应物进口的中空腔室，催化反应装置(1)内部设置催化剂固定筛板(3)，催化剂固定筛板(3)上方装填有催化剂(2)；于催化反应装置(1)下端设置有进样毛细管(4)，进样毛细管(4)一端伸入至催化反应装置(1)内部，另一端伸入至电离腔体(11)内部，催化反应所产生的待测组分通过进样毛细管(4)进入电离腔体(11)；所述光电离源(5)为射频放电光源，包括上端密闭下端开口的放电管(9)，于放电管(9)下部侧壁面上设有放电气体进口，放电气体进口与气体通道(8)一端相连，放电气体(6)经由气体通道(8)进入放电管(9)，于放电管(9)外壁上缠绕有高频线圈(10)，放电管(9)的下开口端与电离腔体(11)密闭连接，于高频线圈(10)上施加高频电压，放电气体(6)在高频电压作用下放电，对进入电离腔体(11)的待测组分实现电离；所述电离腔体(11)为一密闭腔室，从上至下依次设置有中部带通孔的板状离子推斥电极(12)与由2个以上中部带同轴通孔的、平行放置的板状电极构成的离子聚焦电极组(13)，离子推斥电极(12)与构成离子聚焦电极组(13)的板状电极平行，离子推斥电极(12)与离子聚焦电极组(13)的中部通孔沿着放电管(9)出射光方向同轴设置；远离离子推斥电极(12)的离子聚焦电极组(13)一端电离腔体(11)侧壁上开设有通孔，通孔外部设有质谱仪(15)。 2.根据权利要求1所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述进样毛细管(4)进样端口位置可以调节，可设置于催化剂固定筛板(3)下方，也可以固定在催化剂(2)所在的任意催化剂床层位置处，消除常规进样方式中死体积的干扰，同时满足某一催化反应中对不同催化剂床层产物的检测分析需求；所述进样毛细管(4)为不锈钢毛细管，内径设置为100～300μm，长度设置为10～200cm，必要时可进行加热处理防止待测组分吸附于内壁。 3.根据权利要求1所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述光电离源(5)的放电气体(6)为氩气、氦气、氪气、氮气等气体中的一种或者不少于两种气体按一定比例的混合气，不同放电气体(6)所产生的光子能量不同(其中氩气为11.6/11.8eV，氪气为10.0/10.6eV，氦气为21.2eV，氮气为10.3eV)，不同光子能量的放电气体适用于不同的催化反应，针对相同催化反应采用不同的放电气体所得到的质谱图差异明显，因此可根据不同的催化反应分析需求，自行选择不同放电气体(6)。 4.根据权利要求1所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述放电管(9)设置为普通玻璃或者石英玻璃材质，靠近离子推斥电极(12)一端采用敞口设计，相比于常规质谱分析中所采用的MgF2光窗结构光电离源，连续工作稳定性能更为突出，适合于催化反应长时间连续在线监测；所述放电管(9)内径设置为1～5mm，长度设置为5～20cm；所述放电管(9)出射光端口与离子推斥电极(12)之间的距离对所得质谱图的碎片化程度具有较大的影响，设置为1～20mm。 5.根据权利要求1所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述光电离源(5)的放电气体(6)经由气体通道(8)进入放电管(9)，其流速通过质量流量计(7)进行控制，不同放电气体流速对电离效果影响显著，设置为10～150ml/min；所述气体通道(8)为不锈钢或者聚四氟乙烯管路，内径1～6mm。 6.根据权利要求1所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述电离腔体(11)为一上、下、左三侧开有四个不同直径通孔的封闭腔体。上侧通孔与放电管(9)密闭相连，左侧通孔与进样毛细管(4)密闭相连，下侧一个通孔与质谱仪(14)密闭相连，下侧另一个通孔通过抽气管路(17)与涡轮分子泵(16)密闭相连，电离腔体(11)内部真空气压通过控制阀(15)调节；所述离子推斥电极(12)内径设置为2～8mm，大于放电管(9)所设置内径，以实现对于出射光的充分利用；所述离子聚焦电极组(13)包括不少于3块电极，设置为平板状电极，各电极厚度设置为2～6mm，内径设置为6～28mm，其中内径设置应该大于离子推斥电极(12)所设置内径。 7.根据权利要求1或6所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述离子推斥电极(12)与离子聚焦电极组(13)之间、以及构成离子聚焦电极组(13)的板状电极之间分别由聚四氟乙烯材料的绝缘垫进行绝缘，绝缘垫厚度设置为1～5mm，其中厚度设置应该小于构成离子聚焦电极组(13)各板状电极的厚度。 8.根据权利要求1所述的用于催化反应过程实时在线分析的装置，其特征在于：所述质谱仪(14)为飞行时间质谱仪，具备超高灵敏度，时间分辨小于1s，满足快速跟踪催化反应动态变化的研究需求。 9.一种权利要求1-8任一所述装置用于催化反应过程实时在线分析的方法，其特征在于：于催化反应装置(1)设置反应所需催化剂(2)，设定特定催化反应所需的反应温度、反应气压等一系列条件，通入反应物；反应物在催化剂(2)的作用下发生剧烈催化反应产生一系列目标产物及相应的副产物等待测组分；待测组分通过进样毛细管(4)进入质谱仪(14)的电离腔体(11)，在光电离源(5)的作用下实现待测组分的高效电离，并在离子推斥电极(12)与离子聚焦电极组(13)的作用下使离子进入质谱仪(14)实现最终检测与分析。 10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述催化反应装置(1)可进行甲醇制烯烃催化反应、合成氨催化反应或甲烷催化等一系列催化反应的检测。
所属类别：	发明专利