[发明专利]一种用于催化反应过程实时在线分析的装置及方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及一种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。所发明分析方法具备高灵敏度、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。

背景技术

随着工业进程的不断推进，化工催化作为国民经济的重要支撑大力发展，包括石油、冶金、催化、制药、钢铁等诸多行业。这些催化过程往往反应体系复杂、产物组分繁多、浓度及组分变化快速，当前较为成熟的GC、GC-MS、红外、单一的气体检测单元等技术往往分析速度慢、准确度差，难以满足反应过程中实时、多点、多组分、快速在线分析的应用需求。因此，具有全谱检测、高灵敏度、快速分析能力、准确定性定量等优势的在线质谱仪在过程分析领域受到越来越大的重视。在传统分析手段中，质谱具有无需样品预分离、快速、准确、高灵敏、在线等优越性能，非常适合于反应过程的监控与产物成分的实时检测，即使对反应较为激烈的化工过程同样能够提供准确的监测数据，反映过程实时的动态变化，而直接决定检测效果的一大关键因素取决于质谱的电离源，电离源在很大程度上决定了仪器的检测灵敏度及谱图的复杂程度等诸多关键问题。

本发明基于射频放电光电离源，采用单光子电离(SPI)阈值软电离技术，谱图以分子离子为主，易于简析与分析。此外，放电管采用敞口设计，一方面提高了光子的发射效率，有效提升检测灵敏度；另一方面避免了传统光电离源因MgF₂光窗污染所造成的灵敏度衰减问题，有效改善仪器长期连续监测的稳定性。此外，该光电离源的放电气体可根据实验过程目标产物、放电气体光子能量等条件综合自行选择，包括氩气(11.6/11.8eV)、氪气(10.0/10.6eV)、氦气(21.2eV)、氮气(10.3eV)等气体或者不少于两种按一定比例的混合气体，在保证谱图简单的同时，有效拓宽了仪器的应用领域与待测物分析范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种更精确、高效的过程分析装置及方法，用于甲醇制烯烃、合成氨、甲烷催化等一系列反应过程实时、在线分析，进一步探究不同催化条件下的产物分布、变化趋势、产生次序等机理问题。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

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、光电离源、电离腔体以及质谱仪，其特征在于：

催化反应装置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，催化反应装置内部设置催化剂固定筛板，催化剂固定筛板上方装填有催化剂；

催化反应装置下端设置有进样毛细管，进样毛细管一端伸入至催化反应装置内部，另一端伸入至电离腔体内部，催化反应所产生的待测组分通过进样毛细管进入电离腔体；

光电离源为射频放电光源，包括上端密闭下端开口的放电管，放电管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一端相连，放电气体经由气体通道进入放电管，于放电管外壁上缠绕有高频线圈，放电管的下开口端与电离腔体密闭连接，高频线圈上施加高频电压，放电气体在高频电压作用下放电，对进入电离腔体的待测组分实现电离；