在多相催化中，傳統技術無法對反應器內不同空間位置的濃度分布、溫度梯度及流場特性進行實時解析，對于“黑匣子”式固定床反應器內部的物質狀態監測長期面臨挑戰。

近期，德國REACNOSTICS公司研究推出的多功能原位空間分辨固定床原位反應器CPR，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。該技術突破了傳統反應器 “只能測進出口參數，無法解析內部動態狀態” 的局限，使得催化反應各項性能指標“透明”化，為催化機理研究提供了革命性工具。

圖1空間分辨原位反應器-緊湊型反應器 CPR（多種用途、小巧緊湊的設計、帶光學接口）

圖2 左：傳統反應器“黑匣子”；右：REACNOSTICS原位空間分辨反應器

案例進展：丙烯環氧化反應的深度解析

德國漢堡工業大學的科研人員利用多功能原位空間分辨固定床原位反應器CPR對鈦硅分子篩（TS-1）催化的丙烯環氧化反應進行了深入研究，實現了一系列重要的測試表征。在反應動力學測量方面，改變液體時空速度，在 3.0、6.0 和 12.0(h^-1) 等不同接觸時間下，通過 CPR 內置的軸向采樣毛細管，實時監測反應器不同位置的組分濃度變化（圖3）。通過記錄不同位置處反應物和產物的濃度變化，計算出丙烯轉化率、環氧丙烷選擇性和反應微分速率等關鍵參數。從圖 3a - c（CPR - 1，\(LHSV = 3.0h^-1）可以看到，隨著反應的進行，丙烯逐漸轉化為環氧丙烷，同時還有一些副產物生成，這些數據為研究反應進程提供了有力支持。

圖3 主要的環氧化反應，副產物的形成，選擇性(S)和轉化率(X)空間分辨譜： (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 持續監測催化劑床出口處的產物分布。通過觀察產物濃度隨時間的變化，判斷反應是否達到穩態。當產物分布保持恒定且碳平衡閉合低于 10% 時，認定反應達到穩態。這一過程有助于確保實驗數據的穩定性和可靠性，為后續分析提供有效數據。

圖4 穩態過渡：Pr轉化率(X)， PO選擇性(S)，碳平衡閉合和產物分布。CPR-1（上行）、CPR-2（中行）和CPR-3（下行）。

值得注意的是，該技術還適用于對高壓和高溫有要求的多種反應體系，可以搭配聯用各種氣/液相/質譜、紅外拉曼光譜和X射線衍射、X射線吸收光譜、拉曼光譜、SAXS等表征方法，從而多角度促進對催化反應體系的優化。

其他案例：

應用案例1：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.  

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。

應用案例3：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.

參考文獻：

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