一、核心組成與功能

1. 供氣系統

• 氣體來源：CO?氣源（純度≥99.9%）、H?氣源（純度≥99.99%），可能需配備惰性氣體（如 N?）用于吹掃和置換。

• 氣體處理：

• 干燥凈化：通過分子篩、脫硫劑等去除氣體中的水分、硫化物等雜質，避免催化劑中毒。

• 流量控制：采用質量流量計（MFC）或轉子流量計精確控制 CO?和 H?的流量比例（如 H?/CO?摩爾比常為 3:1 或更高）。

• 混合裝置：氣體預混合罐或靜態混合器，確保反應氣均勻混合。

2. 反應系統

• 反應器類型：

• 固定床反應器：裝填顆粒狀或片狀催化劑，適用于氣固相催化反應，結構簡單且易放大。

• 流化床反應器：催化劑呈流化狀態，傳熱傳質效率高，適合強放熱反應。

• 微通道反應器：用于實驗室小規模研究，可精確控制反應參數，適合高通量篩選催化劑。

• 材質與耐壓：反應器主體通常采用不銹鋼（如 316L）或哈氏合金，耐壓范圍一般為1-10 MPa（視反應需求而定，如合成甲醇需 5-10 MPa）。

• 溫控系統：

• 加熱方式：電加熱套、管式爐或導熱油循環加熱，控溫精度 ±1℃，溫度范圍常為150-400℃（不同反應路徑溫度不同，如生成 CH?約 300-400℃，生成甲醇約 200-300℃）。

• 測溫元件：熱電偶（K 型或 S 型）插入反應器不同位置，監測軸向溫度分布。

3. 催化系統

• 催化劑類型：

• 傳統催化劑：如 Cu/ZnO/Al?O?（用于甲醇合成）、Fe 基或 Co 基催化劑（用于費托合成生成烴類）。

• 新型催化劑：如負載型貴金屬（Pt、Pd）、金屬有機框架（MOFs）、氧化物復合催化劑等，側重提高 CO?活化效率和目標產物選擇性。

• 催化劑裝填：固定床反應器中催化劑顆粒度通常為 20-40 目，底部鋪石英砂或陶瓷球支撐，避免床層堵塞。

4. 產物分離與分析系統

• 氣液分離：反應后混合氣經冷凝器（如冰水浴）冷卻，分離出液態產物（如甲醇、甲酸），氣相產物（如 CH?、CO、未反應的 CO?/H?）進入后續分析。

• 在線檢測：

• 氣相色譜（GC）：配備 TCD（熱導檢測器）檢測 CO、CO?、H?等，FID（氫火焰檢測器）檢測烴類，FPD（火焰光度檢測器）檢測硫含量。

• 質譜（MS）：用于快速定性分析痕量產物。

• 離線分析：液態產物可用液相色譜（HPLC）或核磁共振（NMR）進一步表征。

5. 控制系統與安全裝置

• 參數控制：通過 PLC 或計算機程序實時監控并調節溫度、壓力、流量，支持自動 PID 控溫。

• 安全保護：

• 背壓閥：維持反應器內壓力穩定，防止倒吸。

• 安全閥：設定壓力上限（如 120% 工作壓力），超壓時自動泄壓。

• 防爆裝置：在可能產生爆炸性氣體的區域設置防爆膜或防爆閥。

二、典型反應路徑與裝置配置

1. CO?加氫制甲醇

• 反應方程式：\(\text{CO}_2 + 3\text{H}_2 \xrightarrow[\text{催化劑}]{\text{200-300℃, 5-10 MPa}} \text{CH}_3\text{OH} + \text{H}_2\text{O}\)

• 裝置特點：需高 H?/CO?比例（3:1），反應器出口設冷凝柱分離甲醇，未反應氣體可循環利用以提高轉化率。

2. CO?甲烷化（Sabatier 反應）

• 反應方程式：\(\text{CO}_2 + 4\text{H}_2 \xrightarrow[\text{Ni/Co催化劑}]{\text{300-400℃, 1-5 MPa}} \text{CH}_4 + 2\text{H}_2\text{O}\)

• 裝置特點：強放熱反應，需高效控溫系統（如流化床或帶冷卻夾套的固定床），產物 CH?可通過 GC-FID 檢測。

3. CO?加氫制烯烴（逆水煤氣變換 + 費托合成）

• 反應路徑：\(\text{CO}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}\)（逆水煤氣變換，RWGS）\(n\text{CO} + 2n\text{H}_2 \rightarrow \text{C}_n\text{H}_{2n+2} + n\text{H}_2\text{O}\)（費托合成）

• 裝置特點：雙功能催化劑（如 Fe-ZnO-ZrO?）或串聯反應器，需分離 CO?和 H?反應生成的 CO，再經費托合成生成烯烴。

三、關鍵操作要點

1. 催化劑預處理

• 還原處理：如 Cu 基催化劑需在 H?氣氛中（200-250℃）還原活化，去除表面氧化物。

• 鈍化處理：空氣敏感型催化劑（如 Fe 基）反應結束后需用 N?或 CO?緩慢吹掃降溫，防止自燃。

2. 氣密性與檢漏

• 實驗前用 N?進行氣密性測試（如保壓 30 分鐘，壓力下降＜5%），重點檢查閥門、接口和密封件。

3. 反應參數優化

• 空速（GHSV）：氣體 hourly space velocity，控制反應物在催化劑床層的停留時間，通常為 1000-5000 mL/(g?h)。

• 壓力影響：高壓有利于提高 CO?溶解度和反應速率（如甲醇合成需 5-10 MPa），但需平衡設備耐壓成本。

• 溫度窗口：避免超溫導致催化劑燒結，如 Cu/ZnO 催化劑長期使用溫度不宜超過 300℃。

4. 環保與安全

• 尾氣處理：未反應的 H?和 CO?需經燃燒裝置（如氫焰燃燒器）處理或回收，避免直接排放。

• 緊急停機：如遇傳感器故障、壓力驟升或催化劑床層 “飛溫”（溫度失控），立即切斷氣源并啟動冷卻系統。

四、應用場景與發展趨勢

1. 應用領域

• 實驗室研究：開發新型催化劑，優化反應條件，探索 CO?資源化利用路徑。

• 工業示范：如煤制合成氣耦合 CO?加氫制甲醇、生物質合成氣制烴類等低碳技術。

• 碳中和技術：與可再生能源（如風電、光伏）制氫結合，構建 “綠氫 + CO?” 合成燃料閉環。

2. 技術挑戰

• 催化劑選擇性：抑制副反應（如 CO 生成），提高目標產物收率（如甲醇選擇性＞90%）。

• 能耗與成本：高壓、高溫條件下的能耗控制，以及催化劑壽命和再生技術。

3. 發展方向

• 新型反應器：微結構化反應器、光 / 電催化耦合反應器，實現溫和條件下的高效轉化。

• 智能化控制：引入機器學習優化反應參數，開發在線實時監測與反饋系統。