速热式多场固定床反应装置

传统的催化反应装置往往局限于单一或两种能量场的叠加，尤其在多场耦合条件下，因不同能量形式的特性不同，在催化反应界面处，往往在设计上是机械式低效叠加，顾此失彼。一方面，不同的能量源到达反应位的功率比例严重失调，尤其是在发挥作用的光辐照的能量（有效波长的能量），往往远低于所需匹配热能功率；另一方面，无法精细探究各能量场间的协同机理，泊菲莱速热式多场固定床反应装置则打破了这一局面，速热式多场固定床反应装置以构建场能强化及多场灵活耦合为目标(光、热、微波)，从电子态调控、反应动力学优化、物质传输强化等多维多改变催化反应路径，实现”1+1>2“的增强效应，该装置在固定床反应体系中首次采用了可以灵活更换的LED光源，而非传统方案中几乎采用的氙灯光源，使得光波长这个关键参量可以在光热固定床反应中被解耦，活化气体底物更具有可选择性、更加精准。。

独立操控：光场、热场、微波场均可独立开启、关闭与精确调控。

灵活组合：研究者可根据实验需求，自由组合“光-热”、“微波-热”、“光-微波”乃至“光-热-微波”三种能量场，实现从双场协同到三场联动的无缝切换。

能效革新

● 光能利用效率：提升约60 %以上(相比顶照式导光柱结构)

顶照式光热反应器光利用效率为约50 %左右

该反应器光利用效率为约80 %左右

综合效率提升约60 %以上

● 电热利用效率：提升约3倍以上(相比传统管式炉装置)

管式加热炉在500 ℃空载维持功率约为130 ~ 150W左右

该反应器在500 ℃空载维持功率测试约为40 W左右

综合电能利用可提升约3倍以上

● 实验时间效率：提升数倍以上(相比传统固定床装置)

传统固定床因加热平衡及降温较慢，温度调节或催化剂筛选耗时，尤其是降温过程一般需要隔天操作

该反应器升降温均比较快，热平衡约在15 min，一天最多可以做8个以上样品

综合时效可提升约数倍以上

实现了单波长高能量光密度光-热耦合催化反应;

实现微波场与催化剂的耦合策略(如异质结催化剂设计)，开发了集光-热-微波的多场耦合式集成反应器;

开发了针对工业废气、化工尾气的难降解问题的解决方案。

创新突破

1、专利反应器设计，光效与热效的完美统一

速热式多场固定床反应装置采用独特的透明耐压石英管反应器，三排呈120°分布的高功率LED光源从圆柱面外侧、通过光学透镜整形为矩形光斑，均匀辐照至催化剂载体表面。

创新性的”三面辐照缝合”技术，如同为催化剂表面“穿”上一件无缝的光能外衣，解决了传统炉体开孔式光反应器光照不均、能量损失大（尤其是大量催化剂不能得到充分光照）的痛点，光能利用率与辐照均匀性实现数量级提升。

实测证明：在仅开启合计数百瓦电功率的LED光源，且不开启电加热情况下，单凭LED光能即可将催化剂表面快速升温至500摄氏度，实现了“光热效应”的即启即用。而光能适当冗余，恰恰是光热催化中的能量结构匹配的重要条件需求。

2、内嵌式焦耳热，实现超快速程序升温

• 反应器核心内部集成多孔导电载体（如碳化硅、钛合金），将高效的焦耳热概念引入固定床。

•相比传统的马弗炉外加热方式，该设计实现了由内而外的直接、均匀加热，温升速率远超传统装置，能在分钟级达到目标反应温度，极大提升了实验效率并减少了升温过程热背景效应的干扰。

3、真空隔热与微波屏蔽，确保低功耗、能量场纯净与高效

• 在耐压石英管外部，设计有高真空夹套腔体和红外反射器。它一方面有效阻止了内部反应管的热传导耗散，提升了热效率；另一方面，真空腔为光场的穿透提供了绝佳通道，反射器的设计亦不影响光能传输。

•反应器下端精准布置4个针状微波馈源，确保微波能量高效、均匀地注入反应体系。真空套管外部覆盖的微波屏蔽网，严格约束了微波场，防止能量泄漏，保障了实验人员安全与场域的独立性。

清华大学化工系应用现场

特色优势

●特色1 多能量场耦合

速热式多场固定床反应装置集成多功能反应炉、三联环照式LED光源及固态微波模块三大核心部件，可精准构建电阻热场、光场与微波场，支持单一场作用及多场协同催化研究。其中，电阻热场依托内置加热器件设计，使催化剂与加热部件紧密接触，大幅减少热传导损耗，提升热利用效率；三联环照式LED光源能对反应炉内催化剂实现高密度精准辐照，波长可选配365 nm、380 nm、405 nm、420 nm、760 nm等，可灵活匹配不同催化剂的带隙需求；固态微波模块可提供约250 W微波输出，并实时显示入射功率与反射功率，便于精准监控微波能量利用效率，保障反应稳定性。基于上述配置，装置可灵活开展光-热、光-微波、光-热-微波等多场耦合催化实验。

●特色2 速热式特性

装置在不同能量场作用下展现出显著的快速升温性能：电阻加热温升速率可达约100 ℃/ min，微波加热约40 ~ 50 ℃/ min，光源加热约20 ℃/ min，能根据客户具体反应需求灵活选择，精准匹配快速升温场景。同时，装置热平衡建立迅速，仅需约15 min，较传统装置加热平衡效率提升3倍以上；且支持加热-冷却快速切换，大幅缩短整体实验周期。

●特色3 简化操作，提升效率

速热式多场固定床反应装置搭配下位机显示与操作功能，为用户提供便捷的智能化操作体验。用户可通过下位机便捷且精准地调控光源功率、微波输出比例，装置操作流程安全可控，同时具备极强的场景适配性，可灵活应对不同研究与生产场景。

●特色4 快速响应

①热平衡快(约15 min)，相比传统加热平衡耗时约提升约3倍以上;②反应区空余体积小，几乎无死体积，气体置换高效，反应响应时间小(数秒级)，相比传统管式反应器提升明显

●特色5 高效节能

光源：环照式结构设计，使光源紧贴反应器，光程损失小，反应器内置反射层，提升反射光的二次利用

电阻热：①内置加热器件，催化剂紧贴加热器件，有效降低热传导损失;②真空隔热层设计，通过真空环境降低空气导热系数(导热系数低于常压下1/100);③反应器内置反射层，具有热红外反射二次利用;相比传统反应炉，维持能耗节约3倍以上

●特色6 光能利用

①LED光源单波长光，实现了光源精准调控，匹配催化剂带隙，避免多波长干扰，提升量子效率

②辐照面积大幅度提升，单色波长光功率密度较高，催化剂表面最大可实现越约32个太阳以上，其中有效受光面积3.14 cm²(床层高度10 mm) ~ 15.7 cm²(床层高度50 mm)，最大受光面积约为31.4 cm²，如HL100-365光源光功率密度>3.2 W/ cm²(无网孔屏蔽层测试下)

应用领域

热-光-微波多场耦合

热-光耦合

电阻热场

热-微波耦合

光能量场

光-微波耦合

微波能量场

技术参数