Американские исследователи использовали ЯМР для построения температурных карт реакций, протекающих внутри каталитических реакторов. Такой метод открывает дверь для удобного неинвазивного способа обнаружения горячих и холодных участков внутри реактора.

При поиске оптимального решения при проектировании реакторов инженеры-химики используют сенсорные датчики, как например термопары, для определения температуры реакции. Но для большинства обычных каталитических реакций, протекающих между твердым и газообразным веществами, введение сенсора внутрь реактора может влиять на потоки газообразных веществ, поэтому значение измеренных параметров в лучшем случае будет представлять приблизительную величину.

Руководитель исследования, Луис Бушар (Louis Bouchard) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, отмечает, что

при внедрении маленького датчика в очень большой реактор не возникает сложностей, поскольку такой реактор даже не оказывает влияния на поток. Однако когда дело касается микрореакторов, как например, тех, которые используются в процессах «зеленой химии», возможное влияние датчика на газовый поток уже нельзя оставлять без внимания.

Для определения температуры реактора с помощью метода ядерного магнитного резонанса исследовательская группа под руководством Бушара использовала градиент магнитного поля по всему объему реактору. Используя переменное поле, исследователи смогли построить трехмерную температурную карту всего устройства, что стало возможны, так как разные стороны реактора испытывали различную силу поля. Ученые использовали ЯМР для точечного измерения температуры в незначительных объемах реактора.

При повышенных температурах молекулы газа двигались быстрее. Величина градиента магнитного поля в их локациях была средней, в то время как при низких температурах на молекулы газа воздействовала целая система сил из-за статического движения. Построение графика по среднему значению движения позволило группе исследователей достоверно определить температуру в различных точках по всему объему реактора.

Бушар использовал разработанную в его группе для создания температурных карт с миллиметровым масштабом для реактора гидрирования пропилена. Исследователи также продемонстрировали свою методику на еще меньшем размере – десятках микрометров – используя парамагнитный водород в качестве маркера, увеличивающего силу сигнала.

Бушар говорит, что с помощью разработанной его исследовательской группой методикой можно исследовать температуру и убедиться в оптимальной развертке градиента температуры по всему объему реактора. Бушар подчеркивает, что

без информации такого рода в реакции могут существовать горячие места и холодные места, несмотря на то, что в идеале хотелось бы, чтобы температура была однородной по всему объему реактора во всем реакторе.

Кай Ярош (Kai Jarosch), специалист по каталитическим реакциям, говорит, что проведение температурных измерений в неподвижном слое реактора всегда является балансом между наблюдением за состоянием процесса и вмешательством в протекание процесса. Особенно правильное сочетание важно в таких направлениях практического применения как микроканальные и миниканальные реакторы, где физические размеры используемого катализатора, канала реакции и измерительного прибора являются величинами одного и того же порядка.

Методика Бушара обещает открыть новое направление для тестирования модели, заодно давая возможность непосредственно взглянуть на поведение маленьких фильтров.

Джеффри Реймер (Jeffrey Reimer), инженер-химик из Калифорнийского университета в Беркли, США, добавляет, что

микрокаталитические реакторы являются новым очень интересным инструментом для эффективных синтезов многих химических продуктов. Реймер считает, что этот неинвазивный метод сможет дать возможность по-новому взглянуть в эти новые реакторы.

На сегодняшний день исследовательская группа под руководством Бушара надеется применить свою методику на других системах, как например многостадийные реакции. Кроме того, исследователи надеются использовать методику для параллельной сортировки целого ряда различных катализаторов.