一种高温微型填充床反应器振荡天平及测量方法

摘要

本发明涉及一种高温微型填充床反应器振荡天平及测量方法，所述天平包括振荡管、气体加热系统、流体脉动驱动装置、振动传感器以及数据处理中心，振荡管与振动传感器之间以内抽真空的高透光率透明陶瓷隔离。测量时，样品气以及吹扫气同时受到加热，而样品气在流体脉动驱动装置的作用下产生脉动流，激励振荡管振荡，其振动频率由振动传感器接收信号，然后对数据进行采集、分析，反馈给流体脉动驱动装置以调节其工作电压及频率，对得到的频率进行保存，由分析程序计算出质量变化，并对计算结果进行保存及显示。本发明具有结构简单、体积小成本低、工作温度高(高达1100℃)、安装调试方便、使用寿命长等特点。

权利要求

1.一种高温微型填充床反应器振荡天平，其特征在于，包括振荡管（1）、气体加热系统（9）、流体脉动驱动装置（11）、振动传感器（2）以及数据处理中心，所述振荡管（1）与振动传感器（2）之间以内抽真空的高透光率透明陶瓷（16）隔离。

2.如权利要求1所述的天平，其特征在于，所述的振荡管（1）自由端为样品填充床（15）；另一端固定于气体管路上，并设有活动扳手（14）。

3.如权利要求1或2所述的天平，其特征在于，所述的振荡管（1）采用高温恒弹性铌基合金材料制成；内涂硅基材料薄膜或镀金薄膜。

4.如权利要求1或2所述的天平，其特征在于，所述的流体脉动驱动装置（11）为压电陶瓷线性电机及电位计，带动活塞（10）运动以引起管内样品气成为有规律的脉动流体。

5.如权利要求1或2所述的天平，其特征在于，所述的振动传感器（2）为全光纤反射式振动测量传感器。

6.如权利要求5所述的天平，其特征在于，所述的振动传感器（2）与数据处理中心之间设有信号调理装置（4）。

7.如权利要求1或2所述的天平，其特征在于，所述的数据处理中心包括数据采集（5）、数据分析（6）、数据反馈（8）及数据保存与显示（7）四个部分。

8.一种高温微型填充床反应器振荡天平测量方法，其特征在于，将样品装在样品填充床（15）内，样品气（13）以及吹扫气（12）同时受到加热，而样品气在流体脉动驱动装置（11）的作用下产生脉动流，激励振荡管（1）振荡，其振动频率由全光纤反射式振动测量传感器（2）接收信号，然后对数据进行采集、分析，反馈给流体脉动驱动装置(11)以调节其工作电压及频率，对得到的频率进行保存，由分析程序计算出质量变化，并对计算结果进行保存及显示。

9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述的振动测量传感器（2）接收信号后经调理再进行收集分析。

10.如权利要求8或9所述的测量方法，其特征在于，所述的数据采集（5）是通过高性能数据采集卡实现的。

说明书

一种高温微型填充床反应器振荡天平及测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及能源、冶金、材料等多个领域，具体地说，涉及一种高温微型填充床反应器振荡天平及测量方法。

背景技术

[0002] 能源、环境、化工、冶金、材料等领域涉及到大量有关扩散、吸附以及反应动力学方面的研究，在此过程中要求能准确地测量物质的质量变化及其变化速率。通常采用热重法来研究其变化过程。

[0003] 热重分析仪(Thermo Gravimetric Analyzer)，简称为TGA，是一种利用热重法检测物质温度与质量变化关系的仪器。热重分析仪主要由天平、炉子、程序控温系统、记录系统等几个部分构成。热重分析仪(TGA)的基本原理：在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化。这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质。然而它受到升温速度缓慢、气体扩散影响严重、高温下质量分辨率大幅下降、流量大于100ml/min产生噪声、存在死体积、响应时间长(10～30s)等缺陷的限制。

[0004] 以煤工业为例。当前世界各国对于洁净煤技术的开发和应用十分重视，进行了大量的研究工作。由于煤是一种含有多种组份且结构复杂的物质，不同来源的煤在诸如热解、气化和燃烧过程中所表现出来的反应特性有着显著差异。因而深入认识煤的化学反应过程，开展相关的反应动力学研究是非常必要的。目前通过理论分析和数值计算还无法满足工业反应过程开发、反应器设计和性能预报的要求，认识反应过程仍然主要依赖于实验方法。由于工业反应器内部存在明显的流动不均匀性以及温度浓度分布差异等不利因素，给研究过程造成了很大的困难，而准确估计和消除这些因素的影响又往往不易做到，因而研究者进行煤反应动力学的实验通常在特别研制的实验室装置上进行。

[0005] 除了使用热天平外，还有丝网反应器和滴管炉两种方法可以测量。丝网反应器(Wire-Mesh Reactor，WMR)主要应用于高升温速率下的反应动力学研究，但是它与工业反应器实际情况相比存在较大差距，并且受网孔尺寸限制所选颗粒粒径要求较大，通常为106～150μm。滴管炉(Drop Tube Furnace，DTF)是被国内外研究者广泛应用于煤的热解、气化和燃烧过程的实验研究，是公认的进行煤反应动力学研究的重要实验室装置，它是依靠气流夹带固体反应物进入反应器来研究煤粉的燃烧特性，但是其反应温度与升温速率难以精确控制以及煤粒受气体夹带而缺乏可靠的方法准确测量其表面温度和运动速率。

[0006] 为克服热重分析方法的弊端，市场上已出现一种技术能满足实时而又不受气体扩散限制影响的质量测量仪器——美国Rupprecht&Patashnick公司的TEOM 1500(Tapered Element Oscillating Microbalance series 1500)脉动质量分析仪，其特点是惯性天平与反应床层直接连接为整体结构，强迫反应气流全部通过反应床层，使反应最大程度接近无温度、浓度梯度的理想微反应状态，直接获得真实可靠的动力学数据。它具有高温下高质量分辨率、不受扩散影响限制、因流体脉动死体积小、气体流量大、加压下仪器结构简单等优点。但是该仪器振荡管材料采用的是石英及300系列不锈钢，石英因受失透性的影响而不能在1100℃与室温间长期热循环，而300系列不锈钢材料为非高温恒弹性材料，因此该仪器的工作温度还不够高(＜800℃)，与常规热重天平的工作温度范围(0～1100℃)相比还存在一定的差距，从而限制了它的应用范围。

发明内容

[0007] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种能在温度高达1100℃下工作的高温微型填充床反应器振荡天平，通过对振荡管、高温隔热技术以及固有频率测量系统的再设计，解决已有技术中存在的问题。该发明不仅能保留TEOM1500脉动质量分析仪的优点，而且能实现将应用范围拓展到热天平的应用范围领域，彻底解决了现有热重天平受气体扩散影响的严重缺陷以及TEOM1500工作温度不够高的缺点。本发明适用于现有热天平的几乎所有应用领域。

[0008] 为了实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

[0009] 一种高温微型填充床反应器振荡天平，包括振荡管、气体加热系统、流体脉动驱动装置、振动传感器以及数据处理中心，所述振荡管与振动传感器之间以内抽真空的高透光率透明陶瓷隔离。高透光率透明隔热陶瓷采用真空隔热技术使振动传感器耐高温探头(最高使用温度750℃)能满足振荡管的最高工作温度(1100℃)的工作状态。

[0010] 本发明所述的振荡管自由端为样品填充床，另一端固定于气体管路上，并设有活动扳手。自由端设计为椭圆形，确保在流体脉动激振下保持良好的振动方向性。活动扳手的作用在于微调节振荡管的位置。

[0011] 本发明所述的振荡管采用高温恒弹性铌基合金材料制成，使振荡管在温度高达1100℃仍然保持其良好的弹性性能。内涂硅基材料薄膜(如Si-20％Fe-20％Cr)或镀金(Au)薄膜，能够实现振荡天平能在含硫、氮、氯等腐蚀性气氛中的应用，拓宽了其应用范围。

[0012] 本发明所述的流体脉动驱动装置为压电陶瓷线性电机及电位计，带动活塞运动以引起管内样品气成为有规律的脉动流体。电位计通过可调电阻改变电压，在测量过程中调节驱动装置的工作电压及频率。

[0013] 本发明所述的振动传感器为全光纤反射式振动测量传感器。

[0014] 本发明所述的振动传感器与数据处理中心之间设有信号调理装置。干涉系统得到的电信号较弱，信号调理装置将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。它是利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等...)来改变输入的讯号类型并输出之。

[0015] 本发明所述的数据处理中心包括数据采集、数据分析、数据反馈及数据保存与显示等四个部分。

[0016] 本发明还提供了一种方便的反射式全光纤传感测振与流体脉动激振技术相结合的方式来实时高精度测量微型填充床反应器的固有频率，克服了现有TEOM1500采用激光透射式固有频率测量存在的调光困难以及维护不方便的缺陷。

[0017] 一种高温微型填充床反应器振荡天平测量方法，将样品置于样品填充床内，样品气以及吹扫气经加热后在流体脉动驱动装置的作用下产生脉动流，激励振荡管振荡，其振动频率由反射式光纤振动传感器接收信号，然后对数据进行采集并分析，将分析后数据反馈给流体脉动产生装置以调节其工作电压及频率，对得到的频率进行保存，由分析程序计算出质量变化，并对计算结果进行保存及显示。

[0018] 本发明所述的振动传感器接受信号后经调理再进行收集分析。

[0019] 本发明所述的数据采集是通过高性能数据采集卡实现的。

[0020] 与现有技术相比，本发明所具有的优点在于：

[0021] (1)本仪器装备将最高工作温度从800℃提高到1100℃，其应用范围得到大大拓展，所拓展的应用范围包括：冶金(矿石还原、焙烧如石煤复合钙化焙烧提钒、铯榴石氯化焙烧)、能源环境(含碳能源的热解、燃烧、气化、碳化)、材料(分解、金属材料氧化动力学)、化工(化学品的氧化、还原、分解)等，从而使它可以取代当今广为应用的热重天平。

[0022] (2)与石英材料相比，本发明中由于采用了耐高温恒弹性材料铌基合金及陶瓷，使得安装固定、调节更为方便。

[0023] (3)与TEOM1500中遮光型光强调制光纤传感器发射光纤与接收光纤对准困难不同的是，本发明中采用的是反射式光纤振动传感器，使得系统调节更加方便。

[0024] (4)本发明仪器精度达到0.001mg，能够完全满足多个领域对于测量精度的要求。

附图说明

[0025] 附图1为高温微型填充床反应器振荡天平的结构示意图；

[0026] 附图2为振荡管及振动传感器探头保护结构示意图。

[0027] 1振荡管 2全光纤反射式振动测量传感器 4信号调理装置 5数据采集 6数据分析 7数据保存与显示 8数据反馈 9气体加热系统 10活塞11流体脉动驱动装置 12吹扫气 13样品气 14活动扳手 15样品填充床16内抽真空高透光率透明陶瓷

[0028] 下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。

具体实施方式

[0029] 为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

[0030] 如图1、图2所示，一种高温微型填充床反应器振荡天平，包括振荡管1、气体加热系统9、流体脉动驱动装置11、全光纤反射式振动测量传感器2以及数据处理中心，振荡管1自由端为椭圆形，作为样品填充床15，另一端固定于气体管路上，并设有微调节振荡管位置的活动扳手14。振荡管1采用高温恒弹性铌基合金材料制成，使振荡管1在温度高达
1100℃仍然保持其良好的弹性性能；内涂硅基材料薄膜(如Si-20％Fe-20％Cr)镀金(Au)薄膜，能够实现振荡天平能在含硫、氮、氯等腐蚀性气氛中应用。振荡管1与振动传感器2之间以内抽真空的高透光率透明陶瓷16隔离，采用真空隔热技术使振动传感器耐高温探头的最高使用温度(750℃)与振荡管的最高工作温度(1100℃)相匹配。流体脉动驱动装置11为压电陶瓷线性电机及电位计，带动活塞10运动以引起管内样品气成为有规律的脉动流体。振动传感器2与数据处理中心之间设有信号调理装置4，将待测信号放大。数据处理中心包括数据采集5、数据分析6、数据反馈8及数据保存与显示7等四个部分。

[0031] 在流体脉动驱动装置作用下样品气呈脉动流体状态，激励振荡管振荡，由全光纤反射式振动测量传感器测量振荡管的固有频率，振荡管的振荡幅度由反馈控制来控制脉动流振动幅值，以防止振荡管碰到气体管壁。由于采用了高温恒弹性铌基合金或高弹性陶瓷作为振荡管材料，所以振荡管的定位调节更为方便。

[0032] 本发明所述的测量方法具体如下：样品装在锥形振荡管自由端，吹扫气12和样品气13经加热段后达到实验预定的工作温度，样品气在流体脉动驱动装置的作用下产生一定振幅频率的脉动流，当其频率与锥形振荡管的固有频率相等时产生共振。锥形振荡管的振荡频率由全光纤反射式振动测量传感器接收信号，干涉系统得到的电信号较弱，经信号调理后由高性能数据采集卡采集并进行计算机软件处理与分析，分析后的数据反馈给流体脉动驱动装置以调节激振装置的工作电压及频率，由“李萨育图法”判断共振点并对得到的固有频率进行保存，并根据固有频率由分析程序计算出质量变化，对计算结果进行保存及显示，仪器精度达0.001mg。

[0033] 采用反射式全光纤传感器与流体脉动激振技术实时高精度测量微型填充床反应器的固有频率，利用内抽真空高透光率透明陶瓷保护了反射式全光纤传感器耐高温探头，由高温铌基合金或高弹性陶瓷制作而成的填充床反应器振荡管突破现有TEOM1500因采用石英或300系列不锈钢作为振荡管材料而使工作温度低于800℃的缺陷，使应用范围得到了大大拓宽，成为具有受扩散影响严重热天平的良好替代品。

[0034] 申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及测量方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及测量方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及测量方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。