[发明专利]气固反应等温微分化分析方法与等温微分分析仪

说明书

技术领域

本发明属于科学测试方法与仪器领域，涉及应用于化学、化工、能源、环境、材料、生物等工业行业的气固反应等温微分化方法和基于该方法的反应分析仪，具体地，涉及气固反应等温微分化分析方法与等温微分分析仪。

背景技术

反应器作为化学反应实现工业化的核心装置，最优化是一项十分复杂的任务。化学反应动力学分析和反应机理研究是反应器优化的重要依据，没有对反应机理与动力学规律的准确测量与掌握，就不可能诞生先进的反应器。因此，可靠的现代化反应动力学测试与反应机理解析仪器具有非常重要的地位。

传统的动力学测试有两种方法：微分法和积分法。积分测量法指利用量较大的实验样品在固定床或是固定流化床反应器中测定气体的穿透(释放)曲线，根据积分动力学方法，即预先假定一个反应动力学表达式，对曲线进行拟合而求算动力学参数。积分反应易受反应本身的传热传质复杂性以及反应器自身条件的影响。微分反应测试仅需微量样品，气体浓度变化小，实验数据采用微分化方法首先求算反应速率，根据所测定的不同温度下反应速率求算化学反应的动力学参数、推测反应机理。基于实验数据的准确性与可操作性，微分方法更加适用于气固反应动力学与反应机理研究。

而作为微分反应分析，现有的商业化分析仪器如TG、DSC可很好实现反应的微分化，它采用程序升温的方法研究反应在任意温度下的反应速度，导出Arrhenus曲线，并可以考察其与压力、气体反应物成分等的关系。这种微分反应分析代表典型的热分析方法，其研究气固反应的过程是将一定量的试样置于样品池中，在程序升温过程中实时监测固体样品质量、形态(可视化XRD、EM等)、体系热量或气体组分(产物测量)的变化，将各种监测变量转化为气固反应转化率后，根据热分析动力学参数的计算方法求算该反应的动力学参数。以热重为代表的气固反应研究仅需微量样品(微分反应器)，其反应过程质量变化的准确监测和加热器升温速率的准确控制使它得到了广泛应用。而对于热非稳定性物质在等温条件下进行的反应，如煤的气化和燃烧、铁矿石焙烧与还原、以及固体废料的焚烧等，热重分析仪不能测试该反应在任意定点温度的反应特性。对于强吸热或放热反应，热重测试中也往往发生反应过程中样品的温度偏离温度设定值的问题，且由于热重设计原理和结构的限制，难以应用于高气速和腐蚀性气氛下的气固反应，还特别难以消除气体扩散对反应的抑制作用。上述情况导致热重分析难以应用于具有上述特征、但普遍存在的气固反应的分析测试。由于程序升温热重分析仪的上述不足，由其失重速率所求算的动力学参数也难以描述化学反应控制区的本征动力学特征。