[发明专利]一种基于气氛切换的解耦反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种反应器，具体涉及一种基于气氛切换的解耦反应器，属于高温化学反应分析和测试领域。

背景技术

高温气固化学反应广泛存在于各种固体碳基燃料热转化利用的实际工业过程中。实际工业装置中固体碳基燃料的高温热化学反应通常可解耦为高温快速热解和残余焦炭的燃尽或气化两个反应阶段。而根据研究的需要，实验室研究中经常将固体碳基燃料的高温气固化学反应解耦为多个反应阶段，而每个反应阶段的反应气氛和反应温度均可能存在较大差异。

研究固体碳基燃料热转化反应经常使用到各类传统的微、小型高温反应器，如沉降炉、热重分析仪、固定床、流化床。这些反应器通常是先制取得到冷态的焦炭，再将冷态焦炭给入到反应器进行焦炭反应的分析，从而实现对多个反应阶段的研究。但这种完全割裂式的分阶段研究引入了复杂的中间过程，可能造成固体样品反应性的变化。因此，研究多阶段反应更优的方式是使多个反应阶段依次连续进行，保证每个阶段的反应物均具有原位反应性。另外，现有这些反应器或分析仪内气流通道的结构，通常会因为气量小、内体积大、结构复杂而引入严重的气流返混，致使尾气分析得到的气氛过程变化规律相对于反应点具有严重失真。探索一种适合于在线分析多阶段连续反应过程的方法和反应器具有很高的实际应用价值。

许光文等(专利CN,1012109164A1.2006-12-30&Chemical Engineering Journal,2011,Vol.168,pp.839–847&Fuel,2013,Vol.103,pp.29–36)发明了一种采用等温、微分原理的微型流化床来分析气固动力学参数，利用了等温反应的优势，并且可较好地抑制外扩散。这种仪器的反应器结构上包括流化床反应区、热电偶侧管和瞬时进料侧管，可很好地模拟煤粉在进入实际燃烧装置中的快速升温过程，所以有望应用于煤粉等碳基燃料快速升温反应的研究中。但前述固体碳基燃料反应过程的特点，决定了这种反应为单一阶段、反应全过程等温的分析方法和仪器还不能直接地用于分析固体碳基燃料极复杂的反应过程。

实验研究中，采用气氛切换并辅助反应温度、反应流场的控制可实现对各个反应阶段的控制，进而解耦分析固体碳基燃料的多阶段反应。例如热重分析仪中，可将一种新的气氛切换进入反应器启动新阶段的反应，但受微量失重测量原理的限制，热重分析仪采用的气流量比较小，因此其中气氛切换过程相当缓慢，前后两种气氛间存在强烈的返混，使得气流切换前后的反应气氛不可控，并且在换气过程中热重的样品池受力波动较大，分析结果可信度较差。另外，热重分析仪中反应物处于样品池内、反应物不能受到气流迎面而强烈吹扫，反应物颗粒表面传热传质比较差，反应和分析结果受扩散影响严重。仪器或实验装置中，高温反应器需要控制反应在特定温度或者特定温度程序下进行，因此要求必须对气流进行预热。而为了强化反应器内颗粒传热传质，尤其是碳基燃料的燃烧一类的快速反应，宜采用较大气流量才能使反应更接近反应动力控制区。较大的气流量使得气体的预热问题更加突出。