[发明专利]一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统

说明书

本发明提出一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，包括气路单元、流化床反应器单元和数据采集单元，气路单元用于实现气固反应的进气气路和出气气路，其特征在于：在流化床底部放置重量传感器，用于获取反应过程中整个流化床的质量变化。本发明率先提出使用重量传感器测量流化床反应器整体质量，从而根据质量变化得到流化床条件下的气固反应动力学的方法，并通过实验验证，证明了该方法的可行性。相比于传统的微型流化床，使用实时的无失真的重量信号作为原始信号，可以避免由于气体混合扩散造成的气体信号测量失真现象。

技术领域

本申请涉及气固反应动力学精确测量领域，特别地涉及一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统。

背景技术

能源化工环境以及冶金等领域存在着大量的气固反应，比如碳酸钙的受热分解/氧化钙的碳酸化、煤的热解以及气化、干法脱硫过程、矿石的还原等。对气固反应动力学的精确测量不仅具有重要的科学意义，能解释自然规律，还具有重要的实际工程意义，能指导反应器设计与优化、工业装置的稳定运行。气固反应动力学的测量，目前主流的分析方法是热重分析法和流化床分析法。热重分析依靠反应样品的实时质量变化来得到反应过程动力学特性，具有信号精度高、稳定性好等优点，目前已经广泛商业化和系统化。但是热重分析法也具有很明显的缺陷：在热重分析法中，固体物料处于堆积状态，导致反应气体和固体的接触不够充分，因此气固反应过程受到传质的干扰十分严重。除此之外，热重分析装置的升温速率与实际工业过程相差很大。因此，从传质和传热的角度来看，热重分析法无法模拟真正的反应条件，无法精确测量气固反应动力学。相比于热重分析法，流化床分析法具有良好的传热传质特性，流化床中床料颗粒和样品颗粒之间的相对运动十分剧烈，为传热和传质创造了良好的条件，能提供快速的升温速率以及良好的等温反应条件。因此，流化床分析法在气固反应分析领域得到了广泛应用。目前的流化床分析法均采用反应器出口气体浓度作为原始信号来反演气固反应动力学特性。这种方法存在缺陷，气体在流化床内存在返混和组分轴向扩散，在流化床出口到气体分析仪进口的管路中也存在轴向扩散，因此气体分析仪最终得到的气体浓度信号是失真的信号，气固反应的真实反应动力学由于上述过程的干扰而失真。

发明内容

针对气固反应动力学准确测量存在的问题，以及现有技术如热重分析和流化床分析均存在的固有缺陷，本发明提供一种能够实时获取流化床内固体颗粒质量，从而得到流化床条件下准确的气固反应动力学的实时测量系统。

具体地，本发明提出一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，包括气路单元、流化床反应器单元和数据采集单元，气路单元用于实现气固反应的进气气路和出气气路，其特征在于：在流化床底部放置重量传感器，用于获取反应过程中整个流化床的质量变化。

进一步，流化床为单流化床，外径为30mm。

进一步，流化床反应器采用管式电阻炉加热，其炉体恒温区的长度为120mm。

进一步，流化床反应器床料的主要组成部分为石英砂。

进一步，石英砂的质量为10g。

进一步，流化床反应器中固体反应物颗粒相对石英砂质量较少。

进一步，固体反应物颗粒的质量为50mg-100mg。

进一步，热电偶直接接触流化床反应器的床层测量反应温度。

进一步，差压传感器用于检测流化床反应器的床层压差。

进一步，气路单元与流化床反应器单元的连接方式需对重量传感器不造成影响。

进一步，数据采集单元把对流化床反应器测量的信号传递至计算机，从而对流化床内气固反应数据进行实时分析和调控。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：