[发明专利]一种可抑制结焦的燃料气相反应物制备装置

说明书

本发明公开了一种可抑制结焦的燃料气相反应物制备装置，包括进样器、S形管、进样喷管套件和气化罐；进样器筒体的通道中部为梯形孔，在其大直径段的内腔中盛放有铁屑和固体催化剂，用于除去液态燃料进样中的溶解氧；梯形孔两侧分别设有滤网，用于防止梯形孔中的固体物质被进样流冲入后续管路，S形管包括有多处180°扭转段，用于制造二次流以优化传热。梯形孔、S形管的扭转段、气化罐罐体内均分别设有温度传感器；S形管末端的180°扭转段、气化罐进样管及气化罐罐体内均分别设有压力传感器，气化罐进样管、载体进气道和气化罐的出气气道均设有针阀。本发明可装配于目前成熟的进样装置和控制装置，可提供安全、可靠、稳定的气相进样流。

技术领域

本发明属于燃烧器领域，涉及一种燃料预热装置，蒸发装置和蒸发器上控制燃料送进的装置，特别涉及一种利用二次流S形管和变截面喷管以抑制热氧化结焦的燃料蒸发送进装置。

背景技术

反应动力学是化学领域内一项专门研究各类物理因素和化学因素(包括温度、压力、反应物/中间体/产物浓度、反应介质、反应催化、流动条件、停留时间等)对化学反应机理影响的学科，评测化学反应机理受影响的指标包括反应路径、反应速率、反应限度等等。随反应体系的不同，反应动力学可以分为固相反应动力学、液相反应动力学、气相反应动力学、气-固反应动力学、气-液反应动力学等等。其中，气相反应动力学为当前的研究热点之一，在现阶段研究比较深入。由于燃烧和火焰自身的性质，固态和液态的燃料首先需要发生气化、升华等物理变化过程转变为气相，才可与助燃物(氧气、空气等)相混合，进而发生燃烧形成预混火焰或扩散火焰。因此，在燃烧学、环境科学等领域，气相反应动力学一直以来均为研究重点。

气相反应动力学的相关研究所利用的实验装置包括流动管反应器、激波管、JSR反应器等，上述设备均需要燃烧前处理装置提供稳定的燃料气相反应物。气态燃料，如甲烷、乙烷等本身已呈气态，只需要进行简单的预热和流量控制即可送入反应设备；而液态和固态燃料则需要独立的气相反应物制备过程，此过程为燃烧学实验领域的难点之一。目前燃烧学领域研究的主要燃料的碳原子数基本小于14，研究的燃料多为气态和液态，因此液态燃料的气相反应物制备为当前实验科学所需优化的主要问题。

各类实验研究和工程应用发现，碳氢燃料在一定的物理、化学条件下会发生结焦，在输油管路的内壁形成胶状含碳固体沉积物。目前对于碳氢燃料结焦的研究尚不充分，但普遍认为结焦主要可分为两种，即热氧化结焦和热裂解结焦。热氧化结焦指燃料中的溶解氧与燃料的脱氢自由基反应生成过氧自由基，进而与热氧化生成的各类小分子进一步聚合生成大分子结焦；热裂解结焦不需要氧的参与，在高温下长链的燃料分子直接裂解为小分子(及其自由基)，进而发生自由基反应，相互聚合、成环形成结焦。热裂解结焦的相关机理目前并未形成统一的结论，上述结焦机理只是说法之一。在多数实验中均采用蒸发的手段制取液态燃料的气相反应物，蒸发设备的温度只需高于燃料沸点约20℃左右。通过质谱测定可知，对于大多数碳氢燃料而言，在此温度下未检测得到热裂解产物，表明热裂解过程并未开始，而热氧化结焦在200℃以下即可发生，此温度与正十一烷(沸点为196℃)、正癸烷(沸点为174.2℃)、正壬烷(沸点为150.8℃)的沸点均相近。同时，部分研究单位在实际实验中已报告了诸多气化罐、蒸发罐结焦的具体事例，以长链烃和芳香烃实验多见。因此，在燃烧学实验所需液态燃料气相反应物的制备中有规避反应物结焦的必要，反应物结焦以热氧化结焦为主。

已有大量研究证明，影响碳氢燃料结焦的因素包括温度、压力、流动方式、表面处理、添加剂和溶解氧含量等。同时，已有多项基于实际燃料的多形态流管实验证明，S形流管和变截面流管均可有效提升换热效率，改善传热。制备气相反应物的过程的温度为固定值，添加剂会干扰燃烧产物的鉴定，压力变化对后续流场和实验的影响较大，因此这三项因素均不能灵活调整以抑制结焦；而改变流动方式、流管设计，控制溶解氧含量，兼顾表面处理，是实验前处理中具有可操作性的抑制结焦手段。