CN103908928B - 一种基于气氛切换的解耦反应器 - Google Patents

Abstract

一种基于气氛切换的解耦反应器，它涉及一种反应器，具体涉及一种基于气氛切换的解耦反应器。本发明为了解决现有高温化学反应器不能很好地用于分析固体碳基燃料多阶段原位解耦反应的问题。本发明包括反应管主体、热电偶侧管和瞬时进料侧管，所述反应管主体由下至上依次分为下部管段、下部环隙段、下多孔板、反应段、上部管段，热电偶侧管和瞬时进料侧管设置在反应段的两侧，且热电偶侧管的一端与反应段的外侧壁连接，瞬时进料侧管一端与反应段的外侧壁连接。本发明用于高温化学反应分析和测试领域。

Description

一种基于气氛切换的解耦反应器

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&ChemicalEngineeringJournal,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。特别对于使用专利CN1012109164A1中的微型流化床反应器测试碳基燃料燃烧这种快速化学反应(根据温度高低和反应性，1～20s内即可完成反应)的情形，为了保证供氧和气固传质，需要较大的气流量。依据郭慕孙、李洪钟主编的《流态化手册》P_{329、515～520}阐述的流化床反应器气体分布板区的传热传质特性，可知当气流未充分预热就进入流化反应区，将使得气体分布板附近区域内有较大的温度梯度，而分布板附近区域是流化床内化学反应最为有效和强烈的区域。因此，为了控制反应在等温条件下进行，必须使微型流化床反应器内的进气气流达到充分预热。反应器充分预热的方法是在反应器上游设置独立的预热装置或者反应器自身结构包含预热段。独立的预热装置使得系统复杂、高温管道连接困难、保温效果不理想、制造成本增高，因此这种设计方案只在气流量特别大、难预热的情况下才予以考虑。通常情况下，优选的设计方案是反应器自身包含一定长度的气流预热段，结构简单、且增加反应器长度的成本低，气体进入反应器后，流经预热段时被逐渐加热至与反应器器壁相同的温度水平，即达到充分预热。另外，高温反应器中广泛涉及N₂、O₂、Ar等辐射透明性气氛，这些气流的预热只能靠对流换热实现。预热气体的管道是换热管道，通常地，可采用破坏或减薄流体的速度边界层，促使或加剧湍动或减薄热边界层来提高对流换热强度。采用增大表面粗糙度、引入扰流结构等强化传热措施也会使两种气氛切换时返混强度大大增加，因此要求气氛切换的反应器宜采用流线型管道。另外，缩短气氛切换的延迟时间保证尾气在线过程检测不严重失真，需要尽量减少换热通道的空间体积。反应器尺寸、充分预热所需的流道结构、切换返混所需的流场状态是相互矛盾、互相影响的三个不同方面。对于采用气氛切换研究高温快速化学反应的反应器，设计可同时满足气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸精巧的结构部件是必须解决的技术难题，具有广泛、重要的应用价值。

基于以上所述，公开号为CN103364521A、公开日为2013年10月23日的发明专利公开了一种等温微分分析仪，其能够实现气固反应的等温微分化，能够用旋风分离器将双段式微型流化床与另一单段式微型流化床相连来实现煤热解、燃烧两个阶段解耦反应分析，得到热态半焦的燃烧(气化)反应特性及动力学。需指出，实际应用发现该发明实现两阶段反应分析的技术手段极其繁琐复杂，原因是：1.高温旋风分离器与两个微型流化床的高温(通常高于600℃)连接，在本领域以及能借鉴的技术领域，具有成本高昂、可靠性较差、寿命短的严重不足；若一体化则会带来结构性差、极易破损的问题；2.两个反应器连接的系统复杂，结构尺寸难以微型化和仪器化，使用不便，制造和维护成本高；3.单段反应器生成的热态半焦实际上处于易粘结状态，容易粘结在管道和旋风分离器内壁上，难以瞬时给入双段式微型流化床，更难以保证所有颗粒在同一时刻进入双段式微型流化床同时开始第二阶段的反应；进而无法保证双段式微型流化床内的气固反应为等温微分反应。另一方面，该发明没有解决、也没有任何技术来启示如何分析三阶段以上的多阶段反应的问题；该发明现有的两个微型流化床连接的方式远不能解决反应阶段为任意多个阶段反应的反应分析问题。该发明的双段式微型流化床，即使结合气氛连续切换也无法实现基于气氛切换的原位解耦反应。原因是如本申请的发明人经过研究在上文特别指出的，实现基于气氛切换的原位解耦反应要求反应器除了能实现等温微分化，还要同时实现气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸小巧的性能要求。而该文献中并未公开如何同时实现气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸小巧的性能要求。

发明内容

本发明为解决现有分析装置和高温化学反应器无法同时实现气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸小巧的性能要求；进而不能很好地用于分析固体碳基燃料多阶段原位解耦反应的问题，进而提出一种基于气氛切换的解耦反应器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案一是：本发明包括反应管主体、热电偶侧管和瞬时进料侧管，所述反应管主体由下至上依次分为下部管段、下部环隙段、下多孔板、反应段、上多孔板、上部管段；所述热电偶侧管和瞬时进料侧管设置在反应段的两侧，且热电偶侧管的一端与反应段的外侧壁连接，瞬时进料侧管一端与反应段的外侧壁连接；所述下部环隙段中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～100mm；所述反应管主体的材质为石英。

本发明为解决上述问题采取的技术方案二是：本发明包括反应管主体、热电偶侧管和瞬时进料侧管，所述反应管主体由下至上依次分为下部管段、下多孔板、反应段、上部环隙段和上部管段；所述热电偶侧管和瞬时进料侧管设置在反应段的两侧，且热电偶侧管的一端与反应段的外侧壁连接，瞬时进料侧管一端与反应段的外侧壁连接；所述上部环隙段中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～150mm；所述反应管主体的材质为石英。

本发明的有益效果是：本发明采用环隙的结构减薄了被预热气体的厚度，增大了换热比表面积，有效地提高了管道预热气体时的对流换热效率。从而采用较小的预热段结构尺寸达到了气流充分预热的目的。在达到充分预热的基础上，预热段保证了相对较短的气氛切换延迟时间。而且，反应器预热段和出口段内流场为流线型，因此流动为近似平推流，气氛切换过程中气体的返混小。本发明的反应器主体内的流道可较好的满足脉冲微量进气或多阶段反应切换气氛对流场的要求，可同时满足气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸小巧的性能要求；适合在分析固体碳基燃料多阶段原位反应时使用。本发明既可以用作流化床，也可以用作固定床，气流可从上进入反应器，也可从下进入反应器，因此具有多用途的特点。实施本发明，可在微小型反应器中实现较大流量气流的充分预热，因此本发明反应器的反应段内，反应物颗粒可受到气流的直接强烈吹扫，扩散控制作用被进一步削弱，反应更接近化学反应动力控制区。

附图说明

图1是反应管主体内设有下部环隙段、下多孔板和上多孔板时本发明的结构示意图；图2是反应管主体内设有下部环隙段、下多孔板、上多孔板和上部环隙段时本发明的结构示意图；图3是反应管主体内设有下多孔板和上部环隙段时本发明的结构示意图；图4是反应管主体内设有下多孔板、上多孔板和上部环隙段时本发明的结构示意图；图5是由外管和中心封闭管段构成环隙气流通道的结构示意图；图6是由外管和中心棒体构成环隙气流通道的结构示意图；图7是具体实施例六中预热段对比实验结果。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气氛切换的解耦反应器包括反应管主体、热电偶侧管5和瞬时进料侧管9，所述反应管主体由下至上依次分为下部管段1、下部环隙段2、下多孔板3、反应段4、上多孔板6、上部管段8，热电偶侧管5和瞬时进料侧管9设置在反应段4的两侧，且热电偶侧管5的一端与反应段4的外侧壁连接，瞬时进料侧管9一端与反应段4的外侧壁连接；所述下部环隙段(2)中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～100mm；所述反应管主体的材质为石英；反应管主体的高度为210mm～500mm，反应段(4)的内径为15mm～25mm，反应段(4)的高度为20mm～50mm，下部环隙段(2)的外径小于反应段(4)的外径。

采用本发明分析高温气固反应时，反应器竖直安装，下部环隙段2、下多孔板3和反应段4位于高温区；热电偶侧管5内密封安装热电偶，热电偶插入反应段4内测量温度；瞬时进料侧管9内密封安装进料管，样品可由进料管一次进入反应段4；样品进入反应段4后，反应器内气流为单进单出，气体自下部管段1进入反应器而向上流动，从上部管段8流出反应器；含有气体生成物的气流连续地从反应器流出后进入在线气体分析仪，从而实现反应过程的分析。

下部环隙段2由于采用了窄环隙结构，相对于同样流通面积的空心圆管，可减薄气流的厚度、大大增加气流换热比表面积，从而采用较小的预热段结构尺寸达到了气流充分预热；同时下部环隙段2中，气流为近似平推流，避免了通过采用扰流强化换热结构或者流化床预热装置而带来的气流返混。因此本发明反应器主体内的流道能更好地满足脉冲微量进气或多阶段反应切换气氛对流场的要求，可同时满足气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸小巧的性能要求。本发明能更好地分析固体碳基燃料多阶段原位反应过程。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于气氛切换的解耦反应器的上部管段8的下端设有上部环隙段7；所述上部环隙段7中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～150mm。

本实施方式的技术效果是：如此设置，可使反应器用途更多、用法更灵活；气流可以自下部管段1进入反应器而向上流动，反应器用作流化床或固定床；气流也可以自上部管段8进入反应器而向下流动；当气流向下流动时，上部环隙段7可充分预热气流，此时反应器用作固定床。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气氛切换的解耦反应器包括反应管主体、热电偶侧管5和瞬时进料侧管9，所述反应管主体由下至上依次分为下部管段1、下多孔板3、反应段4、上部环隙段7和上部管段8，热电偶侧管5和瞬时进料侧管9设置在反应段4的两侧，且热电偶侧管5的一端与反应段4的外侧壁连接，瞬时进料侧管9一端与反应段4的外侧壁连接；所述上部环隙段7中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～150mm；所述反应管主体的材质为石英；所述反应管主体的高度为210mm～500mm，反应段4的内径为15mm～25mm，反应段4的高度为20mm～50mm；上部环隙段7的外径小于反应段4的外径。

采用本发明分析高温气固反应时，反应器竖直安装，下多孔板3、反应段4和上部环隙段7位于高温区；热电偶侧管5内密封安装热电偶，热电偶插入反应段4内测量温度；瞬时进料侧管9内密封安装进料管，样品可由进料管一次进入反应段4；样品进入反应段4后，反应器内气流为单进单出，气体自上部管段8进入反应器而向下流动，从下部管段1流出反应器；含有气体生成物的气流连续地从反应器流出后进入在线气体分析仪，从而实现反应过程的分析。

上部环隙段8由于采用了窄环隙结构，相对于同样流通面积的空心圆管，可减薄气流的厚度、大大增加气流换热比表面积，从而采用较小的预热段结构尺寸达到了气流充分预热；同时上部环隙段2中，气流为近似平推流，避免了通过采用扰流强化换热结构或者流化床预热装置而带来的气流返混。因此本发明反应器主体内的流道能更好地满足脉冲微量进气或多阶段反应切换气氛对流场的要求，可同时满足气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟小、气流切换返混小、反应器尺寸小巧的性能要求。本发明能更好地分析固体碳基燃料多阶段原位反应过程。

具体实施方式四：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气氛切换的解耦反应器的反应管主体的反应段4与上部环隙段7之间设有上多孔板6。

本实施方式的技术效果是：如此设置，可利用多孔板6的均匀布风作用，使由上而下进入反应段4的气流更均匀，从而利于反应段4的气流分布更趋近平推流。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合附图1、5、6和7说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于气氛切换的解耦反应器，采用与具体实施方式一相同的结构，其中下部环隙段2中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为10mm，所述环隙的宽度为1mm，所述下部环隙段2的高度为70mm。为检验气体的预热效果，在下部环隙段2的顶端和下多孔板3之间设置一个可安装热电偶的侧管，裸丝热电偶接点通过侧管设置于下部环隙段2的顶端和下多孔板3之间的中心位置测量温度。从下部管段1通入辐射透明性的氩气，逐渐增大气流量，通过热电偶接点的温度变化来判断下部环隙预热段2的预热能力，即：热电偶测温点温度开始下降时，说明气体到达热电偶空间位置时未达到充分预热。而为了抑制返混必须优先采用光滑的流动通道，避免扰流和湍动。因此，同时制作一件除了不含环芯11或12，其它结构与本实施方式所述反应器结构和尺寸均相同的石英反应器，预热段流动通道为光滑光管，实施同样的测温实验，对比二者的性能差异。从测试结果可以分析出：下部环隙预热段2由于具有环隙通道结构，其可以充分预热2NL/min的氩气气流，而不含环芯11或12的石英反应器只能充分预热0.5NL/min的氩气气流。快速切换性能方面，下部环隙预热段2的通道体积为3.14×(5²-4²)×70＝1978.2mm³,不含环芯11或12的石英反应器的预热段通道体积为3.14×5²×70＝5495mm³，预热段通道体积越小，越有利于反应段4内气氛的快速切换。通过本实施例可以看出，本发明的反应器主体内的流道可较好的满足脉冲微量进气或多阶段反应切换气氛对流场的要求，可同时满足气流充分预热、气氛切换和气体取样延迟短的要求；特别适合在分析固体碳基燃料多阶段原位反应时使用。

Claims (6)

1.一种基于气氛切换的解耦反应器，包括反应管主体、热电偶侧管(5)和瞬时进料侧管(9)，其特征在于：所述反应管主体由下至上依次分为下部管段(1)、下部环隙段(2)、下多孔板(3)、反应段(4)、上多孔板(6)、上部管段(8)；所述热电偶侧管(5)和瞬时进料侧管(9)设置在反应段(4)的两侧，且热电偶侧管(5)的一端与反应段(4)的外侧壁连接，瞬时进料侧管(9)一端与反应段(4)的外侧壁连接；所述下部环隙段(2)中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～100mm；所述反应管主体的材质为石英。

2.根据权利要求1所述的一种基于气氛切换的解耦反应器，其特征在于：所述反应管主体的高度为210mm～500mm，反应段(4)的内径为15mm～25mm，反应段(4)的高度为20mm～50mm，下部环隙段(2)的外径小于反应段(4)的外径。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于气氛切换的解耦反应器，其特征在于：所述上部管段(8)的下端设有上部环隙段(7)；上部环隙段(7)中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～150mm。

4.一种基于气氛切换的解耦反应器，包括反应管主体、热电偶侧管(5)和瞬时进料侧管(9)，其特征在于：所述反应管主体由下至上依次分为下部管段(1)、下多孔板(3)、反应段(4)、上部环隙段(7)和上部管段(8)；所述热电偶侧管(5)和瞬时进料侧管(9)设置在反应段(4)的两侧，且热电偶侧管(5)的一端与反应段(4)的外侧壁连接，瞬时进料侧管(9)一端与反应段(4)的外侧壁连接；所述上部环隙段(7)中的气流通道为环隙，所述环隙的外径为8mm～12mm，所述环隙的宽度为1mm～2mm，所述环隙的高度为50mm～150mm；所述反应管主体的材质为石英。

5.根据权利要求4所述一种基于气氛切换的解耦反应器，其特征在于：所述反应管主体的反应段(4)与上部环隙段(7)之间设有上多孔板(6)。

6.根据权利要求4或5所述一种基于气氛切换的解耦反应器，其特征在于：所述反应管主体的高度为210mm～500mm，反应段(4)的内径为15mm～25mm，反应段(4)的高度为20mm～50mm，上部环隙段(7)的外径小于反应段(4)的外径。