CN103760054B - 一种用于大试样测试的热重反应器 - Google Patents

Abstract

一种用于大试样测试的热重反应器，本发明属于对试样进行热重分析的测试设备，目的在于克服现有热重分析仪要求试样质量及体积小、样品器皿不利于气固反应的问题。本发明的高温反应器使反应气体预热充分，避免了因反应气氛温度变化造成的质量测量误差；两种吊篮分别针对不同的试样，有效地减小了大试样反应时的扩散阻力，保证了反应的充分进行与测量的精确性；通过液压升降平台调节电加热炉的高度，可以实现样品在高精度条件下的恒温加热。本发明可以实现大试样在多种升温速率下或恒温条件下质量变化的动态测量，比现有热重分析仪更加符合科研生产的要求。

Description

一种用于大试样测试的热重反应器

技术领域

本发明属于对试样进行热重分析的测试设备，尤其涉及一种用于大试样测试的热重反应器，测试大质量试样或大颗粒试样在程序升温或恒温加热条件下的质量变化。

背景技术

热重分析是使样品处于预设的加热条件下，分析样品的质量在设定反应气氛下随温度或时间的变化关系，它广泛应用于研究样品的组成、热稳定性、氧化与还原、吸附与脱附、反应动力学和添加剂与催化剂的影响等。现有的热重分析仪一般由天平、电炉、程序控温系统、记录系统等部件组成，通过变位法和零位法测量样品的质量变化。由于天平的灵敏度高(0.1μg)，试样的质量或体积较大时引起的传热阻力的增大会致使试样内部温度梯度增加，造成试样温度偏离线性程序升温，影响TG曲线。目前的热重分析仪要求试验样品质量及体积较小，测量范围大多在0～100mg之间，并且试验中样品器皿结构受限，不利于气固反应的进行，其试验条件与实际工业应用存在较大的差距，难以满足科研生产的需求。

本发明中的大试样指样品总体质量大于100mg，或颗粒样品的粒径大于1mm。

发明内容

本发明提供一种用于大试样测试的热重反应器，目的在于克服现有热重分析仪要求试样质量及体积小、样品器皿不利于气固反应的问题，以能够动态测量大质量试样或大颗粒试样在不同气氛的升温过程中质量-温度变化关系或在恒温条件下质量-时间变化关系。

本发明所提供的一种用于大试样测试的热重反应器，包括高温反应器、电加热炉、液压升降平台、密封箱和气源，其特征在于：

所述高温反应器由内管和外管构成，所述内管自下而上由一体的管体和扩张头构成，所述扩张头为旋转体，其最大直径大于管体的直径，管体底部具有均匀分布的孔洞，扩张头的最大直径处具有对称的两个出气口，所述管体位于外管内，构成同轴夹层套管结构，所述外管上部具有反应气氛进气口；

所述电加热炉搭设在液压升降平台上，所述高温反应器的外管置入电加热炉内，所述外管上端受到固定在支撑架上的固定支撑臂支撑；所述密封箱通过活动支撑臂与支撑架滑动连接，密封箱下端通过连接卡套和所述内管的扩张头上端连接，连接卡套内密封箱和扩张头的连接处加设有密封垫圈；

所述密封箱上设有保护气氛进气口，密封箱内的隔板上设置有称重传感器，称重传感器上方安装有上热电偶，固定于密封箱顶部，称重传感器下端通过穿入所述高温反应器内管的不锈钢丝与吊杆连接，吊杆下端连接吊篮，吊篮下方设有下热电偶，所述下热电偶自上而下穿过所述内管的管体底部，固定于外管底部；

所述气源包括气体钢瓶，气体钢瓶通过管路和截止阀分别连接所述保护气氛进气口和所述反应气氛进气口；，

所述电加热炉及液压升降平台的信号线分别连接数据控制柜；

所述称重传感器的信号线通过密封箱上的接线端子与数据控制柜连接；

所述下热电偶、上热电偶的信号线分别与数据控制柜连接；

数据控制柜连接于电脑，实现自动控制、监控及数据采集。

所述的热重反应器，其特征在于：

所述气源包括三个气体钢瓶，其中，第一气体钢瓶和第二气体钢瓶分别通过第一质量流量计和第二质量流量计连接混气罐，第三气体钢瓶通过第三质量流量计分别连接第一截止阀和第二截止阀，第一截止阀再通过管路连接混气罐，混气罐出口通过管路连接所述反应气氛进气口；所述第二截止阀通过第四质量流量计连接所述保护气氛进气口；所述第一气体钢瓶和第二气体钢瓶分别容纳氧气和二氧化碳气体，所述第三气体钢瓶容纳氮气。

所述的热重反应器，其特征在于：

所述吊杆为耐高温刚玉材料制成，其下端设有间隔排列的1～5个对称圆销；

所述吊篮由1～5个圆形托盘构成，各圆形托盘为耐高温刚玉材料制成，它们的直径由大到小依次缩小，各圆形托盘中心具有装配孔，所述装配孔由圆孔和横贯其直径的直孔构成，和所述吊杆及其对称圆销的形状相匹配，各圆形托盘底面对应所述装配孔位置具有和所述直孔垂直的横槽；

1～5个圆形托盘按其直径由大到小在所述吊杆上自上而下排列，各圆形托盘的装配孔穿过吊杆及其对称圆销后，在相应位置的对称圆销处旋转90度，使得圆形托盘底面的横槽卡在相应的对称圆销上。

所述的热重反应器，其特征在于：

所述吊杆为耐高温刚玉材料制成，其下端设有一个对称圆销；

所述吊篮由横梁和网篮构成，所述横梁为耐高温刚玉材料制成，其中心具有装配孔，所述装配孔由圆孔和横贯其直径的直孔构成，和所述吊杆及其对称圆销的形状相匹配，横梁底面对应所述装配孔位置具有和所述直孔垂直的横槽；所述横梁的两端分别具有一个凹槽，用于卡住网篮；

所述网篮为纵截面是抛物线形的空心旋转体，由耐高温刚玉材料制成，空心旋转体侧壁具有均匀分布的孔洞，空心旋转体上端边缘具有一对对称分布的连接孔，它们的位置与所述横梁两端的凹槽位置相配；

所述网篮通过其连接孔与所述横梁连接，所述横梁的装配孔穿过吊杆及其对称圆销后，在对称圆销处旋转90度，使得横梁底面的横槽卡在对称圆销上。

电加热炉为反应提供理想的加热过程，最高温度可以达到1300℃；电加热炉置于电脑控制的液压升降平台上，可以预先将电加热炉升至设定温度后，快速平稳的提升电加热炉，实现大试样样品在恒温下的反应过程。

高温反应器采取套管方式，气体首先自上而下通过外管环形管道，然后经过内管底部孔板向上进入内管参与反应，使得气体可以充分预热，避免由于气体温度不稳定而造成气体浮力的变化，进而影响到样品质量测量的准确性。另外，在高温反应器的内管顶部采用扩张头，并在扩张头的最大截面处设置对称的两个出气口，从而使得由上而下的低温吹扫保护气体和由下而上的高温反应气体的流速在此处迅速降低后直接排出，最大限度的避免了两种气体分别继续向下或向上而造成的相互影响；而且多出气口的设置方式使得气流分布稳定，有效避免了气流对吊杆的影响。

称重传感器固定在与高温反应器相连接的密封箱体内的隔板上，其信号线通过密封箱上的接线端子与数据控制柜连接而实现数据实时采集。试验中为了更加方便样品的放取，密封箱通过连接卡套与高温反应器的内管连接；并且为了阻止高温反应气流的向上运动和热量的向上传递，保证称重传感器的高精度工作环境，在密封箱与高温反应器的卡套连接部位加设密封垫圈。称重传感器下方连接有耐高温不锈钢丝，而在密封垫圈以后，为避免耐高温不锈钢丝在高温反应区的氧化腐蚀，耐高温不锈钢丝改用吊杆与吊篮连接。称重传感器的最大量程为500g，测量精度为10mg。

本发明设有两个测温点，高温反应器底部布置一个下热电偶，其测点紧贴于吊篮下方，用于实时测量样品反应环境的温度，其测量范围为0～1300℃，测量精度为1℃。在密封箱内称重传感器的上方安装一个上热电偶，用于实时监测称重传感器所处的环境温度，保证其在最佳的工作环境内，其测量范围为0～200℃，测量精度为1℃。

高温反应器通过固定支撑臂保持恒定，而装有称重传感器的密封箱可以借助活动支撑臂进行提升或转动，较为方便地实现样品取放。

气源为反应提供各种理想的吹扫保护气体和反应气体，包括单一气体的气源或者多种气体按比例混合的气源。单一气体的气源分成两路，一路为保护气氛，对密封箱内的称重传感器进行吹扫保护，保证称重传感器的工作温度，避免因为温度变化而引起零点漂移；另一路为反应气氛，气体钢瓶通过质量流量计定量后进入高温反应器。当气源为多种气体按比例混合时，分成两路，一路为保护气氛，对密封箱内的称重传感器进行吹扫保护，保证称重传感器的工作温度，避免因为温度变化而引起零点漂移；另一路为反应气氛，气体钢瓶通过质量流量计定量后混合均匀进入高温反应器。

数据控制柜和电脑组成控制系统，电加热炉、液压升降平台、称重传感器及上、下热电偶的信号全部接入数据控制柜，通过数据采集控制硬件实现信号的数字化；软件系统采用基于PC机的分布式处理客户／服务器的SCADA系统来自动控制电加热炉的升温程序及液压升降平台的升降，实时采集试样质量变化的数据和监控试样的反应温度及称重传感器的环境温度。

本发明根据样品的粒径大小，设计了两种吊篮：针对粉末样品，吊篮由多个圆形托盘构成；而对于颗粒样品，采用由横梁和网篮构成的吊篮；针对不同类型样品的两种吊篮有效地减小了大样品量或颗粒试样反应时的扩散阻力；同时有效避免了气体浮力对吊篮的影响，保证了质量测量的精度。吊篮在炉膛中的高低位置可以通过改变耐高温不锈钢丝的长短来实现。

综上所述，本发明可以实现大试样在多种升温速率下或恒温条件下质量变化的动态测量，比现有热重分析仪更加符合科研生产的要求；本发明的高温反应器使反应气体预热充分，避免了因反应气氛温度变化造成的质量测量误差；高温反应器内管顶部扩张头的渐扩结构既避免了高温反应气体影响称重传感器的工作环境，又避免了低温吹扫气体影响样品的反应；高温反应器上的两个对称出气口使反应器内的气流分布均匀，提高了测量的精确度；高温反应器与密封箱体间的卡套连接方便试验中样品的取放，且连接部位加设的密封垫圈能有效保证称重传感器的高精度工作环境；两种吊篮分别针对不同的试样，有效地减小了大试样反应时的扩散阻力，避免了气体浮力对吊篮的影响，保证了反应的充分进行与测量的精确性；通过液压升降平台调节电加热炉的高度，可以实现样品在高精度条件下的恒温加热。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为高温反应器的结构示意图；

图3(A)为本发明实施例1中吊篮的结构示意图；

图3(B)为本发明实施例1中吊杆的剖视图；

图3(C)为本发明实施例1中吊杆的俯视图；

图3(D)为本发明实施例1中圆形托盘的俯视图；

图3(E)为本发明实施例1中圆形托盘的底视图；

图3(F)为本发明实施例1中圆形托盘的剖视图；

图4为本发明实施例2的结构示意图；；

图5(A)为本发明实施例2中吊篮的结构示意图；

图5(B)为本发明实施例2中吊杆的剖视图；

图5(C)为本发明实施例2中吊杆的俯视图；

图5(D)为本发明实施例2中横梁的俯视图；

图5(E)为本发明实施例2中横梁的底视图；

图5(F)为本发明实施例2中横梁的剖视图；

图5(G)为本发明实施例2中网篮的剖视图；

图5(H)为本发明实施例2中网篮的俯视图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的实施例1，对大样品量粉末试样进行热重分析，包括高温反应器2、电加热炉1、液压升降平台3、密封箱4和气源；

如图2所示，所述高温反应器2由内管2-1和外管2-2构成，所述内管2-1自下而上由一体的管体2-11和扩张头2-12构成，所述扩张头2-12为旋转体，其最大直径大于管体2-11的直径，管体2-11底部具有均匀分布的孔洞，扩张头2-12的最大直径处具有对称的两个出气口2-12A，所述管体2-11位于外管2-2内，构成同轴夹层套管结构，所述外管2-2上部具有反应气氛进气口2-2A；

如图1所示，所述电加热炉1搭设在液压升降平台3上，所述高温反应器2的外管2-2置入电加热炉1内，所述外管2-2上端受到固定在支撑架16上的固定支撑臂15支撑；所述密封箱4通过活动支撑臂6与支撑架16滑动连接，密封箱4下端通过连接卡套7和所述内管2-1的扩张头2-12上端连接，连接卡套7内密封箱4和扩张头2-12的连接处加设有密封垫圈8；

所述密封箱4上设有保护气氛进气口4-1，密封箱4内的隔板4-2上设置有称重传感器5，称重传感器5上方安装有上热电偶13，固定于密封箱4顶部，称重传感器5下端通过穿入所述高温反应器2内管2-1的不锈钢丝9与吊杆10连接，吊杆10下端连接吊篮11，吊篮11下方设有下热电偶12，所述下热电偶12自上而下穿过所述内管2-1的管体2-11底部，固定于外管2-2底部；

所述气源具有一个气体钢瓶18，气体钢瓶18和第三质量流量计19-3相连后分成两路，一路直接通过管路连接所述反应气氛进气口2-2A，一路通过截止阀20和第四质量流量计19-4连接所述保护气氛进气口4-1；

所述电加热炉1及液压升降平台3的信号线分别连接数据控制柜21；

所述称重传感器5的信号线通过密封箱4上的接线端子14与数据控制柜21连接；

所述下热电偶12、上热电偶13的信号线分别与数据控制柜21连接；

数据控制柜21连接于电脑22，实现自动控制、监控及数据采集。

电加热炉1的温度范围为0～1300℃，称重传感器5称重量程为0～500g，精度为10mg；下热电偶12的测温范围0～1300℃，测量精度1℃；上热电偶13的测温范围0～200℃，测量精度为1℃。

如图3(A)～图3(F)所示，本实施例中，所述吊杆10为耐高温刚玉材料制成，其下端设有间隔排列的3个对称圆销10-1；

所述吊篮11由3个圆形托盘构成，各圆形托盘为耐高温刚玉材料制成，它们的直径由大到小依次缩小，各圆形托盘中心具有装配孔，所述装配孔由圆孔11-A和横贯其直径的直孔11-B构成，和所述吊杆10及其对称圆销10-1的形状相匹配，各圆形托盘底面对应所述装配孔位置具有和所述直孔11-B垂直的横槽11-C；

3个圆形托盘按其直径由大到小在所述吊杆10上自上而下排列，各圆形托盘的装配孔穿过吊杆10及其对称圆销10-1后，在相应位置的对称圆销10-1处旋转90度，使得圆形托盘底面的横槽11-C卡在相应的对称圆销10-1上。

此吊篮结构很好的避免了大样品量粉末试样在试验中由于扩散阻力大及反应气流浮力变化对化学反应充分性及质量测量精度的影响。

如图4所示，本发明的实施例2，对大样品量颗粒试样进行热重分析，包括高温反应器2、电加热炉1、液压升降平台3、密封箱4和气源；

如图2所示，所述高温反应器2由内管2-1和外管2-2构成，所述内管2-1自下而上由一体的管体2-11和扩张头2-12构成，所述扩张头2-12为旋转体，其最大直径大于管体2-11的直径，管体2-11底部具有均匀分布的孔洞，扩张头2-12的最大直径处具有对称的两个出气口2-12A，所述管体2-11位于外管2-2内，构成同轴夹层套管结构，所述外管2-2上部具有反应气氛进气口2-2A；

如图4所示，所述电加热炉1搭设在液压升降平台3上，所述高温反应器2的外管2-2置入电加热炉1内，所述外管2-2上端受到固定在支撑架16上的固定支撑臂15支撑；所述密封箱4通过活动支撑臂6与支撑架16滑动连接，密封箱4下端通过连接卡套7和所述内管2-1的扩张头2-12上端连接，连接卡套7内密封箱4和扩张头2-12的连接处加设有密封垫圈8；

所述密封箱4上设有保护气氛进气口4-1，密封箱4内的隔板4-2上设置有称重传感器5，称重传感器5上方安装有上热电偶13，固定于密封箱4顶部，称重传感器5下端通过穿入所述高温反应器2内管2-1的不锈钢丝9与吊杆10连接，吊杆10下端连接吊篮11，吊篮11下方设有下热电偶12，所述下热电偶12自上而下穿过所述内管2-1的管体2-11底部，固定于外管2-2底部；

所述气源包括三个气体钢瓶，其中，第一气体钢瓶18-1和第二气体钢瓶18-2分别通过第一质量流量计19-1和第二质量流量计19-2连接混气罐17，第三气体钢瓶18-3通过第三质量流量计19-3分别连接第一截止阀20-1和第二截止阀20-2，第一截止阀20-1再通过管路连接混气罐17，混气罐17出口通过管路连接所述反应气氛进气口2-2A；所述第二截止阀20-2通过第四质量流量计19-4连接所述保护气氛进气口4-1；所述第一气体钢瓶18-1和第二气体钢瓶18-2分别容纳氧气和二氧化碳气体，所述第三气体钢瓶18-3容纳氮气；

所述电加热炉1及液压升降平台3的信号线分别连接数据控制柜21；

所述称重传感器5的信号线通过密封箱4上的接线端子14与数据控制柜21连接；

所述下热电偶12、上热电偶13的信号线分别与数据控制柜21连接；

数据控制柜21连接于电脑22，实现自动控制、监控及数据采集。

电加热炉1的温度范围为0～1300℃，称重传感器5称重量程为0～500g，精度为10mg；下热电偶12的测温范围0～1300℃，测量精度1℃；上热电偶13的测温范围0～200℃，测量精度为1℃。

如图5(A)～图5(H)所示，本实施例中，吊杆10为耐高温刚玉材料制成，其下端设有一个对称圆销10-1；

所述吊篮11由横梁11-1和网篮11-2构成，所述横梁11-1为耐高温刚玉材料制成，其中心具有装配孔，所述装配孔由圆孔11-1A和横贯其直径的直孔11-1B构成，和所述吊杆10及其对称圆销10-1的形状相匹配，横梁11-1底面对应所述装配孔位置具有和所述直孔11-1B垂直的横槽11-1C；所述横梁11-1的两端分别具有一个凹槽11-1D，用于卡住网篮11-2；

所述网篮11-2为纵截面是抛物线形的空心旋转体，由耐高温刚玉材料制成，空心旋转体侧壁具有均匀分布的孔洞，空心旋转体上端边缘具有一对对称分布的连接孔11-2A，它们的位置与所述横梁11-1两端的凹槽11-1D位置相配；

所述网篮11-2通过其连接孔11-2A与所述横梁11-1连接，所述横梁11-1的装配孔穿过吊杆10及其对称圆销10-1后，在对称圆销10-1处旋转90度，使得横梁11-1底面的横槽11-1C卡在对称圆销10-1上。

此吊篮结构同样可以最大限度的减少气体在颗粒试样中的扩散阻力和气流浮力变化对质量测量精度的影响。

Claims (2)

1.一种用于大试样测试的热重反应器，包括高温反应器(2)、电加热炉(1)、液压升降平台(3)、密封箱(4)和气源；

所述高温反应器(2)由内管(2-1)和外管(2-2)构成，所述内管(2-1)自下而上由一体的管体(2-11)和扩张头(2-12)构成，所述扩张头(2-12)为旋转体，其最大直径大于管体(2-11)的直径，管体(2-11)底部具有均匀分布的孔洞，扩张头(2-12)的最大直径处具有对称的两个出气口(2-12A)，所述管体(2-11)位于外管(2-2)内，构成同轴夹层套管结构，所述外管(2-2)上部具有反应气氛进气口(2-2A)；

所述电加热炉(1)搭设在液压升降平台(3)上，所述高温反应器(2)的外管(2-2)置入电加热炉(1)内，所述外管(2-2)上端受到固定在支撑架(16)上的固定支撑臂(15)支撑；所述密封箱(4)通过活动支撑臂(6)与支撑架(16)滑动连接，密封箱(4)下端通过连接卡套(7)和所述内管(2-1)的扩张头(2-12)上端连接，连接卡套(7)内密封箱(4)和扩张头(2-12)的连接处加设有密封垫圈(8)；

所述密封箱(4)上设有保护气氛进气口(4-1)，密封箱(4)内的隔板(4-2)上设置有称重传感器(5)，称重传感器(5)上方安装有上热电偶(13)，固定于密封箱(4)顶部，称重传感器(5)下端通过穿入所述高温反应器(2)内管(2-1)的不锈钢丝(9)与吊杆(10)连接，吊杆(10)下端连接吊篮(11)，吊篮(11)下方设有下热电偶(12)，所述下热电偶(12)自上而下穿过所述内管(2-1)的管体(2-11)底部，固定于外管(2-2)底部；

所述气源包括气体钢瓶(18)，气体钢瓶(18)通过管路和截止阀(20)分别连接所述保护气氛进气口(4-1)和所述反应气氛进气口(2-2A)；

所述电加热炉(1)及液压升降平台(3)的信号线分别连接数据控制柜(21)；

所述称重传感器(5)的信号线通过密封箱(4)上的接线端子(14)与数据控制柜(21)连接；

所述下热电偶(12)、上热电偶(13)的信号线分别与数据控制柜(21)连接；

数据控制柜(21)连接于电脑(22)，实现自动控制、监控及数据采集；

其特征在于：

A、所述吊杆(10)为耐高温刚玉材料制成，其下端设有间隔排列的1～5个对称圆销(10-1)；

所述吊篮(11)由1～5个圆形托盘构成，各圆形托盘为耐高温刚玉材料制成，它们的直径由大到小依次缩小，各圆形托盘中心具有装配孔，所述装配孔由圆孔(11-A)和横贯其直径的直孔(11-B)构成，和所述吊杆(10)及其对称圆销(10-1)的形状相匹配，各圆形托盘底面对应所述装配孔位置具有和所述直孔(11-B)垂直的横槽(11-C)；

1～5个圆形托盘按其直径由大到小在所述吊杆(10)上自上而下排列，各圆形托盘的装配孔穿过吊杆(10)及其对称圆销(10-1)后，在相应位置的对称圆销(10-1)处旋转90度，使得圆形托盘底面的横槽(11-C)卡在相应的对称圆销(10-1)上；

B、或者，所述吊杆(10)为耐高温刚玉材料制成，其下端设有一个对称圆销(10-1)；

所述吊篮(11)由横梁(11-1)和网篮(11-2)构成，所述横梁(11-1)为耐高温刚玉材料制成，其中心具有装配孔，所述装配孔由圆孔(11-1A)和横贯其直径的直孔(11-1B)构成，和所述吊杆(10)及其对称圆销(10-1)的形状相匹配，横梁(11-1)底面对应所述装配孔位置具有和所述直孔(11-1B)垂直的横槽(11-1C)；所述横梁(11-1)的两端分别具有一个凹槽(11-1D)，用于卡住网篮(11-2)；

所述网篮(11-2)为纵截面是抛物线形的空心旋转体，由耐高温刚玉材料制成，空心旋转体侧壁具有均匀分布的孔洞，空心旋转体上端边缘具有一对对称分布的连接孔(11-2A，)它们的位置与所述横梁(11-1)两端的凹槽(11-1D)位置相配；

所述网篮(11-2)通过其连接孔(11-2A)与所述横梁(11-1)连接，所述横梁(11-1)的装配孔穿过吊杆(10)及其对称圆销(10-1)后，在对称圆销(10-1)处旋转90度，使得横梁(11-1)底面的横槽(11-1C)卡在对称圆销(10-1)上。

2.如权利要求1所述的热重反应器，其特征在于：

所述气源包括三个气体钢瓶，其中，第一气体钢瓶(18-1)和第二气体钢瓶(18-2)分别通过第一质量流量计(19-1)和第二质量流量计(19-2)连接混气罐(17)，第三气体钢瓶(18-3)通过第三质量流量计(19-3)分别连接第一截止阀(20-1)和第二截止阀(20-2)，第一截止阀(20-1)再通过管路连接混气罐(17)，混气罐(17)出口通过管路连接所述反应气氛进气口(2-2A)；所述第二截止阀(20-2)通过第四质量流量计(19-4)连接所述保护气氛进气口(4-1)；所述第一气体钢瓶(18-1)和第二气体钢瓶(18-2)分别容纳氧气和二氧化碳气体，所述第三气体钢瓶(18-3)容纳氮气。