CN104122295A - 燃烧池实验装置、能够测定活化能的实验装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃烧池实验装置、能够测定活化能的实验装置和测量方法，这种装置能够合理测定原油(包括稠油)与空气(包括氧气)反应的活化能，所述燃烧池实验装置包括燃烧池池体(2)，燃烧池池体(2)为一不锈钢圆筒和两个连接法兰组成，法兰中间开孔作为气体的进出通道，燃烧池池体(2)的顶部开口端密封连接有燃烧池端盖(3)，燃烧池端盖(3)上设有第一通孔(31)，燃烧池池体(2)的底部法兰有第二通孔(21)，燃烧池池体(2)的底端内设有用于防止砂粒进入第二通孔(21)的过滤装置(10)。该燃烧池实验装置通过直接测得温度和产物浓度随时间的变化，然后通过相关计算，可以得到原油试样的活化能和指前因子。

Description

燃烧池实验装置、能够测定活化能的实验装置和测量方法

技术领域

本发明涉及石油开采实验设备技术领域，具体的是一种稠油与空气(包括氧气)反应活化能测定及反应机理研究的燃烧池实验装置，还是一种含有该燃烧池实验装置的能够测定活化能的实验装置，更是一种利用该能够测定活化能的实验装置测定活化能的测量方法。

背景技术

作为一个传统的技术，蒸汽吞吐及蒸汽驱开发稠油油藏已在国内外得到了广泛的应用，并形成了一套从室内研究到现场应用的一系列配套的研究方法和技术。但由于这种技术能耗大、热量利用率低及污染严重等问题，在环境要求越来越高的当前，其局限性也越来越突显。当油藏的原油越重、埋深越大，其开发效果越差。而注空气技术由于成本低，污染小、适用油藏范围广等优势，在目前的稠油开发中得到越来越多的关注。

火烧油层(In-situ combustion，或ISC)是一种重要的稠油热采方法，又称为就地燃烧法或火驱采油法。即在一口或数口井中点燃油层后，不断的将空气或含氧气体注入到油层中，形成径向移动的火线(燃烧前缘)，火线在油层中与有机燃料反应，产生大量的热，原油受热之后粘度降低，并且伴随蒸馏作用。蒸馏后的轻质油、汽与燃烧烟气向前驱替，留下的重质成分在高温下发生裂解，裂解的产物焦炭作为燃料，维持火线向前推进；油层中的水(包括油层原始含水、束缚水、注入水以及燃烧产生的水)在高温下变为蒸汽，向前方的油层传递大量的热，再次洗刷油层，最终形成一个多种效应结合的驱替过程，将原油驱向生产井。

所谓火烧油层技术的物理模拟是指是通过室内的物理实验来模拟真实的地下火烧驱油过程。在满足基本相似条件(温度、压力等条件相似)的基础上，模拟真实火驱过程的主要特征，如原油的自燃温度、燃料消耗量、空气需要量等。目前常用的火驱物理模拟装置有：燃烧釜、一维燃烧管、三维火烧物模装置，但现有的火驱物理模拟装置均无法给出火烧油层数值模拟所需要的动力学参数——活化能的值。

发明内容

为了解决现有的火驱物理模拟装置均无法得到火烧油层活化能的技术问题。本发明提供了一种燃烧池实验装置、能够测定活化能的实验装置和测量方法，该燃烧池实验装置和测量方法通过直接测得温度和产物浓度随时间的变化，然后通过相关计算，可以得到试样的活化能和指前因子。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：一种燃烧池实验装置，包括燃烧池池体，燃烧池池体为一端封闭的筒形，燃烧池池体的开口端密封连接有燃烧池端盖，燃烧池端盖上设有第一通孔，燃烧池池体的封闭端设有第二通孔，燃烧池池体的封闭端内设有用于防止砂粒进入第二通孔的过滤装置。

燃烧池池体为圆筒形，燃烧池池体的长度为95mm～98mm，燃烧池池体的内径为21mm～21.5mm，燃烧池池体的壁厚为6mm～6.5mm。

燃烧池池体和燃烧池端盖的材质为不锈钢，燃烧池池体和燃烧池端盖的内表面均设有防氧化涂料层。

过滤装置包括上套筒和下套筒，上套筒的下端套设在下套筒内，上套筒的下端通过过滤筛网与下套筒下端的环形筒底抵接，环形筒底的内孔的位置与第二通孔的位置相对应。

一种能够测定活化能的实验装置，其特征在于：该能够测定活化能的实验装置含有上所述的燃烧池实验装置，该能够测定活化能的实验装置还含有加热炉、数据采集及录入单元、数据处理单元、气体分析装置和气源；该燃烧池实验装置设置在加热炉内，加热炉连接有用于监测和控制加热炉内温度的第一温度监测及控制单元，数据采集及录入单元能够收集加热炉内和该燃烧池实验装置内的温度数据以及气体分析装置得到的气体浓度数据，数据处理单元和数据采集及录入单元连接，气体分析装置与第一通孔连接，气源与第二通孔连通。

加热炉还连接有用于监测和控制加热炉内温度的第二温度监测及控制单元。

燃烧池端盖外设有三通，三通的第一接口与第一通孔密封连接，数据采集及录入单元包括用于测量加热炉内温度的第一温度传感器和用于测量该燃烧池实验装置内温度的第二温度传感器，第二温度传感器的一端穿过三通的第二接口和该第一接口设置在燃烧池池体内，燃烧池池体内与三通的第三接口连通。

气体分析装置通过过滤装置与三通的该第三接口连接。

过滤装置包括依次连接的集液器、砂滤器和气体净化器，该集液器与该第三接口连接，该气体净化器与气体分析装置连接。

气源依次通过流量控制装置和气体流量计与第二通孔连通。

一种测定活化能的测量方法，该测定活化能的测量方法采用了上述的能够测定活化能的实验装置，该测定活化能的测量方法包括以下步骤：

步骤1、准备实验样品；

步骤2、将该实验样品装入该燃烧池实验装置，检查该能够测定活化能的实验装置的连接状况；

步骤3、设定加热炉的加热温度和加热时间，确定加热速率，设定气源的供气流量；

步骤4、加热炉开始加热，在多个时间点，数据采集及录入单元测量该燃烧池实验装置内的温度并且气体分析装置测量气体浓度，根据时间与该温度的关系制作温度变化趋势曲线，得到每个时间点的温度变化率，根据气体浓度与实验样品转换率之间的关系确定实验样品的转换率，根据时间与该转换率之间的关系制作转换率变化趋势曲线，得到每个时间点的转换率变化率；

步骤5、将每个时间点的该温度变化率和该转换率变化率带入以下公式：

$\ln \left(\frac{\mathrm{\βd\α}}{\mathrm{dT}}\right)=\ln \left[\mathrm{Af}\left(\mathrm{\α}\right)\right]-\frac{E}{\mathrm{RT}}$

采用最小二乘法，拟合出活化能变化曲线，

在该公式中：β为加热速率，单位为℃/min；dα为转换率变化率；dT为温度变化率；A为指前因子；E为活化能，单位为kJ/mol；R为普适气体常量，为8.314kJ/(mol×K)；T为温度，单位为℃；ln[Af(α)]为固定值；

根据该活化能变化曲线，得到每个温度下的活化能。

本发明的有益效果是：该燃烧池实验装置通过直接测得温度和产物浓度随时间的变化，然后通过相关计算，可以得到试样的活化能和指前因子。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的燃烧池实验装置和能够测定活化能的实验装置作进一步详细的描述。

图1是能够测定活化能的实验装置总体结构示意图。

图2是燃烧池实验装置的结构示意图。

图3是过滤装置的结构示意图。

其中1.加热炉，2.燃烧池池体，21.第二通孔，3.燃烧池端盖，31.第一通孔，4.螺栓，5.三通，6.第二温度传感器，7.燃烧产物出口，8.油砂混合物，9.干沙，10.过滤装置，101.上套筒，102.下套筒，103.过滤筛网，11.第一温度监测及控制单元，111.热电偶，12.数据采集及录入单元，121.第一温度传感器，122.室内温度探头，13.数据处理单元，14.第二温度监测及控制单元，15.气体分析装置，16.过滤装置，17.气源，18.流量控制装置，19.气体流量计。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所述的燃烧池实验装置作进一步详细的说明。一种燃烧池实验装置，包括燃烧池池体2，燃烧池池体2为一端封闭的筒形，即如图2所示，燃烧池池体2为上端开口下端封闭的筒形，燃烧池池体2的开口端密封连接有燃烧池端盖3，燃烧池端盖3上设有第一通孔31，燃烧池池体2的封闭端设有第二通孔21，燃烧池池体2的封闭端内设有用于防止砂粒进入第二通孔21的过滤装置10。

第一通孔31和第二通孔21能够使外界与燃烧池池体2的内腔连通。作为原油燃烧反应的发生装置，该燃烧池实验装置必须能够承受高温、高压的作用，因此将该燃烧池实验装置设计为一个不锈钢材质的厚壁容器。即燃烧池池体2为圆筒形，燃烧池池体2的长度为95mm～98mm，燃烧池池体2的内径为21mm～21.5mm，燃烧池池体2的壁厚为6mm～6.5mm。该燃烧池实验装置内有一个圆柱形样品室，配置好的油砂样品(即图2中的油砂混合物8)装入该燃烧池实验装置的样品室中进行燃烧试验，该燃烧池实验装置的底部放有一个过滤装置10，过滤装置10采用316L不锈钢制作，为防止油砂样品从第二通孔21落入气管线内，过滤装置10中加入了同样316L不锈钢材料的60目筛网，从而达到透气的同时又过滤的作用。

为了避免原油在燃烧池的内表面发生反应，燃烧池池体2和燃烧池端盖3的内表面均设有防氧化涂料层。即燃烧池池体2和燃烧池端盖3的内壁涂有防氧化涂料。燃烧池的底部和顶部用耐高温高压的紫铜垫圈进行密封，以保证装置的气密性。燃烧池池体2和燃烧池端盖3通过螺栓4连接固定。

过滤装置10包括上套筒101和下套筒102，上套筒101的下端套设在下套筒102内，上套筒101的下端通过过滤筛网103与下套筒102下端的环形筒底103抵接，环形筒底103的内孔的位置与第二通孔21的位置相对应。如图3所示，上套筒101的下端与下套筒102螺纹配合，使用时，上套筒101内会填充干沙9。

一种能够测定活化能的实验装置，该能够测定活化能的实验装置含有上述的燃烧池实验装置，该能够测定活化能的实验装置还含有加热炉1、数据采集及录入单元12、数据处理单元13、气体分析装置15和气源17，如图1所示。加热炉1用于对该燃烧池实验装置进行加热，并使实验样品在该燃烧池实验装置内燃烧，数据采集及录入单元12能够收集加热炉1内和该燃烧池实验装置内的温度数据以及气体分析装置得到的气体浓度数据并将该数据传输给数据处理单元13，数据处理单元13为计算机，数据采集及录入单元12还连接有用于监测室温的室内温度探头122，气体分析装置15用于分析该燃烧池实验装置内燃烧的实验样品(即图2中的油砂混合物8)的燃烧产物，气体分析装置是否与数据处理单元连接，气源17用于向该燃烧池实验装置内提供助燃气体使该燃烧池实验装置内能够持续燃烧。

该燃烧池实验装置设置在加热炉1内，加热炉1连接有用于监测和控制加热炉1内温度的第一温度监测及控制单元11，数据采集及录入单元12能够收集加热炉1内和该燃烧池实验装置内的温度，数据处理单元13和数据采集及录入单元12连接，气体分析装置15与第一通孔31连接，气源17与第二通孔21连通。

加热炉1还连接有用于监测和控制加热炉1内温度的第二温度监测及控制单元14。设置两个温度监测及控制单元可以获得重现性数据，提高测量的准确性。第一温度监测及控制单元11连接有热电偶，第二温度监测及控制单元14也连接有热电偶。

燃烧池端盖3外设有三通5，三通5的第一接口与第一通孔31密封连接，数据采集及录入单元12包括用于测量加热炉1内温度的第一温度传感器121和用于测量该燃烧池实验装置内温度的第二温度传感器6，第二温度传感器6的一端穿过三通5的第二接口和该第一接口设置在燃烧池池体2内，燃烧池池体2内与三通5的第三接口连通，第三接口用于排出实验样品的燃烧产物，第三接口为燃烧产物出口7。第一温度传感器121和第二温度传感器6均为热电偶。

气体分析装置15通过过滤装置16与三通5的该第三接口连接，即气体分析装置15通过过滤装置16与三通5的燃烧产物出口7连接。过滤装置16包括依次连接的集液器、砂滤器和气体净化器，该集液器与该第三接口连接，该气体净化器与气体分析装置15连接。

集液器、砂滤器和气体净化器均为现有设备。该集液器(即为通用冷凝器)通过一根直径约为6mm的管线与燃烧产物出口7相连，该管线可以使流出的高温气体冷却、液化，然后收集到集液器中。为了进一步除掉水分和杂质，集液器后面装有砂滤器(为一种通用的不锈钢中间容器)，其容积为300mL，内部用20目～40目的粗砂和60～100目的细砂充填，每次试验后都要更换充填砂。气体通过的最后一个过滤装置为气体净化器，它的作用是除去剩余的烃类、水以及小于12μm的颗粒。气体净化器通过分子筛以及特殊的可更换式的滤芯来除去污染物。本文中所涉及到的实验温度为20℃～600℃，且采用线性升温的方式；气体注入系统指的是N₂及空气瓶；气体分析装置15的作用是对实验样品燃烧后的产出气体的成分及浓度进行监测；由于该设备兼顾高温实验及数据的动态监测，且燃烧过程中会产生固体颗粒及其它杂质，因此，气体在进入气体分析仪之前要经过过滤系统。在以上所有部分中，最为关键的部分为该燃烧池实验装置和气体分析装置15。

气源17依次通过流量控制装置18和气体流量计19与第二通孔21连通。流量控制装置18为流量控制阀，它能够保证气体按照要求的流量注入燃烧池内。

工作时，如图1和图2所示，将油砂混合物8装入该燃烧池实验装置，第一温度监测及控制单元控制加热炉1对该燃烧池实验装置加热，气源17通过第二通孔21向该燃烧池实验装置内供应助燃气体，样品燃烧后的气体燃烧产物通过第一通孔31进入气体分析装置15进行分析，气体在该燃烧池实验装置内的流动方向如图2中箭头方向所示。数据采集及录入单元12通过第一温度传感器121和第二温度传感器6分别采集加热炉1和该燃烧池实验装置中的温度，再将该温度数据传输至数据处理单元13。

实验过程采用线性升温，加热速率通过一个第一温度监测及控制单元11进行控制。通过设定目标温度以及达到温度所需要的时间来调节加热速率。第一温度监测及控制单元11通过一个热电偶来控制加热炉1的温度。一般燃烧池实验装置与加热炉1的温度通常会有差异，这是因为炉子从外部对燃烧池进行加热，热量会通过燃烧池的厚壁产生温度梯度。实验过程中每1s记录一次温度数据，然后将数据传输到计算机上存储。

下面介绍该燃烧池实验装置和能够测定活化能的实验装置测量活化能的实验原理。

根据热分析动力学的相关理论可知：等温、均相反应体系的动力学方程为：

$\frac{\mathrm{dc}}{\mathrm{dt}}=f\left(c\right)k\left(T\right)---\left(3.1\right)$

式中，

c：产物浓度，kg/m³；

t：时间，s；

T：温度，℃；

k(T)：速率常数的温度关系式；

f(c)：反应的机理函数。

由于大多数热力学过程都是非等温的，因此对公式3.1进行处理：对于非均相反应来说，浓度的概念已经不再适用，因此用转化率α代替浓度c，并且引入升温速率β的概念(公式3.2)，得到非等温、非均相体系中的反应动力学方程(3.3)：

β＝dT/dt  (3.2)

$\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dT}}=\frac{1}{\mathrm{\β}}f\left(\mathrm{\α}\right)k\left(T\right)---\left(3.3\right)$

式中，

α：转化率；

β：升温速率(一般为常数)，℃/min；

f(α)：反应的机理函数。

根据Arrhenius方程有：

k(T)＝Ae^-E/RT  (3.4)

式中，

A：指前因子；

E：活化能，kJ/mol；

R：普适气体常量，8.314kJ/(mol×K)。

将公式(3.4)式带入公式(3.3)，可得到非均相体系在非定温条件下常用的动力学方程式：

$\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dT}}=\frac{A}{\mathrm{\β}}{e}^{-R/\mathrm{RT}}f\left(\mathrm{\α}\right)---\left(3.5\right)$

热分析动力学的数据处理方法包括单一扫描速率法和多重扫描速率法。其中单一扫描速率法需要假定反应的机理函数f(α)，在某一升温速率下计算动力学参数，该方法又称为模式函数法。而多重扫描速率法是指在几种不同的升温速率下，得到多条浓度或质量随温度变化的曲线，采用这种方法计算动力学参数，可以排除机理函数的影响，因此也称为无模式函数法。多重扫描速率法中的等转化率方法进行活化能的计算。

所谓等转化率方法是指：假设转化率α一定时，反应的机理函数f(α)也一定，即假设火驱时所发生的化学反应过程仅与转化率有关，与温度无关。因此，对于同种原油在不同升温速率下的反应，当转化率一定时，其机理函数相同，活化能的值也相同。

在等转化率假设的基础之上，根据Friedman方法，对式3.5两侧取对数，整理得：

$\ln \left(\frac{\mathrm{\βd\α}}{\mathrm{dT}}\right)=\ln \left[\mathrm{Af}\left(\mathrm{\α}\right)\right]-\frac{E}{\mathrm{RT}}---\left(3.6\right)$

根据等转化率法的假设：当转化率为α时，对应的活化能E_α及反应的机理函数f(α)一定，因此与呈线性关系，做出两者的关系曲线，采用最小二乘拟合法，通过斜率求出活化能E_α，最后得出活化能随转化率的变化曲线，称之为“活化能的指纹图”。

对于燃烧反应动力学的另一关键参数——指前因子的值则要通过Arrhenius方程进行计算。根据公式3.4可知k(T)＝Ae^-E/RT，其中温度T可以通过热电偶监测到，因此当求出活化能E之后，只需要确定反应速率常数k(T)的值，就可以求得指前因子A的值了。该燃烧池实验装置和能够测定活化能的实验装置直接测得温度和产物浓度随时间的变化，然后通过相关计算，得到活化能和指前因子。其中，温度通过数据采集及录入单元12测得，产物浓度通过气体分析装置15测得，其随时间的变化可以通过计算机计算得出。

该燃烧池实验装置和能够测定活化能的实验装置可以监测原油实验样品的火烧过程中的温度及产出物浓度变化，然后对浓度数据进行处理求得转化率α随时间的变化曲线，进一步处理后就可以得到与的关系曲线，通过曲线的斜率求出活化能的值。利用该装置，通过测定升温过程中氧气浓度消耗或碳氧化合物生成速度随温度的变化，结合活化能计算方法，可以得到数值模拟关键参数如活化能及指前因子。

由于空气和稠油在地下发生的氧化反应非常复杂，从注入井到驱替前缘的温度分布非常宽：从油藏原始温度几十度到火线前缘的最高温度约600℃，不同的温度区域发生着不同的化学反应。同时空气或烟道气的驱替，使得流体的分布非常复杂。因此，如何描述这种复杂的行为，必须对其反应机理进行深入研究，通过模拟地下反应及流动的环境，明确其作用机理，才能建立有效安全生产控制方法。目前，高温、高压的反应环境在化工领域得到广泛的应用，如一些催化和聚合物反应，需要≤300℃及≤10MPa的反应环境。而在就地火烧反应中，需要模拟油砂混合体系在≤700℃及≤5MPa的反应环境。显然，与许多化学反应相比，火烧模拟的体系及温度环境更复杂、苛刻，传统的模拟上述化学反应的反应釜已无法满足研究的需要。因此，研制一套适合火驱化学反应机理研究的实验装置，具有非常重要的意义。

一种测定活化能的测量方法，采用了上述的能够测定活化能的实验装置，该能够测定活化能的实验装置的实验步骤如下：

步骤1、准备实验样品。

通过上述的实验原理可知：在燃烧池实验过程中，每一种原油或拟组分都要分三次、在三种不同的升温速率下进行加热，也就是说除加热速率外，这三次实验所用的样品的量、样品的组成应该相同。因此样品的准备是保证实验的重现性的最关键的一步。准备样品有两种方法：一种方法是每次实验前都单独准备样品；另一种是一次性准备至少足够10次实验的样品。第二种方法能够保证每一次实验样品的一致性，但是存在被提前氧化的风险。经过实验发现，用被氧化过的原油进行燃烧实验，温度变化以及反应速率都会出现异常，影响测定结果。因此，本文的实验样品在每次实验之前准备。样品中原油的用量也十分关键，因为如果原油质量过大则会造成较大的温度波动，质量过小又无法保证产生足够的气体用于分析。本文经过反复的实验，最后给出了最佳的实验样品的组成：20g高温处理的河砂和0.22g脱水后的齐古组稠油(或收集到的拟组分或原油样品)。由于原油粘度较大，因此可以在加热的条件下将两者混拌均匀。其中高温处理砂是将河砂在600℃的条件下高温处理8h，以消除矿物组分及活性基团对原油燃烧行为的影响。

步骤2、将该实验样品装入该燃烧池实验装置，检查该能够测定活化能的实验装置的连接状况。

2.1、将过滤装置10放入燃烧池实验装置中(如图1和图2所示)，然后在过滤装置10底部垫上25g高温处理过的河砂，最后在燃烧池实验装置中逐层加入实验样品，并且捣实。装入样品前、后都要对燃烧池实验装置进行称量，以准确的获取样品的质量。最后用紫铜圈密封燃烧池和法兰的连接处，旋紧螺丝，同时将热电偶插入燃烧池中。

2.2、将燃烧池实验装置与过滤装置16连接，打开N₂瓶，封堵出口管线，用皂泡法检查燃烧池以及管线中是否存在泄漏，同时还可以通过压力表读数来判断。

2.3、确定没有泄漏之后，将燃烧池实验装置放入加热炉1中，连接好管线。

2.4、打开气体分析装置15，进行标定(不是每次实验都需要标定)。

步骤3、设定加热炉的加热温度和加热时间，确定加热速率，设定气源的供气流量。

3.1、打开第一温度监测及控制单元11的温度控制器，选择“线性升温”这一程序段，将加热温度设置为20～600℃，按照对加热速率的要求设置加热时间，本文中所采用的加热时间有120min，180min，240min及320min，对应的加热速率分别为：4.8℃/min，3.2℃/min，2.4℃/min以及1.92℃/min。温度设定完成后，关闭N₂瓶，通入O₂，将气体流量设置为1000mL/min，调节背压阀，使反应器内压力保持0.69MPa。

步骤4、加热炉开始加热，在多个时间点，数据采集及录入单元测量该燃烧池实验装置内的温度并且气体分析装置测量气体浓度，根据时间与该温度的关系采用最小二乘法制作温度变化趋势曲线，得到每个时间点的温度变化率，根据气体浓度与实验样品转换率之间的关系确定实验样品的转化率，根据时间与该转换率之间的关系采用最小二乘法制作转化率变化趋势曲线，得到每个时间点的转换率变化率。

温度、压力及气体流量设置完毕后，打开加热炉开始加热。同时打开计算机进行数据采集，此时各仪器会将监测到的反应器内的温度、压力及产出气体浓度数据传输到计算机上。

在温度变化趋势曲线中，每个时间点的斜率即为该时间点的温度变化率，气体浓度与实验样品转换率之间的存在着对应关系，根据某种气体浓度便可以知道实验样品的转换率，本文为通过测量CO₂浓度从而获知实验样品的转换率，在转换率变化趋势曲线中，每个时间点的斜率即为该时间点的转换率变化率。

步骤5、将每个时间点的该温度变化率和该转换率变化率带入公式：将每个时间点的该温度变化率和该转换率变化率带入以下公式：

$\ln \left(\frac{\mathrm{\βd\α}}{\mathrm{dT}}\right)=\ln \left[\mathrm{Af}\left(\mathrm{\α}\right)\right]-\frac{E}{\mathrm{RT}}---\left(3.6\right)$

采用最小二乘法，拟合出活化能变化曲线，

在该公式中：β为加热速率，单位为℃/min；dα为转换率变化率；dT为温度变化率；A为指前因子；E为活化能，单位为kJ/mol；R为普适气体常量，为8.314kJ/(mol×K)；T为温度，单位为℃；ln[Af(α)]为固定值；

为了便于理解，现对求活化能的过程进一步说明：

公式(3.6)的形式可以看做是一条直线的表达式，如Y＝b-aX，相对于Y，ln[Af(α)]相对于b，相对于a，活化能E是未知量，将步骤4中每个时间的温度(公式3.6中的T)、温度变化率(公式3.6中的dT)和转化率变化率(公式3.6中的dα)带入公式(3.6)，β为加热速率在步骤3中确定。在获得了至少两个时间的数据后，采用最小二乘法，便可以拟合出活化能变化曲线，相对于确定了“Y＝b-aX”。根据dT和dα与温度之间的关系，通过Matlab程序计算出每个温度所对应的一个活化能E。

步骤6、加热的处理。

6.1、当温度达到600℃后，关闭温度控制器(或者直接利用温度控制器上的降温程序段控制炉子的降温过程)，打开炉子上的保温盖开始降温，然后关闭气阀及气体分析仪，保存数据。

6.2、待燃烧池冷却至温度较低时，将燃烧池从加热炉内取出，旋开顶盖，将其中的砂杯取出，观察燃烧后的剩余物形态。

在步骤5中，转换率变化率dα的单位为％；温度变化率dT的单位为％；指前因子A无单位；

以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种燃烧池实验装置，其特征在于，所述燃烧池实验装置包括燃烧池池体(2)，燃烧池池体(2)为一端封闭的筒形，燃烧池池体(2)的开口端密封连接有燃烧池端盖(3)，燃烧池端盖(3)上设有第一通孔(31)，燃烧池池体(2)的封闭端设有第二通孔(21)，燃烧池池体(2)的封闭端内设有用于防止砂粒进入第二通孔(21)的过滤装置(10)。

2.根据权利要求1所述的燃烧池实验装置，其特征在于：燃烧池池体(2)为圆筒形，燃烧池池体(2)的长度为95mm～98mm，燃烧池池体(2)的内径为21mm～21.5mm，燃烧池池体(2)的壁厚为6mm～6.5mm。

3.根据权利要求1所述的燃烧池实验装置，其特征在于：燃烧池池体(2)和燃烧池端盖(3)的材质为不锈钢，燃烧池池体(2)和燃烧池端盖(3)的内表面均设有防氧化涂料层。

4.根据权利要求1所述的燃烧池实验装置，其特征在于：过滤装置(10)包括上套筒(101)和下套筒(102)，上套筒(101)的下端套设在下套筒(102)内，上套筒(101)的下端通过过滤筛网(103)与下套筒(102)下端的环形筒底(103)抵接，环形筒底(103)的内孔的位置与第二通孔(21)的位置相对应。

5.一种能够测定活化能的实验装置，其特征在于：该能够测定活化能的实验装置含有权利要求1～4中任意一项所述的燃烧池实验装置，该能够测定活化能的实验装置还含有加热炉(1)、数据采集及录入单元(12)、数据处理单元(13)、气体分析装置(15)和气源(17)；

该燃烧池实验装置设置在加热炉(1)内，加热炉(1)连接有用于监测和控制加热炉(1)内温度的第一温度监测及控制单元(11)，数据采集及录入单元(12)能够收集加热炉(1)内和该燃烧池实验装置内的温度数据以及气体分析装置得到的气体浓度数据，数据处理单元(13)和数据采集及录入单元(12)连接，气体分析装置(15)与第一通孔(31)连接，气源(17)与第二通孔(21)连通。

6.根据权利要求5所述的能够测定活化能的实验装置，其特征在于：加热炉(1)还连接有用于监测和控制加热炉(1)内温度的第二温度监测及控制单元(14)。

7.根据权利要求5所述的能够测定活化能的实验装置，其特征在于：燃烧池端盖(3)外设有三通(5)，三通(5)的第一接口与第一通孔(31)密封连接，数据采集及录入单元(12)包括用于测量加热炉(1)内温度的第一温度传感器(121)和用于测量该燃烧池实验装置内温度的第二温度传感器(6)，第二温度传感器(6)的一端穿过三通(5)的第二接口和该第一接口设置在燃烧池池体(2)内，燃烧池池体(2)内与三通(5)的第三接口连通。

8.根据权利要求7所述的能够测定活化能的实验装置，其特征在于：气体分析装置(15)通过过滤装置(16)与三通(5)的该第三接口连接，过滤装置(16)包括依次连接的集液器、砂滤器和气体净化器，该集液器与该第三接口连接，该气体净化器与气体分析装置(15)连接。

9.根据权利要求5所述的能够测定活化能的实验装置，其特征在于：气源(17)依次通过流量控制装置(18)和气体流量计(19)与第二通孔(21)连通。

10.一种测定活化能的测量方法，其特征在于：该测定活化能的测量方法采用了权利要求5～9中任意一项所述的能够测定活化能的实验装置，该测定活化能的测量方法包括以下步骤：

步骤1、准备实验样品；

步骤2、将该实验样品装入该燃烧池实验装置，检查该能够测定活化能的实验装置的连接状况；

步骤3、设定加热炉(1)的加热温度和加热时间，确定加热速率，设定气源(17)的供气流量；

步骤4、加热炉(1)开始加热，在多个时间点，数据采集及录入单元(12)测量该燃烧池实验装置内的温度并且气体分析装置(15)测量气体浓度，根据时间与该温度的关系制作温度变化趋势曲线，得到每个时间点的温度变化率，根据气体浓度与实验样品转换率之间的关系确定实验样品的转换率，根据时间与该转换率之间的关系制作转换率变化趋势曲线，得到每个时间点的转换率变化率；

步骤5、将每个时间点的该温度变化率和该转换率变化率带入以下公式：

$\ln \left(\frac{\mathrm{\βd\α}}{\mathrm{dT}}\right)=\ln \left[\mathrm{Af}\left(\mathrm{\α}\right)\right]-\frac{E}{\mathrm{RT}}$

采用最小二乘法，拟合出活化能变化曲线，

在该公式中：β为加热速率，单位为℃/min；dα为转换率变化率；dT为温度变化率；A为指前因子；E为活化能，单位为kJ/mol；R为普适气体常量，为8.314kJ/(mol×K)；T为温度，单位为℃；ln[Af(α)]为固定值；

根据该活化能变化曲线，得到每个温度下的活化能。