CN108007809A - 一种快速升温宽量程热重分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速升温宽量程热重分析仪，包括称重系统、反应系统、加热系统和控制系统，称重系统包括基座柜和电子天平，反应系统包括样品支架、装样金属网、高温刚玉管和用于测量样品温度的热电偶，加热系统包括自动升降装置、冷却水保护装置、下隔热层、高温加热炉、上隔热层和密封盖；控制系统用于控制进气量、冷却水保护装置通水量、高温加热炉的炉温及升降，并实时记录样品质量、样品温度、进气量和通水量数据。本发明的热重分析仪堆积效应小、贴近实际工况、电子天平稳定、可实现高温的快速升温，可以实现宽量程样品等温法测量的质量和温度数据准确、稳定，具有误差小、操作方便、结构简单等优点。

Description

一种快速升温宽量程热重分析仪

技术领域

本发明涉及样品分析仪器领域，具体涉及一种快速升温宽量程热重分析仪。

背景技术

热重分析仪是在程序控温下测量物质质量随温度变化的一种热分析仪器。热重分析仪用传感器测试样品质量随时间变化，测试时间间隔很短，在单位时间可取得较多数据，适于质量变化的热反应实验研究，已广泛应用于化工、能源、材料、环境、工程等领域。当前，热重分析仪常规的使用方法是等温热重和程序升温速率热重实验法(非等温法)。程序升温热重法利用程序设定升温速率和起始温度，从起始温度就反应直到程序设定终温结束，仅适用于研究化学反应的本征特性，但不能模拟真实工业环境从而反映实际反应过程(例如煤热解气化，城市生活垃圾焚烧等)；等温热重法是先把温度升到预定温度，然后在此温度条件下恒温一段时间，但受加热速率限制(不超过100℃/min)，样品在升温过程中可能已经发生反应而引起误差。另外，由于热重动力学研究法试样用量少(数毫克)，对于均匀性较差的环境试样(如原煤、城市生活垃圾)不具备代表性。

发明专利(ZL201310743474.0)公开了一种克级物料热重与产气特性研究实验装置，该发明采用坩埚装置克级物料，致使堆积效应严重(温度分布不均，局部温度过高，气流扩散限制作用显著)；利用升降铂金架将反应管及管内悬挂于金属丝挂钩上的坩埚一起下降放入加热炉内从而实现瞬时升温，坩埚的振动必将影响电子天平的稳定读数，产生较大的系统误差。

发明专利(ZL201410019356.X)公开了一种用于大试样测试的热重反应器，该发明所用吊篮为耐高温刚玉材料制成的空心旋转体，且空心旋转体的纵截面呈抛物线形、侧壁具有均匀分布的孔洞，但刚玉硬度很高，仅次于钻石，因此网篮制造困难；同样的，安装在密封箱内的称重传感器下端通过穿入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，通过活动支撑臂将高温反应器的内管下放到加热炉内实现升温的过程中，吊杆和吊篮的振动也将影响称重传感器的稳定读数，产生系统误差。

另外，上述发明共同存在的问题：通过升降，加热炉先加热反应管，再通过气体传热加热样品，样品温度稳定时间长，很难达到瞬时升温的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种堆积效应小，电子天平稳定，贴近实际工况的快速升温宽量程热重分析仪。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种快速升温宽量程热重分析仪，包括称重系统、反应系统、加热系统和控制系统，其中：

所述称重系统包括基座柜和电子天平，电子天平设置在基座柜内，基座柜侧面设有两个对称的进气管；

所述反应系统包括样品支架、装样金属网、高温刚玉管和用于测量样品温度的热电偶，高温刚玉管下端安装在基座柜顶面，样品支架位于高温刚玉管中，其伸出高温刚玉管的上端与装样金属网连接，下端和电子天平连接；

所述加热系统包括自动升降装置、密封盖、上隔热层、高温加热炉、下隔热层和冷却水保护装置，高温加热炉安装在自动升降装置上，上隔热层、高温加热炉、下隔热层和冷却水保护装置依次连接，并在轴向形成上、下贯通的反应通道，密封盖可拆卸地安装在上隔热层上，其上设有出气管，所述高温刚玉管上端与该反应通道活动密封连接，下端与基座柜连通；

所述控制系统用于控制进气管的进气量、冷却水保护装置的通水量、高温加热炉的炉温及自动升降装置的升降，并实时记录样品的质量、样品的温度、进气量和通水量数据。

优选地，所述样品支架包括依次连接的底座、支撑杆和铂金架，所述电子天平和底座连接，所述装样金属网放置在铂金架上，所述热电偶设置在支撑杆内部的空腔中，测点紧贴铂金架。

优选地，所述装样金属网包含四层金属网，上层金属网的目数为200目，中间两层金属网的目数为50-200目，底层金属网的目数为200目，各金属网的周边还设有相互扣合的爪结构，采用高温合金或铂金制成。

优选地，所述高温加热炉采用大功率硅碳棒加热，最高工作温度1500℃，加热时，高温加热炉的中心加热区域正对装样金属网；非加热时，冷却水保护装置中心区域正对着装样金属网，保护样品免受高温影响，同时保护缓冲垫。

优选地，所述密封盖上还设有采气管，该采气管下端呈倒漏斗形，且当高温加热炉对装样金属网上的样品加热时，其下端正好位于装样金属网上方。

优选地，所述反应系统还包括设置在基座柜顶面的下缓冲垫，所述加热系统还包括设置在冷却水保护装置底面的上缓冲垫。在高温加热炉下降时缓冲对基座柜的撞击，从而消除电子天平的振动，同时缓冲垫紧贴高温刚玉管，具有辅助密封作用。

本发明具有如下优点：

1、本发明的装样金属网可增大样品与气流接触面积，减小样品的堆积效应，扩大热重分析仪的量程，满足均匀性差或大粒径样品的测试需求。

2、本发明的装样金属网直接暴露于高温加热炉中，通过高温加热炉的辐射与对流耦合加热样品，实现快速升温，更贴近实际工况，满足等温法测试的各种反应，扩展热重分析仪的应用范围。

3、本发明的采气管实现对样品表面原位采样，减少气体信号浓度失真。

4、本发明采用大功率硅碳棒加热的高温加热炉，满足高温煤气化等测试对温度的特殊要求。

5、本发明通过反应系统和加热系统的缓冲垫缓解高温加热炉下降对基座柜的撞击，消除电子天平的振动，从而准确、稳定地获得质量数据。

附图说明

图1是本发明的快速升温宽量程热重分析仪的结构示意图。

附图标记说明：

1-称重系统，11-基座柜，12-电子天平，13-进气管；

2-反应系统，21-下缓冲垫，22-高温刚玉管，23-热电偶，24-底座，25-支撑杆，26-铂金架，27-装样金属网；

3-加热系统，31-自动升降装置，32-上缓冲垫，33-冷却水保护装置，34-下隔热层，35-高温加热炉，36-上隔热层，37-密封盖，38-出气管，39-采气管；

4-控制系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

如图1所示，本发明的快速升温宽量程热重分析仪包括称重系统1、反应系统2、加热系统3和控制系统4。称重系统1用于实时称量样品质量，向反应系统2通入保护气或反应气，同时作为整个热重分析仪的支撑；反应系统2用于放置样品，并测量样品温度；加热系统3用于加热样品，排放气体产物，并可自动升降；控制系统4用于实时监控调节进气量、通水量和炉温，并采集分析质量和温度数据。通过上述各个系统的相互配合，可实现宽量程样品快速升温实验的质量和温度的测量，适用于需要等温法测量的各种反应，具有误差小、操作方便、结构简单等优点。

称重系统1包括基座柜11和电子天平12。电子天平12放在基座柜11内，电子天平12的量程0-100g，精度1mg；基座柜11上设置两个对称的进气管13，可连续向反应系统通入保护气或反应气；进气管13对称设置是为了减少气流对电子天平12的影响。

反应系统2包括下缓冲垫21、高温刚玉管22、热电偶23、样品支架和装样金属网27。缓冲垫21安装在基座柜11顶面，基座柜11顶面还设有用于安装高温刚玉管22的通孔，反应系统2通高温刚玉管22与称重系统1连接，连接处安装密封圈。样品支架包括底座24、支撑杆25和铂金架26；铂金架26是用铂金制成的四爪托架，安装在支撑杆25顶部，高于高温刚玉管22；支撑杆25为空心结构，中间放置用于测量样品温度的热电偶23，其测点紧贴铂金架26；支撑杆25通过底座24安装在电子天平12上。装样金属网27包含四层金属网，从下往上，第一层的目数为200目，第二、三层可选50-200目，第四层为200目；在每两层金属网之间平铺样品后，利用金属网周边的爪将金属网相互扣紧，放置在铂金架26上，爪的具体结构采用现有技术；当样品温度<1200℃时，选用高温合金金属网，当样品温度>1200℃时，选用铂金金属网。装样金属网27既使样品被固定，又让样品平铺，尽可能增大样品与气流接触面积，减小了样品的堆积效应。

加热系统3包括自动升降装置31、上缓冲垫32、冷却水保护装置33、下隔热层34、高温加热炉35、上隔热层36和密封盖37。自动升降装置31呈∏形，高温加热炉35固定在中间，用于垂直移动高温加热炉35及其它部件。高温加热炉35采用大功率硅碳棒加热，最高工作温度可达1500℃，高温加热炉部35的上部和下部是由隔热材料制成的上隔热层36和下隔热层34，下隔热层34连接冷却水保护装置33，冷却水保护装置33底部连接上缓冲垫32。上隔热层36加可拆卸的密封盖37，选用石墨垫圈密封，密封盖37上安装出气管38，密封盖37和出气管38由耐高温不锈钢制成，密封盖37圆心处安装采气管39，采气管39由耐高温石英材质制成，下端呈倒漏斗形。上隔热层36、高温加热炉35、下隔热层34、冷却水保护装置33和上缓冲垫32的轴向形成上、下贯通的反应通道，高温刚玉管22上端与该反应通道活动密封连接，下端和基座柜11连通。

当高温加热炉35下降时，加热中心区域正好对着装样金属网27，样品被辐射与对流耦合加热，最高升温速率>100℃/s，使实验结果更贴近实际情况，此时采气管39下端也正好位于装样金属网27上方，实现原位采样，减少气体信号浓度失真，同时采气管39还可连接质谱仪或红外色谱仪，实时分析气体产物组成。当冷却水保护装置33上升时，中心区域正好对着装样金属网27，有利于从称重系统1来的冷气流将热气流向上推至出气管38，保护样品免受高温影响，同时保护上缓冲垫32。反应系统2的下缓冲垫21和加热系统3的上缓冲垫32，在高温加热炉35下降时缓冲对底座柜11的撞击，从而消除电子天平12的振动，同时缓冲垫紧贴高温刚玉管22，具有辅助密封作用。

控制系统4用于控制进气管13的进气流量、冷却水保护装置33的通水量、高温加热炉35的炉温和自动升降装置31的升降，并利用计算机实时记录样品质量、样品温度、进气量和通水量数据。控制系统4可利用现有的PLC控制模块配合温控器和流量计实现，温控器、流量计分别检测高温加热炉35的温度、进气管13的进气流量、冷却水保护装置33通水量，并将数据传输至PLC控制模块，随后，PLC控制模块根据所接收的数据对高温加热炉35、进气量、通水量进行控制。同时，将高温加热炉35的温度、样品温度、样品质量、进气量、通水量的数据传输给计算机记录。

利用本发明的快速升温宽量程热重分析仪对煤颗粒样品进行等温气化实验，具体步骤如下：

1)调节基座柜11使热重分析仪水平，控制自动升降装置31使加热系统3处于上升位置；

2)选用两张200目和两张100目铂金金属网，将20g煤(粒径>150μm)平铺在金属网之间，并利用金属网周边的爪将金属网相互扣紧，放置在铂金架26上；

3)加上石墨垫圈，安装密封盖37，关闭出气管38和采气管39，通过进气管13通入一定量保护气后停止进气，检漏；

4)待电子天平12稳定后，打开出气管38和采气管39，冷却水保护装置33通入冷却水，通过进气管13通入反应气体，打开高温加热炉35，设定气化温度(1500℃)和恒温时间(15min)；

5)达到设定温度后稳定3min，关闭出气管38，通过自动升降装置31将高温加热炉35快速稳定地降至装样金属网27所在高度，对样品进行加热，并开始记录样品质量、样品温度数据；

6)待热重曲线基本保持稳定，终止采集，保存数据。

如此，通过本发明的快速升温宽量程热重分析仪可以实现宽量程样品等温法测量的质量和温度数据准确、稳定，具有误差小、操作方便、结构简单等优点。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种快速升温宽量程热重分析仪，包括称重系统、反应系统、加热系统和控制系统，其特征在于：

所述称重系统包括基座柜和电子天平，电子天平设置在基座柜内，基座柜侧面设有两个对称的进气管；

所述反应系统包括样品支架、装样金属网、高温刚玉管和用于测量样品温度的热电偶，高温刚玉管下端安装在基座柜顶面，样品支架位于高温刚玉管中，其伸出高温刚玉管的上端与装样金属网连接，下端和电子天平连接；

所述加热系统包括自动升降装置、密封盖、上隔热层、高温加热炉、下隔热层和冷却水保护装置，高温加热炉安装在自动升降装置上，上隔热层、高温加热炉、下隔热层和冷却水保护装置依次连接，并在轴向形成上、下贯通的反应通道，密封盖可拆卸地安装在上隔热层上，其上设有出气管，所述高温刚玉管上端与该反应通道活动密封连接，下端和基座柜连通；

所述控制系统用于控制进气管的进气量、冷却水保护装置的通水量、高温加热炉的炉温及自动升降装置的升降，并实时记录样品的质量、样品的温度、进气量和通水量数据。

2.根据权利要求1所述的快速升温宽量程热重分析仪，其特征在于，所述样品支架包括依次连接的底座、支撑杆和铂金架，所述电子天平和底座连接，所述装样金属网放置在铂金架上，所述热电偶设置在支撑杆内部的空腔中，测点紧贴铂金架。

3.根据权利要求1所述的快速升温宽量程热重分析仪，其特征在于，所述装样金属网包含四层金属网，上层金属网的目数为200目，中间两层金属网的目数为50-200目，底层金属网的目数为200目，各金属网的周边还设有相互扣合的爪结构。

4.根据权利要求1所述的快速升温宽量程热重分析仪，其特征在于，所述高温加热炉采用大功率硅碳棒加热，最高工作温度1500℃。

5.根据权利要求1所述的快速升温宽量程热重分析仪，其特征在于，所述密封盖上还设有采气管，该采气管下端呈倒漏斗形，且当高温加热炉对装样金属网上的样品加热时，其下端正好位于装样金属网上方。

6.根据权利要求1所述的快速升温宽量程热重分析仪，其特征在于，所述反应系统还包括设置在基座柜顶面的下缓冲垫，所述加热系统还包括设置在冷却水保护装置底面的上缓冲垫。