CN109030272B - 一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统 - Google Patents

一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，包括气路单元、流化床反应器单元和数据采集单元，气路单元用于实现气固反应的进气气路和出气气路，其特征在于：在流化床底部放置重量传感器，用于获取反应过程中整个流化床的质量变化。本发明率先提出使用重量传感器测量流化床反应器整体质量，从而根据质量变化得到流化床条件下的气固反应动力学的方法，并通过实验验证，证明了该方法的可行性。相比于传统的微型流化床，使用实时的无失真的重量信号作为原始信号，可以避免由于气体混合扩散造成的气体信号测量失真现象。

Description

一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析 系统
技术领域
本申请涉及气固反应动力学精确测量领域，特别地涉及一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统。
背景技术
能源化工环境以及冶金等领域存在着大量的气固反应，比如碳酸钙的受热分解/氧化钙的碳酸化、煤的热解以及气化、干法脱硫过程、矿石的还原等。对气固反应动力学的精确测量不仅具有重要的科学意义，能解释自然规律，还具有重要的实际工程意义，能指导反应器设计与优化、工业装置的稳定运行。气固反应动力学的测量，目前主流的分析方法是热重分析法和流化床分析法。热重分析依靠反应样品的实时质量变化来得到反应过程动力学特性，具有信号精度高、稳定性好等优点，目前已经广泛商业化和系统化。但是热重分析法也具有很明显的缺陷：在热重分析法中，固体物料处于堆积状态，导致反应气体和固体的接触不够充分，因此气固反应过程受到传质的干扰十分严重。除此之外，热重分析装置的升温速率与实际工业过程相差很大。因此，从传质和传热的角度来看，热重分析法无法模拟真正的反应条件，无法精确测量气固反应动力学。相比于热重分析法，流化床分析法具有良好的传热传质特性，流化床中床料颗粒和样品颗粒之间的相对运动十分剧烈，为传热和传质创造了良好的条件，能提供快速的升温速率以及良好的等温反应条件。因此，流化床分析法在气固反应分析领域得到了广泛应用。目前的流化床分析法均采用反应器出口气体浓度作为原始信号来反演气固反应动力学特性。这种方法存在缺陷，气体在流化床内存在返混和组分轴向扩散，在流化床出口到气体分析仪进口的管路中也存在轴向扩散，因此气体分析仪最终得到的气体浓度信号是失真的信号，气固反应的真实反应动力学由于上述过程的干扰而失真。
发明内容
针对气固反应动力学准确测量存在的问题，以及现有技术如热重分析和流化床分析均存在的固有缺陷，本发明提供一种能够实时获取流化床内固体颗粒质量，从而得到流化床条件下准确的气固反应动力学的实时测量系统。
具体地，本发明提出一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，包括气路单元、流化床反应器单元和数据采集单元，气路单元用于实现气固反应的进气气路和出气气路，其特征在于：在流化床底部放置重量传感器，用于获取反应过程中整个流化床的质量变化。
进一步，流化床为单流化床，外径为30mm。
进一步，流化床反应器采用管式电阻炉加热，其炉体恒温区的长度为120mm。
进一步，流化床反应器床料的主要组成部分为石英砂。
进一步，石英砂的质量为10g。
进一步，流化床反应器中固体反应物颗粒相对石英砂质量较少。
进一步，固体反应物颗粒的质量为50mg-100mg。
进一步，热电偶直接接触流化床反应器的床层测量反应温度。
进一步，差压传感器用于检测流化床反应器的床层压差。
进一步，气路单元与流化床反应器单元的连接方式需对重量传感器不造成影响。
进一步，数据采集单元把对流化床反应器测量的信号传递至计算机，从而对流化床内气固反应数据进行实时分析和调控。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明率先提出使用重量传感器测量流化床反应器整体质量，从而根据质量变化得到流化床条件下的气固反应动力学的方法，并通过实验验证，证明了该方法的可行性。
本发明相比于热重分析仪，拥有强传热传质的流态化条件，可以弥补热重分析仪中传热和传质的不足，从而得到更准确的气固反应特性。
本发明相比于传统的微型流化床，使用实时的无失真的重量信号作为原始信号，可以避免由于气体混合扩散造成的气体信号测量失真现象。
附图说明
图1为本发明的一种用于气固反应动力学精确测量的流化床热重分析系统结构图；
图2为本发明的系统中，当流化床中气速变化时重量传感器中测量的质量变化趋势图；
图3为本发明的系统中，当加入已知质量的扰动后，重量传感器的质量变化趋势图。
图1中：1-计算机；2-温度变送器；3-热电偶；4-管式电阻炉；5-布风板；6-流化床；7-重量传感器；8-差压传感器；9-阀门；10-过滤器；11-尾气处理；12-通风设备；13-质量流量计；14-减压稳压阀；15-气源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及案例，对本发明进行进一步详细说明。
本发明提出了一种用于气固反应动力学精确测量的流化床热重分析系统，如图1所示，本发明的系统包括气路单元、流化床反应器单元和数据采集单元。
气路单元包括依次连接的气源15、减压阀14、流量计13、过滤器10、尾气处理11和通风设备12。用于实现气固反应的进气气路和出气气路。气源15用于提供反应气体和惰性气体。
流化床反应器单元为本系统的核心。流化床6为单流化床，其外径为30mm，布风板5厚度为5mm。反应器采用管式电阻炉4加热，其炉体恒温区的长度为120mm，因此能保证整个床层的恒温。流化床中固体反应物颗粒置于布风板5上，且处于鼓泡床流化状态。石英砂是床料的主要组成部分，质量为10g左右，石英砂用于建立流态化和维持床层恒温。固体反应物颗粒相对石英砂而言质量较少，为50mg到100mg。较少质量的固体反应物颗粒在气固反应过程中产生的热效应不会对床层温度产生较大影响。在流化床6的底部放置重量传感器7，用于获取反应过程中整个流化床的质量变化，从而代替传统流化床反应器使用的尾部气体浓度信号。热电偶3直接接触床层测量反应温度。除此之外，差压传感器8用于检测床层压差，确保固体反应物颗粒在反应过程中始终保持流态化。
气路单元与反应器单元的连接方式需对重量传感器不造成影响。
数据采集单元将温度变送器2、重量传感器7和差压传感器8中的信号传递至计算机，从而可对流化床内气固反应数据进行实时分析和调控。
下面以石油焦颗粒的燃烧反应为例，说明本发明系统的工作过程。
系统工作前，将床料(石英砂)放置于布风板上，将热电偶放入流化床中。将气源、减压稳压阀、质量流量计、阀门等依次连接，并接入流化床，作为进口气体。将阀门、过滤器、尾气处理、通风设备依次连接，接入流化床气体出口。将温度变送器、差压传感器、重量传感器分别接入计算机，等待数据采集。设定好管式电阻炉的控温程序，设定好质量流量计的数值。
启动管式电阻炉并打开阀门通入气体。在惰性气氛下将流化床加热至反应温度。通过计算机上显示的温度和压力信号，确认温度已经稳定，并且流化床处于正确的流态，此时重量传感器的显示重量也保持不变。从流化床的上部加入已知质量的固体反应物颗粒，并等待重量传感器示数稳定。利用阀门切换气体，将惰性气体切换为反应气体，并同时记录好重量、温度、压力随时间变化的信号。实时变化的重量信号能精确地反映固体反应物颗粒在反应中的质量变化，据此可以计算出石油焦颗粒燃烧的反应动力学参数。
通过该发明，即流化床热重分析方法，可以得到流化床条件下固体颗粒反应产生的质量变化，进而通过分析得到流化床条件下的气固反应动力学。
附图2为当流化床中气速变化时，重量传感器中测量的质量变化，此时流化床中没有反应发生。由图2中数据可以看出，当气速从0增大到8倍最小流态化速度时，质量变化基本为0mg。该数据可以说明，当没有反应发生时，重量传感器测量的重量保持稳定。
附图3为向加入已知质量的扰动，重量传感器的质量变化。从数据可以看出，扰动能迅速地被重量传感器捕捉到。因此，当流化床中发生反应时，产生的质量变化能被快速准确地记录下来。
本发明适用于各类气固反应动力学特性的测试，包括但不限于燃料热解燃烧和气化、金属氧化物的氧化还原、二氧化碳吸附和解吸附、干法脱硫等反应过程。上述的举例为本发明的部分案例，不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应受本发明的保护。

Claims (7)

1.一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，包括气路单元、流化床反应器单元和数据采集单元，所述气路单元用于实现气固反应的进气气路和出气气路，其特征在于：在所述流化床反应器单元的流化床底部放置重量传感器，整个流化床放置于所述重量传感器之上，用于获取反应过程中整个流化床的质量变化；热电偶直接接触所述流化床的床层测量反应温度；差压传感器用于检测所述流化床的床层压差；所述流化床中固体反应物颗粒和作为床料颗粒的石英砂置于布风板上，且处于鼓泡床流化状态，所述固体反应物颗粒相对石英砂而言质量较少，较少质量的固体反应物颗粒在气固反应过程中产生的热效应不会对床层温度产生较大影响。
2.根据权利要求1所述的一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，其特征在于所述流化床为单流化床，外径为30mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，其特征在于，所述流化床反应器采用管式电阻炉加热，其炉体恒温区的长度为120mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，其特征在于，所述石英砂的质量为10g。
5.根据权利要求1所述的一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，其特征在于，所述固体反应物颗粒的质量为50mg-100mg。
6.根据权利要求1所述的一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，其特征在于，所述气路单元与所述流化床反应器单元的连接方式需对所述重量传感器不造成影响。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种用于气固反应动力学实时精确测量的流化床热重分析系统，其特征在于，所述数据采集单元把对所述流化床反应器测量的信号传递至计算机，从而对所述流化床内气固反应数据进行实时分析和调控。
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