CN204008447U - 一种基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置。该装置包括隔热的外壳和底座，温控装置、反射镜组、旋转夹具台和通气结构。温控装置、反射镜组、旋转夹具台都安装在底座上，并安置在隔热外壳内部，其中温控装置探测并控制装置内部的温度，反射镜组能够转折光路，旋转夹具台能改变反应物位置，使得反应物移动到探测光路中，通气结构能探测装置内部气压，向装置内充入气体，也可将装置中反应生成的气体抽出。该装置能够利用太赫兹光谱对热解反应进行跟踪，通过分析太赫兹光谱获取热解反应信息。

Description

一种基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置

技术领域

本实用新型是关于油页岩的热解跟踪装置，尤其涉及一种基于太赫兹光谱分析技术的油页岩热解跟踪装置，能够对油页岩热解反应的固体变化情况进行实时检测。

背景技术

热解反应是一类重要的化学反应，在科学研究、化学工业都有重要的应用。利用热解反应可以研究固体反应物的物理、化学性质，这有助于判别反应物在反应过程中所处的状态，也有助于理解反应物的成份、组成。

油页岩是由有机物和无机矿物质构成的可燃性有机岩石，其有机物以干酪根的形式存在，热解油页岩是获得页岩油和研究油页岩组成成分的重要手段。

动力学分析是研究热解反应的传统方法之一，通过热解实验获取动力学参数进而建立模型，从而在理论上模拟和分析反应过程。这种方法需要借助专门的热天平来完成，通过测定物质质量与时间的关系(TG曲线)，可以求解得到热力学参数，因此又被称为热重分析法。热重分析法的缺点主要在于影响因素多，试样量、试样皿、气氛、升温速率、挥发物冷凝、浮力等都会对TG曲线产生影响。此外XRD(X射线衍射)法也是研究热解反应的传统手段之一，但由于射线能量高，容易对样品结构造成损坏。SEM扫描电镜法也是研究物质结构的传统手段之一，也可以用来研究油页岩的热解反应，但是SEM需要对样本做处理，保证样本表面导电，否则无法对油页岩热解反应的过程实现跟踪。

太赫兹波(THz)是介于红外和微波之间的波段，具有较低的光子能量(1THz对应的光子能量为4.14meV)，与X射线衍射技术相比较，太赫兹波不会因为电离而造成样品的损坏。太赫兹波脉冲具有皮秒级脉宽(一皮秒等于10^-12秒)，可以利用它对各种有机生物分子进行时间分辨的研究(时间分辨的研究就是指研究物质随时间变化的过程，即研究物质在一个时间段内各个时间点的状态)。而油页岩官能团分子振动的时间量级为是10^-9—10^-15s，因此可以利用太赫兹时域光谱技术捕捉油页岩热解时官能团化学键断裂生成自由基及其稳定聚合的特性，基于太赫兹波脉冲的这种特性，可以弥补X射线所不能捕捉到的官能团瞬间变化特性。

由于目前缺少相关装置将热解反应物与太赫兹光谱分析有效结合起来，太赫兹光谱技术应用于热解反应研究有较大困难。基于此种状况，申请人提出一种基于太赫兹光谱技术的油页岩热解跟踪装置，能够在热解油页岩的同时允许太赫兹波透过固体反应物，以实现利用太赫兹光谱技术跟踪热解反应进程。

发明内容

本实用新型提出一种基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，将太赫兹光谱分析技术应用到热解反应的研究领域，用太赫兹时域信号跟踪热解固体的变化，捕捉热解产物在皮秒量级的超快动态运动过程，通过太赫兹时域信号的强度及相位变化表征油页岩结构变化的动力学特征。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，包括一隔热密闭的箱体，在箱体的两相对的侧壁上，开设有两个供太赫兹波射入、射出的太赫兹透射窗；一旋转夹具台，通过转轴设置在箱体内，旋转夹具台上设置有样品槽，槽中样品随旋转夹具台的摆动而摆动；一反射镜组，由四面反射镜组成，布置在箱体内，摆放的位置关系满足：从一个太赫兹透射窗入射的太赫兹波，在四面反射镜的反射下形成∝形光路，对摆动的样品往返两次透射，最终从另一个太赫兹透射窗射出；还包括一控制箱体内温度的温控装置，和一控制箱体内气压的通气装置。

所述箱体底部设置有旋转轴孔，所述旋转夹具台包括所述旋转轴和一摆臂，旋转轴通过轴承套设在所述旋转轴孔中，旋转轴上安装一组正交的齿轮组，齿轮轴伸出箱体侧壁，在齿轮轴上安装一旋钮，摆臂固定套设在旋转轴上，摆臂的一端设置有所述的样品槽。

所述两个太赫兹透射窗，由单晶硅材质做成，且这两个透射窗的表面平行。

所述四面反射镜插设在箱体底部的插槽中，反射面与水平面垂直，具体位置关系是：第一反射镜、第二反射镜分别侧对两个太赫兹透射窗但倾斜方向相反，反射面与太赫兹透射窗平面的夹角均为锐角α；第三、第四反射镜与第一、第二反射镜两两为一组分置于旋转夹具台的两侧；第三反射镜与第二反射镜倾斜方向相同，但第三反射镜的反射面与箱体侧壁的夹角为180°-β，其中β＝90°-α，且β<45°；第四反射镜与第一反射镜倾斜方向相同，但第四反射镜的反射面与箱体侧壁的夹角为180°-β，其中β＝90°-α，且β<45°。

所述两个太赫兹透射窗位于箱体的同一横截面上。

所述温控装置包括热电偶、显示装置、电热丝、电位器，热电偶通过测量电路与显示装置电连接，热电偶探测端顶在样品的一侧，电位器与电热丝串联在测量电路中，电热丝布设在样品槽的周围夹层中。

所述通气装置包括连通于箱体内部的进气分析管和出气管，还有压力表；进气管连接N₂或Ar₂气瓶，出气管连接到废气收集装置，管上设置有减压阀，压力表探测端伸入在箱体里部。

所述反射镜采用表面抛光的不锈钢材质的平面镜。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型可以将热解反应和太赫兹光谱技术紧密联系起来，可以在热解反应的过程中利用太赫兹光谱仪实时跟踪反应进程。以往的装置只能单独进行热解反应，无法与光路衔接实现光谱测量，或者可以进行太赫兹光谱测量但无法同时进行热解反应，本实用新型的设计克服了以往装置的缺陷。2、本实用新型结构简单、使用方便，能够较精确地实现固体反应物同一点的正反向透射测量，便于更全面地研究反应物质的结构和反应状态。

附图说明

以下附图在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围，其中：

图1为本实用新型跟踪装置的立体外观视图；

图2为本实用新型跟踪装置去除上盖露出内部结构的立体视图；

图3为底座的俯视图；

图4为旋转夹具台的结构示意图；

图5为反应反射镜组的安装以及光路的示意图；

图5-1为夹具台旋转光线从样品正面穿过的示意图；

图5-2为夹具台旋转光线从样品反面穿过的示意图；

图中，1-箱体、2-旋转夹具台、3-反射镜组、4-温控装置、5-通气装置、11-底座、12-上盖、13-螺钉、14-太赫兹入射窗、15-太赫兹出射窗、16-旋转轴孔、17-反射镜插槽、18-隔热的夹层、21-旋转轴、22-摆臂、23-样品槽、24-卡槽、25-通孔、31-第一反射镜、32-第二反射镜、33-第三反射镜、34-第四反射镜、51-进气管51、52-出气管、53-气瓶、54-收集装置54、55-压力表探测端。

具体实施方式

为了对本实用新型的目的、技术方案和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本跟踪仪的具体实施方式进行详细的描述。

如图1～3所示，一种基于太赫兹光谱技术的油页岩热解固体跟踪装置，用途在于为太赫兹时域光谱仪提供配套的测试装置，能够利用太赫兹光谱技术对热解反应的进程进行跟踪。该热解跟踪仪包括一箱体1、旋转夹具台2、反射镜组3、温控装置4和通气装置5。

在实施例中，箱体1为长方体形(正方体也可以)，由底座11和上盖12组成，都由隔热、遮光的刚性材料做成，底座11为一立方体无盖盒子，上盖12扣在盒子上，它们之间通过螺钉13紧固从而形成一密闭的箱体。如图1所示。在箱体的两纵向侧壁上，开设有两个太赫兹透射窗，一个为太赫兹入射窗14、一个为太赫兹出射窗15，透射窗由单晶硅材质做成，它有良好的太赫兹波透过性，同时耐高温隔热。这两个透射窗的表面平行，也即它们与箱体的两纵向侧壁也平行，且较佳的是这两个透射窗位于箱体的同一横截面上，因为这样对于装置设计简单。虽然两个透射窗也可以前后平行错位放置，甚至是两个透射窗的表面不平行，也可以实现光谱分析，但是这样对于装置的设计变得非常复杂。

另外，在箱体上还开设有两个气口，一个连接进气管51，另外一个连接出气管52；以及在箱体上还开设有管线进出口(图中未示出)。该跟踪装置在各部分连接到位的前提下除了箱体这两个透射窗能透光外，其余部位不透光。

如图3所示，在本实用新型的底座12上，设置有一个旋转轴孔16和四个反射镜插槽17，旋转夹具台2的旋转轴插设在旋转轴孔中，反射镜组3(包括四面反射镜)插设在这些反射镜插槽中。旋转轴孔16较佳是设置在底座的中心，四个反射镜插槽两两为一组沿底座的纵向设置在旋转轴孔的两侧，具有一定的角度规则(见下文的反射镜组的介绍)。底座的一端设置有隔热的夹层18，夹层内部放置温控装置4的元器件(除去电热丝和热电偶)。

在介绍旋转夹具台之前，先说明温控装置4的组成，温控装置4也安装在底座上，包括测量电路、热电偶、显示装置、电热丝、电位器。

如图2和4所示，旋转夹具台2设置在箱体里部，包括一旋转轴21和一摆臂22，旋转轴21安装在底座的旋转轴孔16中，摆臂22的一端设置有样品槽23。摆臂22固定套设在旋转轴21上，旋转轴21通过轴承组件插入在底座的旋转轴孔16中，外力作用下旋转夹具台2可以在旋转轴孔16中转动。油页岩热解固体样品插入在样品槽23中，样品槽周围有夹层，夹层里布设有电热丝。夹具台的上方有一卡槽24，可以卡住热电偶的探测臂，探测端顶在样品的一侧，二者保持良好的接触，热电偶随夹具台一起转动，即可较准确地测量样品的表面温度。对于热电偶的布置可以采用其他的方法也可以。夹具台安放电热丝的槽的一侧面有贯穿夹具台的通孔25，导线可以从该孔中穿过，连接电热丝和处入隔热夹层中的温控元件。

热电偶的探测端靠近旋转夹具台上插入样品的区域，热电偶感知箱体内部温度并通过测量电路传递给显示装置，向使用者显示温度信息。电位器和电热丝串联接入电路中，根据电路知识可知电热丝输出功率决定为P_电热丝＝U²R_电热丝/(R_电位器+R_电热丝)²，由此可知使用者可以调节电位器的联入电阻值R_电位器调节电热丝的输出功率，从而以一定温度加热热解反应样品。

旋转轴21的转动，通过在旋转轴上安装一组正交的齿轮组，齿轮轴伸出箱体侧壁，在齿轮轴上安装一旋钮实现，即将水平转动转换为竖直转动。上述这些都属于常规采用的技术方式。

如图2和5所示，反射镜组3设置在箱体里部，安装在底座上，由四面反射镜组成，反射镜为采用表面抛光的不锈钢材质的平面镜。分别插在底座11的四个插槽中，四面反射镜形状大小相同，只有摆放位置不同而已。第一反射镜31与第二反射镜32分别侧对太赫兹入射窗14和太赫兹出射窗15，但倾斜方向相反；第三反射镜33与第四反射镜34沿箱体纵向设置在箱体的另一端，与第一反射镜31、第二反射镜32分置于旋转夹具台2的两侧；第三反射镜33与第二反射镜32倾斜方向相同。

上述反射镜插槽17实际是根据反射镜的设计要求而设置，四面反射镜以一定角度安装在装置中，太赫兹波从入射窗14射入，光路以“∝”形式依次经第一反射镜31、第二反射镜32、第三反射镜33、第四反射镜34几次折返，最终从出射窗15射出(光路如图5中带箭头的虚线所示)。4面反射镜各完成1次反射，反射光路处于同一平面内，入射光线和出射光线在同一方向，利于出射的太赫兹波被太赫兹光谱仪接收。

通气装置5，包括进气管51和出气管52，连通于箱体内部，还有压力表。进气管可连接N₂、Ar₂等气瓶53，出气管可连接导气管将气体导入到外部废气收集装置54或排放至安全区域，在导气管上设置有减压阀。压力表探测端55伸入在箱体里部，检测内部气压并显示到外部的仪表盘上。进出气口从装置的正面伸入到装置内部，可以保证内外部气体双向同时流通。

油页岩热解样品通过旋转夹具台2安置于密闭、隔热的箱体空间内部，在空间内通入太赫兹波配以反射镜组3将太赫兹波往返两次穿过固体样品，配以温控装置和通气装置对样品创造多种热解环境，使得太赫兹波在多种温度、压力、加热速率条件下，因感受油页岩热解变化而动态变化，从而通过太赫兹时域信号的强度及相位变化表征油页岩结构变化的动力学特征。

这里，将箱体分解为上盖和底座两部分，不仅便于安装内部的各部件，而且二者组成了一个热解反应的密闭空间，热解反应进行所需的高温不会对封闭空间外的操作人员和光学平台造成影响。装置的两侧面均镶嵌有对于太赫兹波透明的耐高温单晶硅透射窗。两单晶硅窗口的前后表面平行，且平行于装置隔热外壳的侧面，使对正入射的太赫兹波不产生偏折。

反射镜组采取独特设计方式，由4面反射镜组成，以一定角度安装在热解跟踪装置中，构成“∝”形转折光路，使得太赫兹波从样品的正反两面两次穿过。反射镜的反射面与水平面垂直，太赫兹波进入装置内依次经过4个反射镜，每个反射镜能够将光线折射一次，每次折射后光线仍处于同一平面内。经过所有反射镜的折射后，光线的传播方向与进入装置的方向一致并从装置射出，进入配套使用的太赫兹光谱仪接收端。两次测量好处是，太赫兹波每穿过样品一次进行一次测量，测量完成后转一下夹具台的角度，从样品同一点的反面穿过再次测量，这样可以研究物质在一个维度的各向异性。传播方向一致的好处是为保证装置对外部测量光路(太赫兹光谱仪使用所配套的光路)不产生影响。

旋转夹具台能绕旋转轴中心转动，改变样品的空间位置，使样品在摆动过程中两次进入探测光路中。控制旋转夹具台的旋钮，使用者可以方便地控制热解样品移入或移出探测光路。当旋转夹具台的对称面与单晶硅透射窗平面所夹锐角为90°-2β时(如图5-1所示)，平行太赫兹波可从样品正面入射一次；在此状态下，旋转夹具台的对称面绕其旋转轴转过180°-4β角(图5-2所示)，太赫兹波可从样品的反面再次入射一次，前后入射点连线落在旋转夹具台的对称面内且垂直于片状样本平面，即可实现单点的正反向测量。单点的正反向测量，可以使得测量更有说服力，同时更重要的是研究物质的各向异性，即研究光正反面从同一点透过，所发生的变化是否相同。本装置能够实现旋转一个特定的角度就能够从理论上做到较精确地同一点双向入射，误差比以前的装置小，测量结果也更有说服力。

温控装置能够感知和控制所述热解跟踪装置内部的反应温度。热电偶感知内部温度并将信号传递给测量电路，最终将温度信号传递给显示装置向使用者显示温度信息。使用者可以调节电位器的联入电阻值调节电热丝的输出功率，从而以一定温度加热反应物质。

通气装置能探测装置内部气压，向装置内部加压充入气体，也可将反应生成的气体抽出。进气管道可连接N₂、Ar₂等气瓶，出气管道可连接导气管将气体导入到外部废气收集装置或排放至安全区域。N₂、Ar₂是常见的惰性气体，不易发生化学反应，对太赫兹波的影响也极小，充气可以把反应产生的可能对太赫兹波产生影响的气体吹走，同时，充入这两种气体可以防止高温热解时可燃物质与氧气发生反应而燃烧。

总之，温控装置能够感知和控制所述热解跟踪装置内部的反应温度，反射镜组能够转折光路，旋转夹具台能改变反应物的位置，将反应物移入探测光路中，旋转夹具台能绕一定轴转动，从而改变固体反应物的空间位置，使热解固体移到探测光路中。本实用新型使用太赫兹波进行热解固体的探测，太赫兹波不会因为电离而造成样品的损坏。太赫兹波脉冲具有皮秒级脉宽，可以利用它对各种有机生物分子进行短时域的研究。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：包括

一隔热密闭的箱体，在箱体的两相对的侧壁上，开设有两个供太赫兹波射入、射出的透射窗；

一旋转夹具台，通过转轴设置在箱体内，旋转夹具台上设置有样品槽，槽中样品随旋转夹具台的摆动而摆动；

一反射镜组，由四面反射镜组成，布置在箱体内，摆放的位置关系满足：从一个太赫兹透射窗入射的太赫兹波，在四面反射镜的反射下形成∝形光路，对摆动的样品往返两次透射，最终从另一个太赫兹透射窗射出；

还包括一控制箱体内温度的温控装置，和一控制箱体内气压的通气装置。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述箱体底部设置有旋转轴孔，所述旋转夹具台包括所述旋转轴和一摆臂，旋转轴通过轴承套设在所述旋转轴孔中，旋转轴上安装一组正交的齿轮组，齿轮轴伸出箱体侧壁，在齿轮轴上安装一旋钮，摆臂固定套设在旋转轴上，摆臂的一端设置有所述的样品槽。

3.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述两个太赫兹透射窗，由单晶硅材质做成，且这两个透射窗的表面平行。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述四面反射镜插设在箱体底部的插槽中，反射面与水平面垂直，具体位置关系是：

第一反射镜、第二反射镜分别侧对两个太赫兹透射窗但倾斜方向相反，反射面与太赫兹透射窗平面的夹角相等；

第三、第四反射镜与第一、第二反射镜两两为一组分置于旋转夹具台的两侧；

第三反射镜与第二反射镜倾斜方向相同，第四反射镜与第一反射镜倾斜方向相同，且第三、第四反射镜与箱体侧壁倾斜夹角相同。

5.根据权利要求1或3所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述两个太赫兹透射窗位于箱体的同一横截面上。

6.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述温控装置包括热电偶、显示装置、电热丝、电位器，热电偶通过测量电路与显示装置电连接，热电偶探测端顶在样品的一侧，电位器与电热丝串联在测量电路中，电热丝布设在样品槽的周围夹层中。

7.根据权利要求1所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述通气装置包括连通于箱体内部的进气分析管和出气管，还有压力表；进气管连接N₂或Ar₂气瓶，出气管连接到废气收集装置，管上设置有减压阀，压力表探测端伸入在箱体里部。

8.根据权利要求1或2或3所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述反射镜采用表面抛光的不锈钢材质的平面镜。

9.根据权利要求4所述的基于太赫兹光谱分析的油页岩热解固体跟踪装置，其特征在于：所述反射镜采用表面抛光的不锈钢材质的平面镜。