CN214472921U

CN214472921U - 一种热转化反应的分析装置

Info

Publication number: CN214472921U
Application number: CN202120515663.2U
Authority: CN
Inventors: 曾玺; 王芳; 岳君容; 关宇; 张建岭; 刘雪景; 许光文
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS; Shenyang University of Chemical Technology; Beijing Technology and Business University
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS; Shenyang University of Chemical Technology; Beijing Technology and Business University
Priority date: 2021-03-11
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2031-03-11

Abstract

本实用新型提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置包括供气单元、加料单元、反应单元、加热单元和气体检测单元，所述反应单元包括微型喷动床反应器，所述加热单元设置于反应单元外部，所述加料单元和反应单元均与供气单元相连接；所述分析装置能够实现反应原料的等温等压热转化，适用于高温高压热转化反应的气体产物分析，能够最大限度抑制气体返混，反应生成的气体产物能在高速载气的作用下以近似平推流的方式输出，并经过释压器进行压力释放，实现反应器内的气体产物的高保真输出，检测出反应的气体产物的真实状态。

Description

一种热转化反应的分析装置

技术领域

本实用新型涉及热分析测试技术领域，尤其涉及一种热转化反应的分析装置。

背景技术

高温、高压、快速热转化过程广泛存在于化工、能源、环境、矿物加工和航天等领域，如燃料高温热裂解、粉末闪速焙烧、高能物质爆燃等。但加压条件下流体的流动性能、物质结构和性质均发生显著变化，影响反应器内的动量传递、热量传递和质量传递，进而导致物质转化过程中物理变化和化学反应行为的改变，这与常压条件下测定的流体特性、传递规律、转化行为及动力学等测试数据和经验公式产生很大偏差。此外，加压条件对反应器设计、工艺开发、仪表配备和安全操作等带来了更高的挑战。为确保加压热转化工艺放大和装置运行的顺利实施，很有必要研究原料的高温、高压及快速转化行为，并开发配套仪器和装备。

目前，高温、高压热转化行为常在加压固定床、加压热重分析仪和加压流化床反应器中进行。其中最常用的是加压热重分析仪(High-pressure thermogravimetricanalyzer，HPTGA)，典型仪器有美国Thermo Cahn公司的TherMax500、TA公司的TGA-HP和德国Linseis公司的STA-HP分析仪。但商业化的HPTGA常存在着因外扩散而带来的严重抑制热量和质量传递，对热不稳定性物质、高气速条件和腐蚀气氛的热反应分析适应性差，且不能在线试样添加，应用受到限制。加压固定床反应分析仪可以实现大的加料量，但其局限性与HPTGA类似。加压流化床(High-pressure fluidized bed，HPFB)具有热质传递速率快、温度分布均匀等优势，但多属于自制分析转化装置，且存在以下局限性：(1)转化器尺寸较大，如直径为30～66mm、高为1000～2300mm等，为非微分转化器；(2)存在严重的气体混合和扩散，会引起测量数据失真，影响测试结果的准确性；(3)自制反应器尺寸和结构差异明显，导致测试结果各异，分散性严重，数据统一性差；(4)难以测试扩散及返混作用最小化条件的转化速率、转化完成时间和转化动力学。

CN110180461A公开了一种煤焦油加氢高温高压反应实验装置，包括高温高压反应釜系统、安全隔离室系统、供排气系统、监控系统、通风设备、尾气处理设备及冷却系统；高温高压反应釜系统被放置与安全隔离室内；供排气系统与高温高压反应釜系统连接；监控系统与高温高压釜系统、安全隔离室、供排气系统通过数据信号线连接，但该装置的升温速率低，不适合气固反应。

CN103543138A公开了一种高温高压反应系统与拉曼光谱分析仪联用的实验系统，包括高温高压反应釜系统、气体进样系统、液体进样系统和拉曼光谱分析系统，但主要用于温度低于300℃的气液反应。

CN110823749A公开了一种多功能高压反应评价装置及方法，该装置包括高压精密天平系统、反应炉系统、气路控制系统、油气冷却回收系统及气体在线取样。高压精密天平系统随着升降系统可上下移动，与反应炉系统连接处设有高压密封圈与环形耦合件，实现高压下的严格密封；气路控制系统与反应炉系统采用硬密封形式连接；油气冷却回收系统与反应炉系统上部油气出口管线采用卡套连接，经冷却后的气体进入在线色谱进行在线分析。但该装置属于加压热重类分析仪，升温速率为10～150℃/min，且无法在线加料，不能进行挥发性样品的等温快速反应。

CN201912917U公开了一种用于煤直接液化的微型高压反应釜实验装置，该装置包括：微型高压反应釜、支架和盐浴炉；所述的微型高压反应釜呈圆筒状，包括：微型高压反应釜釜体、高压反应釜釜盖和搅拌系统，该微型高压反应釜的容积为100ml～200ml；所述的微型高压反应釜通过高压反应釜釜盖悬空固定在支架上；所述的盐浴炉位于微型高压反应釜的下方，但该装置采用盐浴外加热，升温速率小于50℃/min，不适用于高温快速转化过程。

CN205761025U公开了一种便携式微型高温高压重油热裂解快速评价反应装置，包括：一加热炉，其内设有多个加热通道，所述加热炉设有一第一测温装置以及与所述第一测温装置连接的自动温度控制显示系统；多个高压反应釜，所述多个高压反应釜对应设置于所述多个加热通道内，每一所述高压反应釜均设有一第二测温装置、一压力控制系统、一物料出口管线；一温度显示系统，与所述第二测温装置连接，接收所述第二测温装置传送的温度信息，但该装置采用多组反应釜，适用于间歇样品的多次平行测试。

因此，有必要开发一种能够适用于高温、高压的热转化反应的分析装置。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置能够应用于高温、高压的秒级热转化反应，微型喷动床反应器以及供气单元的组合能够实现气体近平推流的流动情况，从而确保气体检测的高保真输出，实现热转化反应的在线快速实时检测。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置包括供气单元、加料单元、反应单元、加热单元和气体检测单元；所述反应单元包括微型喷动床反应器；所述加热单元设置于反应单元外部；所述加料单元和反应单元均与供气单元相连接。

本实用新型利用来自供气单元的载气压力与反应原料自身的重力将原料瞬间注入反应单元内，通过调整压力，可以确保原料在等压状态下添加并进行反应。

而且本实用新型供气单元与反应单元相连接，为反应单元内部提供压力，同时使得微型喷动床反应器内部的介质颗粒在气体的作用下流动，形成喷射区、喷泉区和环路区，形成均匀的温度和压力分布，能够强化热量与质量传递；本实用新型通过使用微型喷动床反应器，不仅体积小，而且利用反应器内气体平推流或近平推流的流动特性，返混程度小，确保反应的气体产物高保真输出。

本实用新型将加热单元设置于反应单元外部，具有高的传热速率，将微型喷动床反应器内部的介质颗粒加热至高温状态，能够使得处于高速喷射且高温状态的介质颗粒将原料快速加热，确保高加热速率和短的反应启动时间，确保原料在等温状态下添加并进行反应；气体检测单元能够将反应生成的高保真输出气体进行在线快速监测并实时分析其组成演变，进行定量分析，并据此进行反应分析、动力学计算和机理揭示，为气固反应测试和分析提供全新的方法和仪器。

微型喷动床反应器中返混需同时满足以下两个指标可以认为是平推流，(1)停留时间分布函数的方差≤0.05；(2)(实际停留时间—空床平推流时的停留时间)/空床平推流时的停留时间≤10％。

本实用新型中热转化反应的分析装置既可以适用于热解、爆炸等秒级快速转化过程(不超过10s)，也可以适用于半焦气化、矿物焙烧等长时间慢速转化过程(10s以上)。

本实用新型中热转化反应的分析装置中反应原料适合固体和/或液体。

优选地，所述加料单元包括依次设置的加料装置，电磁阀控制装置和输送管路。

本实用新型中加料装置可以是气体携带类的高压喷射加料装置，也可以是依赖机械转动类的加料装置，对此不作特殊限制。

优选地，所述输送管路延伸至微型喷动床反应器内部的长度为5～200mm，例如可以是5mm、10mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm或200mm等。

优选地，所述微型喷动床反应器从上到下包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部。

优选地，所述第一锥形部的顶角角度为15～75°，例如可以是15°、20°、30°、40°、50°、60°或75°等。

本实用新型第一锥形部的顶角为第一锥形部两个斜线延长后相交的角。

优选地，所述第一锥形部的高度为10～50mm，例如可以是10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等。

优选地，所述柱形部的直径为≤25mm，例如可以是25mm、24mm、23mm、22mm、21mm、20mm、18mm、16mm、14mm、12mm或10mm等。

优选地，所述柱形部的高度为50～200mm，例如可以是50mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm或200mm等。

优选地，所述第二锥形部的底角角度为15～75°，例如可以是15°、20°、30°、40°、50°、60°或75°等。

本实用新型第二锥形部的底角为第二锥形部两个斜线延长后相交的角。

优选地，所述第二锥形部的高度为5～50mm，例如可以是5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等。

优选地，所述微型喷动床反应器包括第一柱体部和设置于第一柱体部两侧的回路管。

本实用新型中微型喷动床反应器既可以采用从下到上包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部的形状，也可以是包括第一柱体部和设置于第一柱体部两侧的回路管的形状，其中微型喷动床反应器内部的呈高速喷射状态的介质颗粒能够经过回路管进行循环，进一步降低反应器内的气体扩散和返混。

优选地，所述回路管从上到下依次包括第一斜体部、第二柱体部和第二斜体部。

优选地，所述第一斜体部的倾斜角度为15～75°，例如可以是15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°等。

优选地，所述第一斜体部的高度为10～50mm，例如可以是10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等。

优选地，所述第二柱体部的高度为50～200mm，例如可以是50mm、60mm、80mm、100mm、120mm、140mm、160mm、180mm或200mm等。

优选地，所述第二柱形部的直径为≤15mm，例如可以是15mm、14mm、13mm、12mm、11mm或10mm等。

优选地，所述第二斜体部的倾斜角度为15～75°，例如可以是15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°或75°等。

优选地，所述第二斜体部的高度为10～50mm，例如可以是10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等。

优选地，所述微型喷动床反应器底部设置有第一气体进口。

本实用新型中第一气体进口用于将来自供气单元的气体喷射入微型喷动床反应器，同时为微型喷动床反应器内部提供压力。

优选地，所述微型喷动床反应器顶部设置有第一气体出口。

本实用新型中第一气体出口用于将反应后的气体产物输送至气体检测单元，进行气体的在线实时分析。

优选地，所述加热单元包括加热炉。

本实用新型中加热炉优选采用程序升温方式。

优选地，所述加热炉设置于微型喷动床反应器外侧。

本实用新型将加热炉设置于微型喷动床反应器外侧，为微型喷动床反应器内部提供热量。

优选地，所述分析装置包括压力平衡单元。

优选地，所述压力平衡单元包括承压腔体。

本实用新型中承压腔体中的压力值与反应单元中的压力值相同，对于高压反应能够保护反应单元，提高安全性能且降低反应单元材质的成本。当进行低压反应时，可不设置压力平衡单元和承压腔体。

优选地，所述反应单元和加热单元设置于承压腔体内部。

优选地，所述压力平衡单元包括设置于微型喷动床反应器和/或承压腔体底部的第二气体进口。

本实用新型中当设置压力平衡单元时，第二气体进口设置于承压腔体底部，但不设置压力平衡单元时，第二气体进口设置于微型喷动床反应器底部。

优选地，所述压力平衡单元包括设置于微型喷动床反应器和/或承压腔体顶部的第二气体出口。

本实用新型中当设置压力平衡单元时，第二气体出口设置于承压腔体顶部，但不设置压力平衡单元时，第二气体出口设置于微型喷动床反应器顶部。

优选地，所述第二气体出口连接有排气管道。

优选地，所述排气管道上自第二气体出口依次设置有第一控制阀和第一背压阀。

本实用新型中第一控制阀和第一背压阀可控制第二气体出口的气体流量与压力。

优选地，所述供气单元包括供气装置。

优选地，所述供气装置与第一气体进口相连接。

本实用新型通过第一气体进口使供气装置向微型喷动床反应器提供载气，控制压力。

优选地，所述供气装置与第一气体进口之间设置有第一气体流量计。

优选地，所述供气装置与第一气体流量计之间设置有第三控制阀。

优选地，所述供气装置与第二气体进口相连接。

本实用新型通过第二气体进口使供气装置向微型喷动床反应器和/或承压腔体提供载气，控制压力。

优选地，所述供气装置与第二气体进口之间设置有第二气体流量计。

优选地，所述供气装置与第二气体流量计之间设置有第四控制阀。

优选地，所述供气装置与加料装置相连接。

本实用新型供气装置与加料装置相连接，可以在设定的温度和压力下，将反应原料快速注入微型喷动床反应器内部的介质颗粒流动区域，与高温介质颗粒充分混合、被快速加热、并在载气作用下启动热转化过程，同时使反应原料在未反应前处于反应压力的状态下，以确保原料在等压状态下添加并进行反应。

优选地，所述供气装置与加料装置之间设置有气体流量控制器。

优选地，所述供气装置与气体流量控制器之间设置有第五控制阀。

优选地，所述气体检测单元包括依次设置的释压器、气体净化装置和气体检测装置。

本实用新型中释压器对反应的气体产物进行减压，转变为常压气体，通过气体净化装置进行过滤、除尘，随后进入气体检测装置中实现对气体产物的在线高保真检测输出分析结果，借助气体检测装置来实现高温、高压或低压状态下的产物的实时生成结果。

本实用新型对气体检测装置没有特殊限制，可以是气相色谱仪、过程质谱仪或红外分析仪等气体快速分析仪中的任意一种或至少两种的组合，根据具体的反应分析要求而设置。

优选地，所述第一气体出口与释压器相连接。

优选地，所述气体净化装置与气体检测装置之间设置有备用气体检测接口。

本实用新型中为了更加清晰的了解反应生成的气体的物理性质，备用了气体检测接口，比如可以外接红外或快速色谱检测仪器等。

优选地，所述第一气体出口与释压器相连接的管道上依次设置有第二控制阀和第二背压阀。

本实用新型中第一控制阀和第一背压阀可控制第一气体出口的气体流量与压力。

优选地，所述分析装置还包括控制单元。

优选地，所述控制单元与反应单元和/或压力平衡单元相连接。

优选地，所述控制单元包括控制装置和数据分析装置。

本实用新型中控制装置用于对热转化反应的分析装置的温度、压力、气体流量和电路等进行整体控制，数据分析装置用于对数据的采集和分析。

优选地，所述分析装置包括水蒸气输入单元。

优选地，所述水蒸气输入单元与反应单元相连接。

本实用新型中，所述分析装置中可以设置水蒸气输入单元为微型喷动床反应器引入水蒸气气氛。

优选地，所述水蒸气输入单元包括依次连接的储存装置、输送装置和蒸汽发生器。

优选地，所述蒸汽发生器与第一气体进口相连接。

本实用新型通过第一气体进口使水蒸气伴随供气装置提供的载气，一起通入微型喷动床反应器内部。

优选地，所述分析装置包括固体采集单元。

优选地，所述固体采集单元与反应单元相连接。

本实用新型设置固体采集单元可以对微型喷动床反应器内部的固体颗粒进行在线采样，将收集到的固体颗粒用于进一步分析其结构和组成演变，其中固体颗粒包括介质颗粒和/或反应原料。

优选地，所述固体采集单元包括固体采集装置。

优选地，所述固体采集装置与微型喷动床反应器相连接。

优选地，所述固体采集装置与微型喷动床反应器之间依次设置有截止阀和第三背压阀。

优选地，所述分析装置在微型喷动床反应器内第一锥形部、微型喷动床反应器内第二锥形部、第一气体出口处、第二气体进口处、承压腔体内部、释压器进气口处、释压器出气口处和气体流量控制器进气口处安装有压力监测器。

优选地，所述分析装置在微型喷动床反应器内和加热炉处安装有温度监测器。

本实用新型中分析装置可设定不同的尺寸与操作条件，既能够做返混小的反应分析，也能够做返混大的反应分析。

本实用新型还提供一种热转化反应的分析方法，所述分析方法采用所述的热转化反应的分析装置进行。

优选地，所述分析方法包括以下步骤：

(1)打开供气单元和加热单元，调整微型喷动床反应器内的温度和压力；

(2)利用加料单元将反应原料加入微型喷动床反应器内，进行反应；

(3)利用气体检测单元对反应产生的气体进行分析。

本实用新型中打开供气单元和加热单元，使得微型喷动床反应器内的温度和压力达到设定值，此时微型喷动床反应器内存在的介质颗粒，被来自供气单元的载气快速流动，形成均匀的温度和压力分布。利用加料单元将反应原料加入微型喷动床反应器内的介质颗粒流动区域，此时反应原料与高温介质颗粒充分混合、被快速加热、并在载气作用下启动热转化过程，可以将反应原料瞬间加热到设定温度，实现等温转化。随后生成的气体产物通入气体检测单元，实现对反应气体产物的实时在线快速检测。

本实用新型中反应原料可以是固体和/或液体。

优选地，将反应原料预先放置在加料装置内，利用来自供气装置的气体脉冲和反应原料的重力的协同作用将反应原料注入微型喷动床反应器内。

优选地，所述气体脉冲的气体流速≤50m/s，例如可以是20m/s、22m/s、25m/s、28m/s、30m/s、32m/s、35m/s、38m/s、40m/s、45m/s或50m/s等。

优选地，所述加料单元将反应原料注入微型喷动床反应器内的时间≤0.5s，例如可以是0.5s、0.45s、0.4s、0.35s、0.3s、0.25s或0.2s等。

优选地，所述反应原料的添加量≤1000mg，例如可以是1000mg、950mg、900mg、800mg、700mg、650mg、600mg、550mg、500mg、450mg或400mg等。

优选地，所述反应原料的被加热速率≥1000℃/s，例如可以是1000℃/s、1020℃/s、1040℃/s、1060℃/s、1080℃/s、1100℃/s、1120℃/s、1140℃/s、1160℃/s、1180℃/s或1200℃/s等。

优选地，所述微型喷动床反应器内包含介质颗粒。

优选地，所述介质颗粒的粒径为3～3000μm，例如可以是3μm、10μm、100μm、200μm、500μm、8000μm、1000μm、1500μm、1800μm、2000μm、2500μm或3000μm等。

优选地，所述介质颗粒包括惰性颗粒和/或催化剂。

优选地，所述惰性颗粒包括石英砂。

优选地，所述供气装置中的载气包括惰性气体和/或活性气体。

优选地，所述惰性气体包括氮气和/或氩气。

优选地，所述活性气体包括空气、氧气、二氧化碳或水蒸气中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：空气和氧气的组合，氧气和二氧化碳的组合，二氧化碳和水蒸气的组合，氧气、二氧化碳和水蒸气组合等。

优选地，所述微型流化床反应器内反应压力≤5MPa，例如可以是5MPa、4.5MPa、4MPa、3.5MPa、3MPa、2.5MPa、2MPa、1.5MPa、1MPa、0.5MPa或0.1MPa等。

优选地，所述微型流化床反应器内反应温度≤1500℃，例如可以是1500℃、1450℃、1400℃、1350℃、1300℃、1250℃、1200℃、1150℃、1100℃、1050℃或1000℃等。

优选地，所述微型流化床反应器内反应时间≥1s，例如可以是1s、2s、5s、8s、10s、15s、20s、25s、30s、35s或40s等。

本实用新型提供的热转化反应的分析方法，所述分析方法包括以下步骤：

(1)打开供气单元和加热单元，调整微型喷动床反应器内的温度和压力，其中温度≤1500℃，压力≤5MPa；微型喷动床反应器内包括粒径为3～3000μm的介质颗粒；

(2)利用加料单元将反应原料注入微型喷动床反应器内，其中注入的时间≤0.5s，进行反应时间≥1s的反应，其中反应原料的添加量≤1000mg，反应原料的被加热速率≥1000℃/s；

(3)利用气体检测单元对反应产生的气体进行分析。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

(1)本实用新型提供的热转化反应的分析装置，所述分析装置即适用于秒级尺度的高温加压反应，又适用于高温常压反应，同时适用于长时间的热转化反应，适用面广泛；

(2)本实用新型提供的热转化反应的分析装置，所述分析装置能够将反应原料瞬间注入微型喷动床反应器内且瞬速加热到设定温度，实现等温等压热转化；

(3)本实用新型提供的热转化反应的分析装置，所述分析装置弥补了现有高压热重反应分析仪的不足，为高温高压等温热转化反应分析提供了分析装置和分析方法；

(4)本实用新型提供的热转化反应的分析装置，所述分析装置中反应器内的气体返混被最大限度抑制，快速反应生成的气体产物能在高速载气的作用下以近似平推流的方式输出，并经过释压器进行压力释放，实现反应器内的气体产物的高保真输出，检测出反应的气体产物的真实状态。

附图说明

图1是本实用新型实施例1中的热转化反应的分析装置。

图2是本实用新型实施例2中的热转化反应的分析装置。

图3是本实用新型实施例3中的热转化反应的分析装置。

图4是本实用新型实施例4中的热转化反应的分析装置。

图5是本实用新型实施例5中的热转化反应的分析装置。

图6是本实用新型应用例1的反应气体分析曲线。

图中：1-加料装置；2-电磁阀控制装置；3-排气管道；4-第一背压阀；5-第一控制阀；6-第二气体出口；7-承压腔体；8-第五控制阀；9-气体流量控制器；10-加热炉；11-第二气体进口；12-供气装置；13-第一气体流量计；14-第一气体进口；15-输送管路；16-微型喷动床反应器；17-第一气体出口；18-释压器；19-气体净化装置；20-气体检测装置；21-备用气体检测接口；22-控制装置；23-数据分析装置；24-蒸汽发生器；25-输送装置；26-储存装置；27-固体采集装置；28-第二背压阀；29-第二控制阀；30-第四控制阀；31-第二气体流量计；32-第三控制阀；33-截止阀；34-第三背压阀。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

下面对本实用新型进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本实用新型的简易例子，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

一、实施例

实施例1

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，如图1所示，所述分析装置包括反应单元、加料单元、加热单元、压力平衡单元、供气单元、气体检测单元和控制单元；

所述反应单元包括微型喷动床反应器16，从上到下包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部，其中第一锥形部的顶角角度为45°，高度为30mm；柱形部的直径为15mm，高度为70mm；第二锥形部的底角角度为60°，高度为10mm；在微型喷动床反应器16底部设置有第一气体进口14，顶部设置有第一气体出口17；

所述加料单元包括依次设置的电磁阀控制单元装置2、加料装置1和输送管路15；输送管路15延伸至微型喷动床反应器16内部的长度为50mm；

所述加热单元包括加热炉10，其中加热炉10设置于微型喷动床反应器16外侧；

所述压力平衡单元包括承压腔体7，反应单元和加热单元均设置于承压腔体7内部；在承压腔体7底部设置有第二气体进口11，顶部设置有第二气体出口6，第二气体出口6连接有排气管道3，排气管道3上自第二气体出口6依次设置有第一控制阀5和第一背压阀4；

所述供气单元包括供气装置12，供气装置12与第一气体进口14相连接，供气装置12与第一气体进口14之间设置有第一气体流量计13，供气装置12与第一气体流量计13之间设置有第三控制阀32；供气装置12与第二气体进口11相连接，供气装置12与第二气体进口11之间设置有第二气体流量计31，供气装置12与第二气体流量计31之间设置有第四控制阀30；供气装置12与加料装置1相连接，供气装置12与加料装置1之间设置有气体流量控制器9，供气装置12与气体流量控制器9之间设置有第五控制阀8；

所述气体检测单元包括依次设置的释压器18、气体净化装置19和气体检测装置20，其中气体净化装置19与气体检测装置20之间设置有备用气体检测接口21，第一气体出口17与释压器18相连接，第一气体出口17与释压器18相连接的管道上依次设置有第二控制阀29和第二背压阀28；

所述控制单元包括控制装置22和数据分析装置23；

所述分析装置在微型喷动床反应器16内第一锥形部、微型喷动床反应器16内第二锥形部、第一气体出口17处、第二气体进口11处、承压腔体7内部、释压器18进气口处、释压器18出气口处和气体流量控制器9进气口处安装有压力监测器；

所述分析装置在微型喷动床反应器16内和加热炉10处安装有温度监测器。

实施例2

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，如图2所示，所述分析装置包括反应单元、加料单元、加热单元、压力平衡单元、供气单元、水蒸气输入单元、气体检测单元和控制单元；

所述反应单元包括微型喷动床反应器16，从上到下包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部，其中第一锥形部的顶角角度为15°，高度为10mm；柱形部的直径为8mm，高度为50mm；第二锥形部的底角角度为15°，高度为5mm；在微型喷动床反应器16底部设置有第一气体进口14，顶部设置有第一气体出口17；

所述加料单元包括依次设置的电磁阀控制单元装置2、加料装置1和输送管路15；输送管路15延伸至微型喷动床反应器16内部的长度为5mm；

所述水蒸气输入单元包括依次连接的储存装置26、输送装置25和蒸汽发生器24，其中蒸汽发生器24与第一气体进口14相连接；

所述控制单元包括控制装置22和数据分析装置23；

实施例3

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，如图3所示，所述分析装置包括反应单元、加料单元、加热单元、压力平衡单元、供气单元、固体采集单元、气体检测单元和控制单元；

所述反应单元包括微型喷动床反应器16，从上到下包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部，其中第一锥形部的顶角角度为75°，高度为50mm；柱形部的直径为25mm，高度为200mm；第二锥形部的底角角度为75°，高度为50mm；在微型喷动床反应器16底部设置有第一气体进口14，顶部设置有第一气体出口17；

所述加料单元包括依次设置的电磁阀控制单元装置2、加料装置1和输送管路15；输送管路15延伸至微型喷动床反应器16内部的长度为200mm；

所述固体采集单元包括固体采集装置27，其中固体采集装置27与微型喷动床反应器16相连接，固体采集装置27与微型喷动床反应器27之间依次设置有截止阀33和第三背压阀34；

所述控制单元包括控制装置22和数据分析装置23；

实施例4

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，如图4所示，所述分析装置包括反应单元、加料单元、加热单元、压力平衡单元、供气单元、气体检测单元和控制单元；

所述反应单元包括微型喷动床反应器16，微型喷动床反应器包括第一柱体部和设置于第一柱体部两侧的回路管，回路管从上到下依次包括第一斜体部、第二柱体部和第二斜体部，其中第一斜体部的倾斜角度为30°，高度为10mm；第二柱体部的高度为70mm，直径为15mm；第二斜体部的倾斜角度为30°，高度为10mm；在微型喷动床反应器16底部设置有第一气体进口14，顶部设置有第一气体出口17；

所述控制单元包括控制装置22和数据分析装置23；

实施例5

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，如图5所示，所述分析装置包括反应单元、加料单元、加热单元、供气单元、气体检测单元和控制单元；

所述反应单元包括微型喷动床反应器16，从上到下包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部，其中第一锥形部的顶角角度为45°，高度为30mm；柱形部的直径为20mm，高度为70mm；第二锥形部的底角角度为60°，高度为10mm；在微型喷动床反应器16底部设置有第一气体进口14，顶部设置有第一气体出口17；在微型喷动床反应器16底部设置有第二气体进口11，顶部设置有第二气体出口6，第二气体出口6连接有排气管道3，排气管道3上自第二气体出口6依次设置有第一控制阀5和第一背压阀4；

所述控制单元包括控制装置22和数据分析装置23；

实施例6

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置与实施例4的区别在于第一斜体部的倾斜角度为15°，高度为20mm；第二柱体部的高度为50mm，直径为15mm；第二斜体部的倾斜角度为15°，高度为20mm，其余均与实施例4相同。

实施例7

本实施例提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置与实施例4的区别在于第一斜体部的倾斜角度为75°，高度为50mm；第二柱体部的高度为200mm，直径为25mm；第二斜体部的倾斜角度为75°，高度为50mm，其余均与实施例4相同。

二、对比例

对比例1

本对比例提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置与实施例1的区别仅在于将微型喷动床反应器替换为微型流动床反应器，其余均与实施例1相同。

其中微型流动床反应器为圆柱形，直径为20mm，高度为70mm。

三、应用例

本实用新型中的应用例均以煤加压热解反应为例，反应产物包括H₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆和C₃H₆等。

应用例1

本应用例提供一种热转化反应的分析方法，所述分析方法在实施例1提供的分析装置中进行，所述分析方法包括以下步骤：

(1)在加料装置中添加20mg粒径为0.1～0.2μm的褐煤，在微型喷动床反应器中添加粒径为3～120μm的石英砂，石英砂在微型喷动床反应器的柱形部的高度为40mm，将微型喷动床反应器密封，打开供气装置，载气选用为氩气，对反应单元和加料单元进行耐压测试，测试压力为1.1MPa；

(2)对微型喷动床反应器进行冲压，压力值为1MPa，开启加热炉，设定程序升温方法，以50℃/min的升温速率使微型喷动床反应器内的温度为800℃；

(3)打开控制单元和气体检测单元，开始在线采样；调节微型喷动床反应器内的载气流速为2m/s，使得石英砂在微型喷动床反应器内呈现喷动状态，待温度、压力和气体检测装置稳定后，开启加料单元，通过脉冲快速伺样，将褐煤加入至微型喷动床反应器内，注入时间为0.5s，与高温石英砂充分混合，被加热速率为1100℃/s，进行反应；

(4)反应产生的气体产物依次通过释压器、气体净化装置和气体检测装置，进行气体分析，数据分析装置记录测温点和测压点的数据，气体检测装置在线保存记录反应气体的浓度变化；

(5)实验结束后，关闭供气装置、电磁阀控制单元装置及加热炉，降温至常温，通过背压阀将压力降至常压，打开承压腔体，取下输送管路，取出微型喷动床反应器，收集其中残余物质。

应用例2

(1)在加料装置中添加1000mg粒径为0.1～0.2μm的褐煤，在微型喷动床反应器中添加粒径为1000～3000μm的石英砂，石英砂在微型喷动床反应器的柱形部的高度为40mm，将微型喷动床反应器密封，打开供气装置，载气选用为氩气，对反应单元和加料单元进行耐压测试，测试压力为5.2MPa；

(2)对微型喷动床反应器进行冲压，压力值为5MPa，开启加热炉，设定程序升温方法，以50℃/min的升温速率使微型喷动床反应器内的温度为1500℃；

(3)打开控制单元和气体检测单元，开始在线采样；调节微型喷动床反应器内的载气流速为2m/s，使得石英砂在微型喷动床反应器内呈现喷动状态，待温度、压力和气体检测装置稳定后，开启加料单元，通过脉冲快速伺样，将褐煤加入至微型喷动床反应器内，注入时间为0.4s，与高温石英砂充分混合，被加热速率为1200℃/s，进行反应；

应用例3

本应用例提供一种热转化反应的分析方法，本应用例在实施例1所述分析装置中进行焦油热裂解反应，其余均与应用例1相同。

本应用例中的焦油热裂解反应的反应时间低至1s。

应用例4

本应用例提供一种热转化反应的分析方法，本应用例在实施例2所述分析装置中进行石油焦气化反应，其余均与应用例1相同。

本应用例中石油焦气化反应在水蒸气气氛下进行。

应用例5～9

应用例5～9分别提供一种热转化反应的分析方法，应用例5～9与应用例1的区别仅在于分别在实施例3～7所述分析装置中进行反应，其余均与应用例1相同。

应用例5相较于应用例1能够实现在线采取微型喷动床反应器内的固体颗粒，包括介质颗粒和反应与原料，从而分析固体颗粒的状态。

应用例10

本应用例提供一种热转化反应的分析方法，本应用例在实施例5所述分析装置中进行制备水煤气的反应，反应压力控制为0.1MPa，其余均与应用例1相同。

本实用新型应用例1～10中反应均能良好进行，且均能实现在线实时检测反应的气体产物的真实状态，同时通过计算，应用例1～10中停留时间分布函数的方差≤0.05，且(实际停留时间—空床平推流的停留时间)/空床平推流的停留时间≤10％，应用例1～10中微型喷动床反应器中气体流动均可认为是平推流，返混程度小。

四、应用对比例

应用对比例1

本应用对比例提供一种热转化反应的分析方法，本应用对比例与应用例1的区别仅在于在对比例1所述分析装置中进行反应，其余均与应用例1相同。

本应用对比例中微型喷动床反应器中气体流动的返混程度较大，不可认为是平推流状态。

五、测试及结果

气体返混程度的测试方法：通过Ar气为示踪气，计算示踪气停留时间分布函数的方差以及(实际停留时间—空床平推流的停留时间)/空床平推流的停留时间，来判定喷动床内返混程度。

以上实施例和对比例的测试结果如表1所示。

表1

图6是本实用新型应用例1的反应气体分析曲线，从图6中可以看出对于煤加压热解反应的气体产物的实时分析情况，反应开始后的10s检测到反应产物。

从表1可以看出：本实用新型提供一种热转化反应的分析装置，所述分析装置能够应用于高温、高压的秒级热转化反应，微型喷动床反应器以及供气单元的组合能够实现气体近平推流的流动情况，从而确保气体检测的高保真输出，实现热转化反应的在线快速实时检测，具体而言，针对停留时间分布函数的方差，应用例1～10中均小于0.05，而应用对比例1为0.52，大于0.05，针对(实际停留时间—空床平推流的停留时间)/空床平推流的停留时间，应用例1～10中均小于10％，而应用对比例1为10.8％，且大于10％，因此，应用对比例1的装置内的气体返混程度高，不能被认定是平推流状态，由此推断，本实用新型提供的热转化反应的分析装置能够实现气体近平推流的流动情况，从而确保气体检测的高保真输出，实现热转化反应的在线快速实时检测。

申请人声明，本实用新型通过上述实施例来说明本实用新型的详细结构特征，但本实用新型并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本实用新型必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本实用新型的任何改进，对本实用新型所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种热转化反应的分析装置，其特征在于，所述分析装置包括供气单元、加料单元、反应单元、加热单元和气体检测单元；

所述反应单元包括微型喷动床反应器；

所述加热单元设置于反应单元外部；

所述加料单元和反应单元均与供气单元相连接。

2.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述加料单元包括依次设置的加料装置，电磁阀控制装置和输送管路；

所述输送管路延伸至微型喷动床反应器内部的长度为5～200mm。

3.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述微型喷动床反应器从上到下包括依次连接的第一锥形部、柱形部和第二锥形部。

4.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述微型喷动床反应器包括第一柱体部和设置于第一柱体部两侧的回路管。

5.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述微型喷动床反应器底部设置有第一气体进口。

6.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述加热单元包括加热炉。

7.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述分析装置包括压力平衡单元；

所述压力平衡单元包括承压腔体；

所述压力平衡单元包括设置于微型喷动床反应器和/或承压腔体底部的第二气体进口。

8.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述供气单元包括供气装置；

所述供气装置与第一气体进口相连接；

所述供气装置与第二气体进口相连接；

所述供气装置与加料装置相连接；

所述气体检测单元包括依次设置的释压器、气体净化装置和气体检测装置。

9.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述分析装置还包括控制单元；

所述控制单元与反应单元和/或压力平衡单元相连接；

所述控制单元包括控制装置和数据分析装置。

10.根据权利要求1所述的热转化反应的分析装置，其特征在于，所述分析装置包括水蒸气输入单元；

所述水蒸气输入单元与反应单元相连接；

所述水蒸气输入单元包括依次连接的储存装置、输送装置和蒸汽发生器；

所述蒸汽发生器与第一气体进口相连接；

所述分析装置包括固体采集单元；

所述固体采集单元与反应单元相连接；

所述固体采集单元包括固体采集装置；

所述固体采集装置与微型喷动床反应器相连接。