一种可视化流化床反应分析系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种可视化流化床反应分析系统。所述分析系统包括可视化加热炉及置于可视化加热炉中的流化床反应器；所述流化床反应器的进气口连接气体流量计，出气口连接气体在线分析装置；所述可视化加热炉包括炉体，所述炉体由内向外依次设有内管和外管；所述内管外壁装有加热元件；所述外管外壁设有保温涂层，保温涂层的纵向中间部分留有观察窗口。所述外管可以沿圆形凹槽转动，有利于调整观察角度。本发明所述的分析系统结构简单、体积小，可应用于测量多相复杂体系的反应动力学参数，接近本征动力学；同时可用于流态化领域，观察加热状态下的颗粒、气泡等多尺度结构的流动和流化行为。
【专利说明】一种可视化流化床反应分析系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种能源、化工、冶金、生物、材料等学科领域科学研究用的可视化流化床反应分析系统，具体涉及一种应用于流态化领域的可视化流化床反应分析系统。
【背景技术】
[0002]基于颗粒流态化技术的流化床反应器具有传质、传热速率快、床层温度均匀等特点，已经广泛应用于煤化工、石油化工、钢铁冶金、生物医药、纳米材料制备等传统及新兴行业，成为研究气固反应和材料合成的重要技术手段。但在气固鼓泡流化床中，气体会形成气泡，颗粒因颗粒间的非弹性碰撞、颗粒在反应过程中的粘附、液桥及细小颗粒的强范德华力而形成聚团。这些气泡和颗粒聚团等不均匀结构(通常称为介尺度结构)的存在，大大地降低了流化床中气固接触效率和加重气体或固体的返混程度，从而降低反应速率和反应的选择性。在气固流化床中，气泡、颗粒及颗粒聚团等不均匀结构(介尺度结构)的大小、运动状态和流化质量是影响流化床中气固反应的重要影响因素。其气泡和颗粒聚团的动态流化特征的获取对气固流化床反应器的设计和放大、气固反应的过程强化起到关键作用。
[0003]气固流化床的放大实验研究通常是借助有机玻璃流化床，研究常温条件下颗粒、气泡的流动和流化行为(冷模)，再将冷模实验的成功经验应用于热态反应中，进而在高温下研究颗粒、气泡的流动和流化行为(热模)。由于工业上流化床工艺普遍为热态反应(>150°C )，在冷态模式下的颗粒流动规律，转移到热态模式下，受温度和反应的影响，颗粒的性质或组成在热态或反应过程中将会发生变化，这些变化不能直接通过冷模的方式得至IJ。还需要在冷态实验基础上，进一步研究加热状态下颗粒(催化剂)的流动及气泡产生、长大和破裂过程，特别是新兴的纳米材料制备过程。
[0004]高温条件下通常采用的方法，即通过测定反应过程所逸出尾气组成和反应后固体颗粒结构和大小的离线表征技术，不能全面反映流化床反应过程中气泡和颗粒聚团等介尺度结构的形成、长大和破碎等直观的动态图像数据。在气固流化床中，单颗粒及颗粒聚团的流动行为、流化质量、气泡的大小及运动状态等动态流化特征的获取对气固流化床的设计和放大、反应机理的研究起到关键作用。通过对流化床内颗粒流化状态、气泡流动和反应过程的直接观察、高速摄像、原位红外扫描等，能够获得流化床中颗粒聚团、气泡等多尺度结构的产生、生长及破裂过程以及反应历程的直观图像。这些动态的直观图像对研究气固流化床的“三传一反”具有十分重要的意义。因此，流态化过程的可视化将成为气固反应及流化床反应器放大乃至工业规模实验研究中十分重要的技术手段。
[0005]然而，热态模式下的操作温度远远超过了有机玻璃的耐受温度，需要借助于不锈钢反应器或石英管反应器以及配套的加热装置。其加热装置通常为以电阻丝或硅碳棒等加热元件为发热元件的电阻炉。自十九世纪20年代镍铬合金(如Cr20Ni80)发明以来，电阻炉在实验室研究和工业上得到了广泛的应用。而现有的科学研究用的电加热炉通常由加热元件、炉膛、金属壳体、保温填料、控制系统等组成。所采用的炉膛材料为氧化铝陶瓷、保温材料为硅酸铝或保温棉，不锈钢或铁皮外壳，无法直接观察到反应器内部的颗粒流化及反应状态。
[0006]美国麻省理工学院专利US3626154公开了一种透明电炉，主要包括镀金耐热石英管、耐高温电阻丝、石英管炉膛和冷却套。外层石英管内壁的一层黄金镀层可使电阻丝所发出的红外辐射热量反射至炉膛中心，起到了保温作用。在确保加热温度700°C以上时，可清晰看到炉膛内部物料的变化状态。
[0007]专利CN 202281506U公开了一种可视化高温管式炉，炉体由内、外层石英管密封构成真空双层石英管，且在外层石英管内壁上镀有黄金薄膜，在围绕石英管炉膛的内层石英管的内壁上设置有发热元件。
[0008]专利CN 102829631A公开了一种可视化管式炉，该管式炉装置由机架、镀金石英管式炉及同轴的石英反应管、左右水冷密封组件、真空测量及获得系统、进排气系统和电源系统组成。其原理是利用当物体的加热温度大于500°C以上时，在相对密闭空间里的热传递的方式主要依靠红外辐射，利用镀金膜对红外辐射的反射作用实现加热。但其所用电阻丝较粗(5-8mm)，其单位长度电阻丝的电阻值很低，要获得高的加热功率，势必要增加电阻丝的缠绕匝数密度，这将减少观察窗口的面积。而且从说明书及附图上看，除了石英管支架用于固定电阻丝的两端外，说明书没有说明中间部分电阻丝是如何固定的。如果不固定的话，反应管在移动过程很容易造成电阻丝短路事故，引发完全问题。
[0009]专利CN 103285786A公开了一种可视化高温流化床，在流化床本体上开设高温石英玻璃窗口及外部的防红外辐射罩。流化床本体采用耐高温石英玻璃，外围为床体电加热器、保温棉及床体外壳。但从附图上看，其石英管流化床与加热装置为一体，导致了石英管流化床无法拆卸清洗，而且由于石英管属易碎、易损坏材料，该专利中石英流化床损坏将会造成整个装置无法使用，维修成本高。
[0010]CN 101210916A公开了一种可用于测量气固反应动力学参数的分析仪，公开了一种可在线瞬间添加微量固体颗粒，使固体瞬间达到设定反应温度，利用微型流化床实现微分反应的功能，并通过测定关键的气体产物随时间的变化关系，来确定反应速度常数和反应活化能。但该分析仪存在的技术缺陷是细颗粒随气体逸出反应器，有可能造成管路和检测器堵塞，影响分析仪正常操作；而且所用微型流化床难以实现超细颗粒(<30um)或纳米颗粒(〈lOOnm)的正常流化，造成气体短路和不稳定现象。
[0011]CN 103364521A公开了一种等温微分化反应分析仪，所述的分析仪包括微型流化床、温度与压力控制系统、气体净化与检测系统和数据采集与分析系统；所述气固反应分析仪还包括瞬态脉冲进样系统；所述的瞬态脉冲进样系统，包括:气体固体试样进样管、脉冲电磁阀和气体钢瓶；气体钢瓶中的进样气体由脉冲电磁阀控制瞬态脉冲注入固体试样进样管，实现瞬态脉冲进样。虽然通过两段床克服了细颗粒的逸出反应恒温区，但仍然难以实现超细颗粒(<30um)或纳米颗粒(〈lOOnm)的正常流化,造成气体短路和不稳定现象。
[0012]另外，CN 101210916A和CN 103364521A公开的流化床反应器为微型石英或金属流化床反应器，电热炉为反应器供热，没有对电热炉进行详细阐述，但从附图上看为实验室常规电阻炉，无法观察反应状态下的颗粒形貌、流化行为以及气泡大小。
[0013]以上专利所提出的可视化加热炉均采用了镀金石英管，镀金石英管具有保温作用，同时可见光能透过。其最大缺点在于只有当操作温度大于700°C时，电炉内部的物料才能清晰可见。因而，其无法满足700°C以下可视化实验的需求。而且为了避免黄金镀层的高温流失，需要设置冷却套，结构相对复杂。
[0014]专利CN 103673607A和CN 103675013A公开了一种可视化加热炉装置及可视化微型流化床反应分析仪，通过在中管外壁设有保温涂层，保温涂层的纵向中间部分留有观察窗口，可以实现在任意温度下观察到反应器内的气固流动状态，拓宽了透明电炉的应用领域。但该专利的炉体由内、中、外三个石英管以及炉盖和炉底构成，结构复杂。一方面，炉体直径大，内管和外管距离远，不利于近距离可视化观察。另一方面，炉底和炉盖通过支撑杆连接为一个整体，其外管无法转动，不利于调整观察窗口的角度，影响产品的实用性。而且，热电偶、加热炉丝与电源线接头设在炉盖内部，造成热电偶、加热炉丝等易耗品及内部组件无法更换，从而影响可视化加热炉的使用寿命。另外，在与磁场线圈配套使用时，由于外管的直径大，为了保证磁场线圈的正常使用，要求更大内径的磁场线圈，导致磁场线圈的重量和体积骤增，成本提高。其微型流化床反应分析仪的特点在于反应动力学参数的分析，无法应用于研究大直径流化床反应器的颗粒流化行为和气固反应状态及流化床反应器放大效应的影响。本发明在此基础上，提出了一种结构简单、实用性更强的可视化流化床反应系统，不仅可用于研究反应动力学参数测定，还可以通过更换内部组件，用于反应器放大效应研究。
【发明内容】
[0015]本发明的目的在于提出一种可用于实现可视化、反应动力学分析和反应器放大规律研究等多重功能的可视化流化床反应分析系统。本发明不仅可用于测量气固反应动力学参数，还可观察到反应器内的气固流动方式，为高温状态下气固流动和反应的模拟提供了在线观察证据。观察窗口角度可调，有利于研究流化床反应器尺寸对气固流化状态和反应的影响。同时，加热炉的内部组件易于安装和更换，提高了加热炉的实用性，延长了加热炉的使用寿命。
[0016]为达此目的，本发明采用以下技术方案:
[0017]一种可视化流化床反应分析系统，所述系统包括可视化加热炉及置于可视化加热炉中的流化床反应器；所述流化床反应器的进气口连接气体流量计，出气口连接在线气体分析装置；
[0018]所述可视化加热炉包括炉体，所述炉体由内向外依次设有内管和外管；所述内管外壁装有加热元件；所述外管外壁设有保温涂层，保温涂层的纵向中间部分留有观察窗Π ；
[0019]所述内管和外管分别通过炉盖和炉底上的内环凹槽和外环凹槽固定；所述外管可沿外环凹槽转动。
[0020]在本发明中，原料气通过流化床反应器的进气口进入，反应后的尾气从流化床反应器出气口排出；排出的尾气经脱水、净化后通入在线气体分析装置，进行气相色谱、质谱等定性和定量测量，以获得尾气的组成。
[0021]所述保温涂层的纵向中间部分与加热炉内部的均热区相持平，便于观察。
[0022]本发明所述的观察窗口即为外管外壁上的无保温涂层区域。外管外壁的其余部分均匀镀有保温涂层。
[0023]当加热温度升至700°C以上，加热元件会发出红光，能够透过保温涂层观察到反应器内颗粒的流动和流化状态；当低于700°C时，能够通过观察窗口观察到反应器内颗粒的流动和流化状态。
[0024]本发明所述保温涂层用于反射红外辐射，防止热量损失。由于高温状态下(500°C以上)的传热方式以红外辐射为主，外管表面的保温涂层可以有效把来自加热元件的红外辐射反射到反应管中心，实现保温的目的。
[0025]所述外管可以沿外环凹槽转动，有利于调整观察角度。
[0026]在所述炉盖上开有热电偶插孔，使热电偶插入所述内管的内侧以测量温度，用以控制加热炉的加热温度。
[0027]所述炉盖和炉底侧面设有螺丝凹槽，通过配套的螺丝固定在不锈钢支架上。
[0028]本发明所述观察窗口沿轴向或径向分布。
[0029]所述观察窗口的长度为20?1000mm，宽度为5?100mm。其长度可选择20.01?998mm，23 ?985mm，40 ?946mm，116 ?820mm，80 ?804mm，204 ?700mm，337 ?586mm，460 ?472mm 等；其宽度可选择 5.03 ?99.6mm，7 ?92mm，12 ?84mm，20 ?76mm，34 ?64mm，43 ?55mm，52mm等。优选地，所述观察窗口的长度为100?500mm，宽度为10?30mm。
[0030]所述内管和外管为石英管。本发明选用耐高温的石英管作为管材，能够在很大程度上耐受炉内的加热温度。
[0031]所述炉底和炉盖为耐高温陶瓷、高纯氧化铝、高纯氧化镁、金属铝的一种或混合物。炉底和炉盖表面光滑。
[0032]所述分析系统还包括高速摄像系统，其高度与可视化加热炉的观察窗口相持平。
[0033]所述可视化加热炉外部设有磁场线圈，从而可形成磁场环境可视化流化床反应分析系统。一方面，磁场环境可以强化磁性颗粒的流化性能，使气体的流动接近平推流，有利于实现微分反应的功能；另一方面其磁场环境为强化超细颗粒的流化提供了一种有效手段，使本发明的分析系统用于研究超细或纳米颗粒的流化行为和反应性能成为可能。
[0034]所述磁场线圈的磁场强度范围为20高斯(Gs)?I特斯拉(T)，其磁场强度大小与磁场线圈的匝数和铜丝的直径有关。所述磁场线圈由2?20个线圈组成，线圈之间通过铜丝连接；磁场线圈的两端与磁场控制单元连接。
[0035]所述可视化加热炉的外部还设有升降装置，用于调节可视化加热炉与磁场线圈的轴向相对位置。所述升降装置的升降速率为O?100mm/min。所述升降装置承载重量不低于 50kgo
[0036]本发明所述内管外壁上设有的加热元件有两种固定方式:
[0037]所述内管外壁设有螺旋状凹槽，用于支撑加热元件；或，所述内管外壁设置支撑架，在支撑架上设有卡槽，用于支撑加热元件。
[0038]所述加热元件的两端从炉底引出，连接控制电源。
[0039]所述内管的直径为30?180mm,例如可选择30.02?178mm, 58?150mm, 70?132mm, 81 ?110mm, 10mm 等，优选 80mm。
[0040]所述外管的直径为50?200mm,例如可选择50.2?198.6mm, 68?142mm, 83?120mm, 90 ?108mm, 10mm 等，优选 110mm。
[0041]所述内管和外管的高度为100?100mm,例如可选择100.3?995mm, 190?880mm, 260 ?765mm, 328 ?660mm, 364 ?604mm, 390 ?570mm, 420 ?527mm, 456 ?500mm等，优选300?400mm η
[0042]所述加热元件为镍铬合金电阻丝、硅碳棒或硅钥棒。镍铬合金电阻丝的直径为0.5 ?5mm,例如可选择 0.51 ?4.96mm, 0.6 ?3.8mm, 0.72 ?2.64mm, 0.9 ?1.4mm, 1.5mm等，优选l_3mm。
[0043]所述娃碳棒或娃钥棒的直径为3_8mm,优选为5mm。
[0044]所述保温涂层为银、锡、钛、金、铜、镁、锰、钥、钨或锆中的一种或至少两种的合金涂层。典型但非限制性的例子包括:银，金，铜，鹤，镁，锡和钛的组合，钛和钥的组合，金和锆的组合，锡和锰的组合，金、铜和钨的组合，锡、钛和锰的组合，银、钨、锰和钥的组合，钨、锆、钛和金的组合等，皆可用于实施本发明。
[0045]或，所述保温涂层为钛、锆、锰、镁、铜、镍或铁的氧化物中的一种或至少两种的混合物涂层。典型但非限制性的例子包括:氧化钛，氧化铜，氧化铁，氧化锆和氧化镁的组合，氧化钛和氧化镍的组合，氧化错、氧化镁和氧化猛的组合，氧化钛、氧化猛和氧化铁的组合，氧化锆、氧化镁、氧化镍和氧化钛的组合等，皆可用于实施本发明。
[0046]所述保温涂层的厚度为5?500nm,例如可选择5.02?496nm,8?460nm, 15?421nm, 40 ?400nm, 53 ?375nm, 80 ?340nm, 120 ?318nm, 148 ?300nm, 180 ?264nm, 234nm等，进一步优选为20?lOOnm。
[0047]所述可视化加热炉的加热功率为500?5000W，加热温度范围为100?1100°C，升温速率为5?50°C /min。所述最高加热温度和升温速率与内管直径和高度有关，同时还与加热元件的直径和长度有关。
[0048]所述流化床反应器包括流化床内管和流化床外管，所述流化床内管和流化床外管之间通过磨口密封；所述流化床外管上部设有气体入口；所述流化床内管的底部为气体分布器，其顶部为气体出口。
[0049]所述气体分布器为烧结板分布器或多孔板分布器。
[0050]所述流化床内管和流化床外管为石英管。所述流化床内管分为下部的流化段和上部的扩大段。所述流化床内管与流化床外管的中部环隙为预热区。
[0051]原料气通过流化床外管上部气体入口进入，依次经过反应器外环预热区、气体分布器，与流化床内管内的颗粒充分接触，并使其处于流化状态；反应后的尾气从流化床内管顶部的气体出口排出。
[0052]本发明所述的流化床反应器结构简单灵活，可迅速放入高温的加热炉中，也可迅速从高温的加热炉中取出；通入的原料气经过预热后与固体物料接触并反应。
[0053]与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果:
[0054]本发明所述的可视化流化床反应分析系统结构简单、体积小，易于更换流化床反应器和可视化加热炉等关键组件，可应用于测量多相复杂体系的近本征反应动力学参数；同时可直接观察加热状态下的多相复杂反应过程颗粒、气泡等多尺度结构的流动和流化行为。磁场环境不仅可以强化磁性颗粒的流化性能，使气体的流动接近平推流，有利于实现微分反应的功能；还可以用于研究磁场环境或无磁场条件下多相反应过程颗粒、气泡等多尺度结构的流动和流化行为、晶体结构变化等。而且，更重要的是，该分析系统易于更换可视化加热炉和流化床反应器，用以研究流化床反应器尺寸对气固流化行为和反应的影响，以及研究大规模流化床反应器中气固反应和流化床状态等。特别地，带有观察窗口的外管可以沿外环凹槽转动，调整观察窗口的角度，有利于研究流化床中不同位置的颗粒的流动和流化状态。
【专利附图】
【附图说明】
[0055]图1是本发明所述可视化流化床反应分析系统的结构示意图；
[0056]图2是本发明所述流化床反应器的结构示意图；
[0057]图3是本发明所述可视化加热炉的结构示意图；
[0058]图4是实施例2中甲烷化催化剂的流化状态；其中，(a)是不加磁场条件下；(b)是加磁场条件下；
[0059]图5是实施例3中纳米氧化铁还原制备纳米铁粉过程中流化照片
[0060]图中:1-1:可视化加热炉；1_2:流化床反应器；1_3:磁场线圈；1_4:升降装置；
1-5:温控系统；1_6:磁场控制系统；1_7:气体流量计；1_8:气体在线分析装置；1_9:高速摄像系统；
[0061]2-1:流化床内管'2-2:流化床外管；2_3:气体分布器；2_4:流化段；2_5:扩大段；
2-6:气体入口 ；2-7:气体出口 ；2-8:预热区；
[0062]1-内管；2-外管；3_炉盖；4_炉底；5_加热兀件；6_保温涂层；7_热电偶插孔；8-热电偶；9_保护套管；10_控制装置。
[0063]下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
【具体实施方式】
[0064]下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0065]为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下:
[0066]附图1示出了本发明的可视化流化床反应分析系统的结构示意图，包括可视化加热炉1-1及置于可视化加热炉1-1中的流化床反应器1-2 ;所述流化床反应器1-2的进气口连接气体流量计1-7，出气口连接气体在线分析装置1-8 ;还包括高速摄像系统1-9，其高度与可视化加热炉1-1的观察窗口相持平。所述可视化加热炉1-1外部设有磁场线圈1-3和升降装置1-4，升降装置1-4可用于调节可视化加热炉1-1与磁场线圈1-3的轴向相对位置。磁场线圈1-3的两端与磁场控制单元1-6连接。可视化加热炉1-1中的加热元件5与温控装置1-5连接。
[0067]可视化加热炉1-1的温控装置1-5、升降装置1-4、磁场线圈1_3的磁场控制装置
1-6、气体流量计1-7、气体在线分析装置1-8和高速摄像系统1-9通过信号线与计算机连接，统一由计算机PLC软件控制和输出。
[0068]附图2示出了本发明的一种流化床反应器结构示意图，包括流化床内管2-1和流化床外管2-2，所述流化床内管2-1和流化床外管2-2之间通过磨口密封；所述流化床外管
2-2上部设有气体入口2-6 ;所述流化床内管2-1的底部为气体分布器2-3，其顶部为气体出口 2-7。所述流化床内管2-1和流化床外管2-2为石英管；所述流化床内管2-1分为下部的流化段2-4和上部的扩大段2-5 ;所述流化床内管2-1与流化床外管2-2的中部环隙为预热区2-8。原料气通过流化床外管2-2上部气体入口 2-6进入，依次经过反应器外环的预热区2-8、气体分布器2-3，与流化床内管2-1内的颗粒充分接触，并使其处于流化状态；反应后的尾气从流化床内管2-1顶部的气体出口 2-7排出。
[0069]参照附图3，本发明所述的一种可视化加热炉由内管1、外管2、炉盖3和炉底4四部分构成。本发明的内管1、外管2、炉盖3和炉底4的固定是通过炉盖3和炉底4侧面螺丝凹槽和螺丝固定在配套的不锈钢支架上。内管1、外管2通过炉盖3和炉底4的圆形凹槽固定，通过调节炉盖3和炉底4间的距离，可以使外管2沿圆形凹槽转动，有利于调节观察窗口的角度。
[0070]内管I外壁装有加热元件5，外管2外壁设有保温涂层6。在炉盖3上面开有热电偶插孔7，使热电偶8插入内管I的内侧以测量温度，热电偶8的外部由保护套管9包裹，其输出端与控制装置10连接，目的是控制加热炉的加热温度。
[0071]本发明所述可视化流化床反应分析系统的基本操作过程是:
[0072]向流化床反应器1-2的流化床内管2-1中装入适量的固体颗粒；原料气通过气体流量计1-7从流化床反应器1-2的上部气体入口 2-6进入流化床反应器1-2，经过反应器外环的预热区2-8、气体分布器2-3与气体分布器2-3上方的颗粒接触反应，并使床内颗粒处于流化状态。反应后的尾气从流化床内管2-1的顶部气体出口 2-7排出；排出的尾气经脱水、净化后通入气体在线分析装置1-8，主要由气相色谱、质谱分析系统，可以在线测量反应气体产物浓度、组成随温度或时间的变化关系。这样，根据气体产物的浓度变化，可确定该反应条件下的反应速率，并进一步根据Arrhenus公式计算出反应活化能等反应动力学参数。
[0073]通过调节升降装置1-4的升降距离调节可视化加热炉1-1与磁场线圈1-3的位置；磁场强度的大小通过磁场控制系统1-6调节磁场线圈1-3的电流大小实现的；同时，打开高速摄像系统1-9，调节高速摄像系统1-9与可视化加热炉1-1的轴向相对位置至合适的位置，使高速摄像系统1-9能清晰地观察流化床反应器1-2内的物料；调节气体流量计1-7的气体流量，使床内的物料处于流化状态，利用高速摄像系统1-9观察床内物料的颗粒聚团及气泡的大小、流化状态。通过软件处理，可以获得气泡的上升速度、颗粒移动速度等重要数据。
[0074]本发明所述分析系统结构简单、体积小；磁场强化颗粒流化质量好，使所测量的反应动力学参数接近本征动力学；同时可直接观察室温?1000°c范围内任意温度下的颗粒、气泡等多尺度结构的流动和流化行为。
[0075]实施例1
[0076]以甲烷-二氧化碳重整反应过程为例，进一步阐述本发明的可视化流化床反应分析系统的【具体实施方式】。
[0077]本实施例以带有观察窗口的镀膜的可视化加热炉作为甲烷-二氧化碳重整反应的加热装置。可视化加热炉的内管外壁设有螺旋状凹槽，加热元件采用Cr20Ni80耐高温电阻丝，其直径为1.0mm，外管外壁的保温涂层为镀金涂层，涂层厚度50nm;在加热炉中心部分沿径向设有无金属镀层的观察窗口。加热炉的加热功率为2000W，最高加热温度950°C。
[0078]所用甲烷重整催化剂为N1-Co-Al2O3双金属催化剂(Ni和Co质量分数均为20wt% ),颗粒直径为10?50 μ m ;所用流化床反应器内径为30mm ;所用流化气体的流化气速为0.05m/s，流化气体组成为甲烷:二氧化碳的摩尔比为1:1 ;反应前，预先从室温程序升温至800°C，用时20min，在800°C恒温还原活化4h，然后升温至反应温度为900°C ;反应过程中通过观察窗口可观察到重整催化剂的流化状态。
[0079]反应后的气体通过Inficon便携式气相色谱仪分析气体产物组成，计算得出二氧化碳的转化率为96%，甲烷的转化率为93%，氢气选择性92%，CO选择性99%。
[0080]实施例2
[0081]以一氧化碳甲烷化反应为例，进一步阐述本发明的可视化流化床反应分析系统的【具体实施方式】。
[0082]本实施例以带有观察窗口的镀膜的可视化加热炉作为一氧化碳甲烷化反应的加热装置。可视化加热炉的内管外壁设有螺旋状凹槽，加热元件为Cr20Ni80耐高温电阻丝，其直径为^!!!!!!，外管外壁的保温涂层为镀银涂层’涂层厚度^^!!!!!。在加热炉中心部分沿轴向设有无金属镀层的观察窗口。加热炉的加热功率为500W，最高加热温度600°C。
[0083]所用甲烷化催化剂为N1-Al2O3催化剂(Ni的质量分数20wt%)，颗粒直径为30?70 μ m ;所用流化床反应器内径为20mm ;所用流化气体的流化气速为0.0lm/s，流化气体组成为氮气:氢气:一氧化碳=1:3:1 ;反应前,预先从室温程序升温至800°C,用时40min,在800°C恒温还原活化2h，然后降温至反应温度为350°C;反应后的气体通过Inficon便携式气相色谱仪分析气体产物组成，计算得出一氧化碳的转化率为96%，甲烷的选择性为83%，甲烷收率80%。如图4所示。可以明显看出，在不加磁场条件下甲烷化催化剂的流化状态较差，气泡较大，存在偏流现象；而添加磁场条件下(300Gs)，甲烷化催化剂的流化状态呈现磁稳床状态，催化剂颗粒呈针状均匀分散在床层中。
[0084]实施例3
[0085]以氢气还原纳米氧化铁为例，进一步阐述本发明的可视化流化床反应分析系统的【具体实施方式】。
[0086]本实施例以带有观察窗口的镀膜的可视化加热炉作为氢气还原纳米氧化铁反应的加热装置。内管外壁设置支撑架，所述支撑架上有卡槽，加热元件为硅钥棒，其直径为5.0_，外管外壁的保温涂层为镍-钨合金涂层，涂层厚度20nm。在加热炉中心部分沿径向设有无金属镀层的观察窗口。加热炉的加热功率为4000W，最高加热温度1050°C。
[0087]所用纳米氧化铁为国药集团公司生产的氧化铁粉(氧化铁纯度99%，颗粒直径为240nm);所用流化床反应器内径为30mm ;所用流化气体的流化气速0.05m/s，流化气体组成为氮气:氢气=1:1 ;还原反应温度为600°C ;反应过程中通过观察窗口可观察纳米铁粉均勻流化，见图5,在600°C还原反应15min后观察到失流,失流时的纳米铁粉聚团的平均颗粒直径为10 μ m，产品铁的质量分数为95.5wt%。
[0088]实施例4
[0089]本实施例以带有观察窗口的镀膜的可视化加热炉作为制备碳纳米管的加热装置。内管外壁设置支撑架，所述支撑架上有卡槽，加热元件为Cr20Ni80耐高温电阻丝，其直径为2.0mm，外管外壁的保温涂层为氧化镁涂层，涂层厚度lOOnm。在加热炉中心部分沿径向设有无金属镀层的观察窗口。加热炉的加热功率为2000W，最高加热温度1000°C。
[0090]所用催化剂为FeMo催化剂；所用流化床反应器内径为20mm ;所用碳源为5%的甲烷平衡气为氦气；反应温度为900°C ;磁场强度0.2T，反应过程中通过观察窗口可观察到碳管的生长过程。反应3h后可得到长度均匀、疏松的阵列碳纳米管。
[0091]实施例5
[0092]以脱除催化裂化(FCC)再生器烟气中NOx为例，进一步阐述本发明的可视化流化床反应分析系统的【具体实施方式】。
[0093]本实施例以带有观察窗口的镀膜的可视化加热炉作为脱除催化裂化(FCC)再生器烟气中NOx反应的加热装置。可视化加热炉的内管外壁设有卡槽，加热元件为硅碳棒，其直径为8_，中管外壁的保温涂层为镀金涂层，涂层厚度50nm。在加热炉中心部分沿轴向设有无金属镀层的观察窗口。加热炉的加热功率为5000W，最高加热温度1100°C。
[0094]所用脱硝催化剂为积碳的FCC裂化催化剂，所用流化床反应器内径为20_ ;所用流化气体的流化气速0.01m/s，流化气体为CO和氩气的混合气(CO的体积分数为4% );由于FCC催化剂流化质量好，无需用磁场强化。实验时调节升降装置，使加热炉升高300_，移动速率100mm/min。脱硝反应温度为700°C;气体产物经脱水处理后通入Ν0/Ν02/Ν0χ在线检测NO、NO2的逸出行为。
[0095] 申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明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，对本发明的任何改进，对本发明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，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
[0096]以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0097]另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0098]此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
【权利要求】
1.一种可视化流化床反应分析系统，其特征在于，所述分析系统包括可视化加热炉(1-1)及置于可视化加热炉(1-1)中的流化床反应器(1-2);所述流化床反应器(1-2)的进气口连接气体流量计(1-7)，出气口连接气体在线分析装置(1-8)； 所述可视化加热炉(1-1)包括炉体，所述炉体由内向外依次设有内管(I)和外管(2);所述内管(I)外壁装有加热元件(5);所述外管(2)外壁设有保温涂层￠)，保温涂层(6)的纵向中间部分留有观察窗口(22)； 所述内管(I)和外管(2)分别通过炉盖(3)和炉底(4)上的内环凹槽和外环凹槽固定；所述外管(2)可沿外环凹槽转动。
2.如权利要求1所述的分析系统，其特征在于，在所述炉盖(3)上开有热电偶插孔(7)，使热电偶⑶插入所述内管⑴的内侧以测量温度； 优选地，所述炉盖(3)和炉底(4)侧面设有螺丝凹槽，通过配套的螺丝固定在不锈钢支架上； 优选地，所述内管(I)和外管(2)为石英管。
3.如权利要求1或2所述的分析系统，其特征在于，所述分析系统还包括高速摄像系统(1-9)，其高度与可视化加热炉(1-1)的观察窗口(22)相持平。
4.如权利要求1-3之一所述的分析系统，其特征在于，所述可视化加热炉(1-1)外部设有磁场线圈(1-3)； 优选地，所述磁场线圈(1-3)由2-20个线圈组成，线圈之间通过铜丝连接，磁场强度范围为20Gs?IT ； 优选地，所述可视化加热炉(1-1)的外部还设有升降装置(1-4)，用于调节可视化加热炉(1-1)与磁场线圈(1-3)的轴向相对位置； 优选地，所述升降装置(1-4)的升降速率为O?100mm/min ； 优选地，所述升降装置(1-4)承载重量不低于50kg。
5.如权利要求1-4之一所述的分析系统，其特征在于，所述内管(I)外壁设有螺旋状凹槽，用于支撑加热元件(5);或，所述内管(I)外壁设置支撑架，在支撑架上设有卡槽，用于支撑加热元件(5)； 优选地，所述加热元件(5)的两端从炉盖(3)和炉底(4)引出，连接控制电源。
6.如权利要求1-5之一所述的分析系统,其特征在于,所述加热兀件(5)为镍铬合金电阻丝、娃碳棒或娃钥棒；优选地，镍铬合金电阻丝的直径为0.5?5mm,进一步优选l_3mm。
7.如权利要求1-6之一所述的分析系统，其特征在于，所述保温涂层(6)为银、锡、钛、金、铜、镁、锰、钥、钨或锆中的一种或至少两种的合金涂层；或，所述保温涂层(6)为钛、锆、锰、镁、铜、镍或铁的氧化物中的一种或至少两种的混合物涂层； 优选地，所述保温涂层(6)的厚度为5?500nm，进一步优选为20?lOOnm。
8.如权利要求1-7之一所述的分析系统，其特征在于，所述可视化加热炉(1-1)的加热功率为500?5000W，加热温度范围为100?1100°C，升温速率为5?50°C /min。
9.如权利要求1-8之一所述的分析系统，其特征在于，所述流化床反应器(1-2)包括流化床内管(2-1)和流化床外管(2-2)，所述流化床内管(2-1)和流化床外管(2-2)之间通过磨口密封；所述流化床外管(2-2)上部设有气体入口(2-6);所述流化床内管(2-1)的底部为气体分布器(2-3)，其顶部为气体出口(2-7)。
10.如权利要求9所述的分析系统，其特征在于，所述流化床内管(2-1)和流化床外管(2-2)为石英管； 优选地，所述流化床内管(2-1)分为下部的流化段(2-4)和上部的扩大段(2-5)； 优选地，所述流化床内管(2-1)与流化床外管(2-2)的中部环隙为预热区(2-8)。
【文档编号】G01N25/00GK104316556SQ201410594385
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】李军, 朱庆山, 李洪钟, 芦亚军 申请人:中国科学院过程工程研究所