一种用于热重设备的反应器组件及热重设备的制作方法

本发明涉及热重分析领域，具体地，涉及一种用于热重设备的反应器组件及热重设备。

背景技术：

热重分析是指在设定反应气氛下分析样品的质量随温度或时间的变化关系，一般借助tg(thermalgravityanalysis)曲线和/或dtg(differentialthermalgravity)曲线进行分析。这种热重分析一般用于研究材料的组份、热稳定性、氧化与还原、吸附与脱附、反应动力学和添加剂与催化剂的影响等。

中国专利申请cn103760054a公开了一种用于大试样测试的热重反应器，如图1所示，该热重反应器包括高温反应器2、电加热炉1、液压升降平台3、密封箱4以及气源，其中，结合图2所示，高温反应器2由内管2-1和外管2-2构成，内管2-1自下而上由一体的管体2-11和扩张头2-12构成，管体2-11底部具有均匀分布的孔洞，管体2-11位于外管2-2内，外管2-2上部具有反应气氛进气口2-2a。高温反应器2的外管2-2置入电加热炉1内，密封箱4下端通过连接卡套7和内管2-1的扩张头上端连接，密封箱4上设有保护气氛进气口4-1，密封箱4内的隔板4-2上设置有称重传感器5，称重传感器5上方安装有上热电偶，固定于密封箱4顶部，称重传感器5下端通过穿入高温反应器2内管2-1的不锈钢丝与吊杆10连接，吊杆10下端连接吊篮，吊篮下方设有下热电偶。来自气源的反应气体首先自上而下通过外管环形管道，然后经过内管底部孔板向上进入内管参与反应。

然而，上述热重反应器存在以下缺陷：1)由于气体经预热后从内管2-1的底部上升，因此会对吊篮产生向上的浮力，而这种浮力最终会影响待测试 样品的质量测量精度；2)当该热重反应器处理样品量较大时，气体与固体样品的接触不完全。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于热重设备的反应器组件及热重设备，以克服现有技术中存在的测量不准确以及气体与固体样品的接触不完全的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于热重设备的反应器组件，所述反应器组件包括具有至少双层壁的容器，该容器的相邻的壁之间的空间为可封闭的并用于放置待测样品。

优选地，所述容器包括外底壁、从所述外底壁向上延伸的外侧壁以及位于该外侧壁内侧的内侧壁，所述内侧壁和外侧壁沿与所述反应器组件的纵向垂直的方向间隔设置，以形成所述空间的至少一部分。

优选地，所述容器还包括内底壁，该内底壁位于所述内侧壁的底部并与所述内侧壁固定连接，所述内底壁与所述外底壁沿所述反应器组件的纵向间隔设置，以形成所述空间的至少一部分。

优选地，所述反应器组件还包括用于连接所述内侧壁与所述外侧壁并从顶部封闭所述空间的法兰。

优选地，所述内侧壁的底部固定连接于所述外底壁的内表面。

优选地，所述容器的外侧壁和内侧壁均形成为筒形结构，所述外侧壁和内侧壁之间的环隙形成为所述空间的至少一部分。

优选地，所述反应器组件包括能够放置在所述空间中的取放部件，该取放部件用于使待测样品处于或离开所述空间中的恒温区。

优选地，所述取放部件为设置有孔结构的筛网部件。

优选地，所述筛网部件包括紧密贴合地套设在所述内侧壁外的第一筛网部件以及能够与所述第一筛网部件连接并套设在该第一筛网部件外的第 二筛网部件，所述第二筛网部件与所述外侧壁紧密贴合；所述第一筛网部件和第二筛网部件均具有底壁以及从底壁向上延伸的侧壁，所述第一筛网部件的底壁与所述第二筛网部件的底壁沿所述反应器组件的纵向间隔设置。

优选地，所述取放部件包括同轴设置的内周壁、外周壁和连接所述内周壁和外周壁底端的环形底壁。

优选地，所述环形底壁与所述外底壁沿所述反应器组件的纵向间隔设置，以将所述待测样品置于所述空间中的恒温区。

优选地，所述反应器组件包括进气管以及设置在所述空间内并位于所述取放部件下方的气体分布器，所述进气管的一端用于与气源连通，所述进气管的另一端伸入至所述气体分布器中。

本发明还提供一种热重设备，该热重设备包括所述反应器组件、用于加热所述容器的加热装置以及与所述容器连接的称重装置，且该容器悬吊于所述称重装置的下方。

优选地，所述加热装置包括围设在所述外侧壁外的第一加热装置以及与所述第一加热装置固定连接并设置在所述内侧壁内侧的第二加热装置。

优选地，所述加热装置包括间隔地设置在所述外底壁下方的第三加热装置。

本发明提供的用于热重设备的反应器组件能够适用于处理样品量较大的情形，在反应中，固体样品在容器内呈现薄层状态，从而使固体样品与气体接触完全，反应充分，而且由于本发明不采用吊篮盛放待测样品，因此不存在现有技术中存在的由于气体的上升对吊篮产生的浮力进而导致测量不准确的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术中的用于大试样测试的热重反应器的结构示意图。

图2是现有技术中的用于大试样测试的热重反应器的高温反应器的结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式提供的热重设备的正面示意图。

图4是本发明的具体实施方式提供的热重设备的部分结构的正面示意图。

图5是本发明的具体实施方式提供的热重设备的俯视图(部分剖视)。

图6是本发明的具体实施方式的实验数据曲线(tg曲线)。

附图标记说明

1：电加热炉；2：高温反应器；

2-1：内管；2-11：管体；

2-12：扩张头；2-2：外管；

2-2a：反应气氛进气口；3：液压升降平台；

4：密封箱；4-1：保护气氛进气口；

4-2：隔板；5：称重传感器；

7：连接卡套；10：吊杆；

11：容器；12：外侧壁；

13：空间；14：出气口；

15：进气口；16：外底壁；

17：内侧壁；18：内底壁；

21：第一加热装置；

22：第二加热装置；23：第三加热装置；

30：称重装置；40：取放部件；

41：第一筛网部件；42：第二筛网部件；

50：气体分布器；61：第一热电偶；

62：第二热电偶；70：螺栓；

80：进气管；a：气体流出方向；

b：气体流入方向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指参考附图所示的上、下、左、右；“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。

基于现有技术中的热重反应器存在的由于气体的上升对吊篮产生的浮力进而导致测量不准确的问题以及气体与固体样品接触不完全的问题，本发明提供了一种用于热重设备的反应器组件及热重设备，以解决上述技术问题。下文将参考附图对该反应器组件及热重设备进行详细的描述。

实施方式1

适当地参考图3，在本实施方式中，本发明提供的用于热重设备的反应器组件包括具有至少双层壁的容器11，该容器11的相邻的壁之间的空间13为可封闭的并用于放置待测样品。

与现有技术相比，本发明中用于放置待测样品的场所与现有技术完全不同，在本发明中通过采用包括至少双层壁的容器11，从而使待测样品能够以薄层状的形式放置在空间13中，避免了像现有技术一样将待测样品堆放在 一起而造成的气体与固体样品接触不完全的问题，同时也正是由于本发明中反应器组件的结构与现有技术不同，从而使本发明也不存在现有技术中的由于气体的上升对吊篮产生的浮力进而导致测量不准确的问题。而且，本发明中的反应器组件能够适用于处理样品量较大的情形。

正如上文所描述的，所述容器11的壁至少为双层，使用时可以将相邻的壁之间的空间作为放置待测样品的场所。为了方便地描述本发明，下文将以容器11的壁为双层壁的情况对本发明进行描述。

其中，所述容器11包括外底壁16、从所述外底壁16向上延伸的外侧壁12以及位于该外侧壁内侧的内侧壁17，所述内侧壁17和外侧壁12沿与反应器组件的纵向垂直的方向间隔设置，以形成空间13的至少一部分。

具体地，作为该实施方式的一种具体实现形式，所述容器12还包括内底壁18，该内底壁18位于内侧壁17的底部并与内侧壁17固定连接，所述内底壁18与所述外底壁16沿反应器组件的纵向间隔设置，以形成空间13的至少一部分，可以理解的是，在这种情况下，容器11形成的空间沿反应器组件的纵向截面为凹字形。此时，容器1的内侧壁17与外侧壁16之间可以通过刚性装置连接，例如，内侧壁17与外侧壁16之间可以通过法兰连接(例如，法兰与内侧壁17与外侧壁16之间可以通过螺栓70连接)，并且该法兰设置在容器11的顶部，以从顶部封闭所述空间13，其中，法兰与容器11之间可以通过密封垫进行密封，例如可以通过石墨垫圈密封。

其中，所述容器11的外侧壁12和内侧壁17的形状可以有多种形式，例如，正方形、长方形等。在本实施方式中，所述容器11的外侧壁12和内侧壁17均形成为筒形结构，所述外侧壁12和内侧壁17之间的环隙形成为空间13的至少一部分。其中，上述容器11可以由06cr17ni12mo2材料制成，容器11的外侧壁12形成的筒形结构的规格可以为φ150×500mm，内侧壁17形成的筒形结构可以有多种规格，典型的有φ120×470mm，容积为 3.1l；φ130×475mm，容积为2.13l；φ140×480mm，容积为1.1l。一般地，容器11的恒温段为220mm，在实际的实验过程中装料的高度约为200mm，上述三种典型的容器11的有效装料容积分别为1.23l、0.85l、0.44l。在实际情况下，可以根据物料(即待侧样品)的不同性质选择不同的规格的容器11。

其中，为了方便待测样品的取放同时方便调整待测样品的位置，所述反应器组件包括能够放置在空间13中的取放部件40，该取放部件40用于使待测样品处于或离开空间13中的恒温区。具体地，在反应前可以先将样品放置在取放部件40中，然后再将放置有样品的取放部件40放入空间13中。当然，也可以将样品直接放入容器11的空间13中，例如，当待测样品为很细的粉末状时，可以将样品直接放入空间13中，可以理解的是，此处是不设置气体分布器(见下文)的情况。优选地，所述取放部件40为设置有孔结构的筛网部件，以能够使气体通过，所述孔的大小可以根据实际情况进行选择。

为了极大的减小传热阻力，从而使温度分布更加均一，结合图4和图5所示，所述筛网部件包括紧密贴合地套设在所述内侧壁17外的第一筛网部件41以及能够与第一筛网部件41连接并套设在该第一筛网部件41外的第二筛网部件42，所述第二筛网部件42与外侧壁12紧密贴合，因为如果筛网部件与容器11不贴合，则容器11与筛网部件之间就会存在气体，从而增大传热阻力，使得温度分布不均一。另外，所述第一筛网部件41和第二筛网部件42均具有底壁以及从底壁向上延伸的侧壁，其中，所述第一筛网部件41的底壁与第二筛网部件42的底壁沿反应器组件的纵向间隔设置，也就是说，在这种情况下，取放部件40的沿反应器组件的纵向截面为凹字形。当所述容器11的外侧壁12和内侧壁17均形成为筒形结构时，第一筛网部件41和第二筛网部件42相应地也可以设置为筒形，例如，筛网部件可以使用 网孔小于样品粒径的筛网编织而成。

当然，作为本实施方式的一种变形结构，所述取放部件40可以包括同轴设置的内周壁、外周壁和连接内周壁和外周壁底端的环形底壁。也就是说，在这种情况下，取放部件40的沿垂直于反应器组件的纵向的横截面为环形。其中，在该变形结构中，所述环形底壁与外底壁16沿反应器组件的纵向间隔设置，以将待测样品置于空间13中的恒温区。

为了能够在反应需要载气或者某些反应气体的情况下提供气体，所述反应器组件包括进气管80以及设置在空间13内并位于取放部件40下方的气体分布器50(可以理解的是，在本实施方式中，气体分布器50为柱形结构)，所述进气管80的一端用于与气源连通，所述进气管80的另一端伸入至气体分布器50中，其中，进气管80可以伸入至气体分布器50中并距容器11的外底壁5-10mm处，气体分布器50可以设置在距容器11的外底壁15mm处。反应气体可以通过容器11的进气口15并沿图4中的气体流入方向b进入进气管80中，经预热后从气体分布器50上升参与反应，从而使气体均匀分布，减小因气流扰动带来的测量误差，反应后，剩余气体或反应生成的气体沿气体流出方向a流出。优选地，所述进气管80位于取放部件40的外部，这样进气管80不直接与样品接触，从而可以避免由于反应气体温度变化而造成质量测量误差的问题，也就是说，如果气体直接通入样品中而不进行预热，会造成由于反应气体温度变化而使测量不精确。另外，所述气源可以包括二氧化碳、一氧化碳和氮气等配气系统，从而能够进行气化及活化热失重反应。

为了保证测量精度，所述容器11的进气口15和出气口14均为偶数个，并对称设置在容器11的顶部，所述进气口15与进气管80连通。例如，如图5所示，容器11的顶部均匀对称地设置有两个进气口15和两个出气口14，这样能够保证在两个方向上减少容器11的可能的细微晃动，从而保证测量的准确性。

根据本发明的另一个方面，本发明还提供一种热重设备，该热重设备包括所述反应器组件、用于加热容器11的加热装置以及与容器11连接的称重装置30，且该容器11悬吊于所述称重装置30的下方。

在现有技术中，当该处理样品量较大时，样品内部和外部存在较大的温度梯度，尤其是在较高的升温速率的情况下样品的温度不均一现象更加明显。有鉴于此，本发明提供的热重设备的加热装置包括围设在所述外侧壁12外的第一加热装置21以及与第一加热装置21固定连接并设置在内侧壁17内侧的第二加热装置22，从而通过第一加热装置21和第二加热装置22分别对不同位置的样品进行加热，从而减小不同位置的样品的温度梯度，使温度分布均一。

其中，为了保证称重装置30能够顺利采集容器11重量变化的数据，所述容器11的外侧壁12与第一加热装置21之间存在第一间隙，所述容器11的内侧壁17与第二加热装置22之间存在第二间隙，具体地第一间隙与第二间隙都可以在5mm-10mm之间。进一步地，为扩大本发明提供的热重设备的适用性，所述加热装置包括间隔地设置在外底壁16下方的第三加热装置23。可以理解的是，在设置有第三加热装置23时，取放部件的底部优选离开容器11的外底壁16一定距离，到达恒温区。

另外，为实现自动控制，本发明中的所述热重设备包括分别用于与气源、第一加热装置21、第二加热装置22以及第三加热装置23电连接的控制器以及与该控制器电连接的显示器。可以理解地是，本发明中的热重设备还包括产物分离装置，以将产物进行分离。本发明中的加热装置的工作温度可以达到1100℃(有效恒温区)，通过在控制器中设置不同的升温程序从而为样品反应提供多种不同程序的控温方式(如升温速度、恒温段、终温、气氛等)，从而能够确保不同位置的样品能够在同一时间达到相同的温度。其中，在整个反应过程中，可以通过所述显示器实时显示温度、质量、压力、流量等数 据，从而可以根据这些数据绘图并在后台记录，记录频率可以在1～600s之间，可以根据实际情况进行调节。另外，可以通过控制器控制所提供的气体的流量，从而可以精确地为反应提供不同气体。

其中，所述第一加热装置21和/或第二加热装置22中设置有与控制器电连接的第一热电偶61(例如，将第一热电偶61设置在第一加热装置21和/或第二加热装置22的侧壁附近，以实时监测、记录和控制第一加热装置21和/或第二加热装置22的壁温)，所述容器11内设置有用于实时检测反应样品的温度的第二热电偶62(例如，如图4所示，第二热电偶62可以设置在样品的中部，以实时监测和记录样品中心点的温度)，所述第二热电偶62与控制器电连接，从而可以通过比较上述两个温度值，而考察样品的导热性能。一般地，第一热电偶61和第二热电偶62的测量范围为0～1300℃，测量精度为0.1℃。

另外，所述热重设备包括能够水平转动的升降装置，该升降装置与控制器电连接，从而能够实现无人干预的机械自动操作，便于实验开始时和结束时容器11的取放。容器11电动升降装置可以位于加热装置的一侧，例如，该升降机构可以包括电机以及与容器11连接的升降丝杆(具体地，容器11可以具有托架，该托架与升降丝杆连接)，从而可以通过电机驱动升降丝杆而带动容器11托架动作，进而带动容器11的上下提升或水平转动，便于实验结束时高温容器11的自动取放。

容器11与称重装置30可以有多种连接方式，在本实施方式中，通过下述方式实现，具体地，所述容器11设置有用于将该容器11悬吊于称重装置30下方的悬吊部件(例如，该悬吊部件可以是钢丝绳和吊耳，吊耳固定在容器上，钢丝绳的一端与吊耳连接，另一端与称重装置30连接)，所述称重装置30与控制器电连接。例如，所述称重装置可以为电子天平，该电子天平的测量范围为0～10kg，测量精度为0.01g。进一步地，所述热重设备包括用 于支撑称重装置30的支撑板，该支撑板能够水平转动并能够水平移动，从而能够方便容器的取放。

下面将通过具体的实施例验证本发明：

本实施例对500g某煤样进行热重分析，原煤粒度为3-6mm，加热速度为15℃/min，终温600℃，具体通过下述步骤实现：

1)选择内侧壁17的规格为φ130×475mm的容器11，选择孔大小为2mm的取放部件40，将样品装入取放部件40中，然后置于容器11的外侧壁12中，随后装入内侧壁17，从而使装有样品的取放部件40位于空间13中，最后通过法兰将内侧壁17和外侧壁12连接并通过石墨垫圈密封；

2)将容器置入第一加热装置21中，连接进气管80，并按照上文设置第一热电偶61和第二热电偶62，以实时监测、记录和控制第一加热装置21和第二加热装置22的壁温以及样品中心点的温度；

3)将第二加热装置22通过能够水平旋转的电动升降装置放入容器11的内侧壁17中，并通过旋转微调其位置，避免内侧壁17与第二加热装置22接触；需要说明的是，第二加热装置22可以在容器11安装完成暂未吊起时而通过电动升降装置放入；

4)通过挂环或吊耳将容器11悬吊于称重装置30的下方，并调整容器11的位置，从而避免容器11与第一加热装置21接触；

5)通过称重装置30秤取样品及容器11的初重；

6)通过控制器设置升温程序、加热速度、停留时间、终温和反应气体的流量；

7)开始实验，第一加热装置21和第二加热装置22自动按照设定速度升温，显示器记录样品失重情况，直至实验结束并获得如图6所示的tg曲线和温度-时间曲线；

图6中的试验数据表明本发明的热重设备程序升温控制精确，与现有技 术中相比tg曲线合理，从而可以说明本发明的热重设备可以实现大试样的热重测试。

实施方式2

本实施方式与实施方式1的区别之一是：所述内侧壁17的底部固定连接于外底壁16的内表面，也可以理解为，所述内底壁18与外底壁16重合，此时，容器11形成的空间13的封闭只需要通过环形的顶盖实现即可，同时，在本实施方式中，上文中的气体分布器50可以是环形结构。当然，在本实施方式中，取放部件40的沿反应器组件的纵向截面可以为凹字形，或者，取放部件40的沿垂直于反应器组件的纵向的横截面为环形。

本实施方式中的其他特征与实施方式1类似或者相同，在此不再重复。

本发明提供的热重设备能够适用于处理样品量较大的情形，在反应中，固体样品在容器11内(具体地使在取放部件40内)呈现薄层状态，从而使固体样品与气体接触完全，反应充分，而且由于取放部件40紧密贴合的设置在容器11的空间13中，因此传热阻力较小。而且，由于本发明中在容器11的外部以及内部均设置有加热设备例如，第一加热装置和第二加热装置，因此待测样品的不同位置的温度梯度极小，温度分布均一。综上所述，本发明可以实现不同升温速率、不同终温、不同升温过程、不同气体(包括氮气、一氧化碳、二氧化碳)条件下大质量试样的热失重变化及物料导热性能情况，较目前常用的热重装置更接近工业实际过程，更能满足技术工业化过程中对物料热失重分析的要求。

以上结合附图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。

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。

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。