CN108620008B - 光热快速升温反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光热快速升温反应器，包括反应管，反应管外侧对称设有加热光源，反应管顶端固定连有进气腔，进气腔顶部固定连有扭动机构，扭动机构的动力输出端固定连有连接套管，连接套管伸入反应管中，连接套中固定连有可用于夹持反应物料的测温机构，反应管底端固定连有出气管。本发明的反应器是针对体积较大的块状物料进行升温实验研究设计的，利用扭动机构能够实现快速精准的顺逆时针交替转动，同时，连接套管能够约束测温机构并带动测温机构转动，进而带动物料转动从而大幅提升了物料受热均匀性，能够实现不同实验需求，加快实验进程、降低实验成本。

Description

光热快速升温反应器

技术领域

本发明涉及反应器领域，具体地指一种光热快速升温反应器。

背景技术

现代热力学和化学反应动力学实验科学研究中，反应器的设计往往至关重要。而在工业应用过程中，反应器设计和操作的好坏在很大程度上会左右整个应用过程的经济性。在化工生产设备中，反应器的投资虽只占设备总投资的一小部分，但却是化工生产的核心。化工过程研发工作，在一定程度上往往是针对化学反应过程进行的，如：反应器的选型，反应条件的优化和放大等等。

开发设计反应器主要以下三个任务：1)优化动力学特性，选择合适的反应器类型；2)结合动力学和反应器的特性，确定操作方式和优化操作条件；3)根据产量对反应装置进行设计计算，确定反应器的几何尺寸，进行评价。由于反应物料的性质、反应条件及反应规模的不同，反应器的类型、形状、大小也各异。传统升温装置使用的反应器主要存在以下问题：1)在采用高透过率反应器的光热升温装置中，反应器壁面温度很大程度上取决于反应器内部物料受热后对周围壁面产生的热反馈，而不是光源辐照，因此光热升温装置中反应器热区范围小、受物料影响大，采用光热升温的反应装置和传统升温装置使用的反应器存在诸多差异，传统反应器适用性不强；2)与此同时，在光热升温装置中，针对不同物料、不同反应形式和不同的产物及检测设备的需求，反应器需要进行的调整也更加迫切和频繁；3)而采用光热快速升温的实验装置中，对反应器的要求更加特殊，集聚的辐照光线在增强能量密度提高升温速率的同时，也很可能导致物料受热的不均匀。目前专门针对光热升温装置，尤其是光热快速升温条件下的实验反应器依然是技术空白。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种光热快速升温反应器，该反应器在光热快速升温条件下能实现物料受热均匀，且反应器调节方便，可以实现基于光热快速升温条件下的多种实验研究。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光热快速升温反应器，包括反应管，所述反应管外侧对称设有加热光源，所述反应管顶端固定连有进气腔，所述进气腔顶部固定连有扭动机构，所述扭动机构的动力输出端固定连有连接套管，所述连接套管伸入所述反应管中，所述连接套管中固定连有可用于夹持反应物料的测温机构，所述反应管底端固定连有出气管。

本发明的反应器是针对体积较大的块状物料进行升温实验研究设计的，利用扭动机构能够实现快速精准的顺逆时针交替转动，动力成本低、控制方便、扭动机构使用寿命长，同时，连接套管能够约束测温机构并带动测温机构转动，进而带动物料转动从而大幅提升了物料在光热快速升温过程中受热的均匀性；本发明的测温机构既是温度检测组件，也是物料夹持组件，能够有效减少外接固定组件对物料气氛及受热的影响；本发明反应器部件更换和调整方便，一方面可以更便捷地针对具体实验进行反应器调节，另一方面也更有利于反应器的清理和维护；本发明反应器结构简单、操作方便、还能够通过不同的部件组合方式或部分部件的更换实现不同实验的需求，加快实验进程、降低实验成本。

进一步地，所述测温机构为呈爪形布置的多组铠装热电偶，且各组所述铠装热电偶长度不一，以测量反应物料内部温度和表面温度。

进一步地，所述反应管内进气端设有进气稳流机构，所述反应管内出气端设有出气稳流机构。设置在进气端的进气稳流机构一方面能够稳定气流，另一方面能够阻隔物料在实验过程中的气体生成物；设置在出气端的出气稳流机构能够过滤反应管的出气，有效地收集物料反应后掉落的生成物或残留物，也避免了固体颗粒进入气路堵塞气管。

进一步地，所述出气管外周连有冷却机构。冷却机构设置在出气管外壁，对反应器的出气进行冷却，便于检测及产物收集。

进一步地，所述进气稳流机构和所述出气稳流机构为筛板或砂芯，所述连接套管和所述测温机构穿过所述进气稳流机构。进气稳流机构和出气稳流机构采用筛板可构成固定床反应器，采用砂芯配合气体流速调控可构成流化床反应器，进而满足不用实验需要。

进一步地，所述进气腔外周均匀连接若干进气管。通过多根进气管设置多个进气口，不但可以使得进气更加均匀，也可以满足复杂气氛的实验需求。

进一步地，所述加热光源铰接在高度调节杆上，所述高度调节杆底端固定连有与滑轨配合的滑块。加热光源能够在一定角度内转动，以满足实验过程中不同升温条件需求；通过高度调节杆加热光源可固定在竖直方向上不同位置；通过滑块与滑轨的配合，加热光源可移动位置。

进一步地，所述反应管为方管或圆管，包括进气段、反应段及出气段，各段之间连有密封连接板和紧固件。反应管为物料受热区域，反应管能够很好地透过光源发射出的辐照光束的同时还能够长期且稳定地在1100～1200℃使用，该反应管加热效率和控制精度高。密封连接板能够方便反应管与其它部件连接，并且密封连接板设置于反应管外周，反应器使用过程中密封连接板依旧保持较低的温度，从而降低了对连接件的性能要求。另外，通过密封连接板将反应管拆分为多段有利于实现反应器部件的模块化，从而方便实现部件的更换和调整，这样一方面可以更便捷地针对具体实验进行反应器调整，另一方面也更利于反应器的清理和维护；模块化的部件还能够通过不同的组合方式或部分模块的更换实现不同实验的需求，进而简化部件间的连接、加快实验进程、降低实验成本。

更进一步地，所述扭动机构为SMC型摆动回转旋转气缸。SMC型摆动回转旋转气缸能够实现快速精准的顺逆时针交替转动，且成本低、控制方便、使用寿命长。

附图说明

图1为一种光热快速升温反应器的结构示意图。

图2为图1所示光热快速升温反应器的工作状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示的光热快速升温反应器，包括反应管1，反应管1采用高透石英材料，反应管1可采用方管或圆管，优选方管，该反应管1包括进气段1.1、反应段1.2及出气段1.3，各段之间连有密封连接板15和紧固件16，密封连接板15采用石英面板，紧固件16采用聚四氟乙烯螺栓和聚四氟乙烯垫片。反应管1外侧对称设有位置可调节的加热光源2，反应管1顶端固定连有进气腔3，进气腔3外周均匀连接多根进气管11，进气腔3顶部固定连有扭动机构4，扭动机构4采用SMC型摆动回转旋转气缸，扭动机构4的气动部件上连有空压机17，扭动机构4的动力输出端固定连有连接套管5，该连接套管5为不锈钢毛细管，连接套管5伸入反应管1中，即：连接套管5穿过扭动机构4的中心通孔，通过气体管路连接件连接在扭动机构4上，所述空压机17出气口与扭动机构4进气口相连。连接套管5中固定连有可用于夹持反应物料的测温机构6，测温机构6为呈爪形布置的多组铠装热电偶，且各组铠装热电偶长度不一，以测量反应物料内部温度和表面温度。反应管1底端固定连有出气管7，出气管7外周连有冷却机构10，该冷却机构10采用下进上出的水冷组件，出气管7外壁与水冷组件中心通孔内壁套联。

上述方案中，反应管1内进气端设有进气稳流机构8，反应管1内出气端设有出气稳流机构9。进气稳流机构8和出气稳流机构9为筛板或砂芯，筛板为均布孔洞的薄石英隔板，筛板或砂芯中心设有圆孔，连接套管5和测温机构6穿过该圆孔。

上述方案中，两个加热光源2对称铰接在对称布置的两根高度调节杆12上，高度调节杆12底端固定连有与滑轨13配合的滑块14，滑轨13为正反牙双向电动丝杆滑台，通过滑块14能够带动高度调节杆12滑动，最终使得加热光源2角度、高度及位置均可调。

上述光热快速升温反应器的工作过程如图2所示：将扭动机构4的进气口与空压机17连接，同时将反应器的进气口11与反应气气罐18连接，并开启加热光源2，辐照光束透过反应管1对固定在测温机构6上的物料19进行快速升温，同时物料19在扭动机构4带动下快速精准的顺逆时针交替转动，实现均匀受热，反应完成后，气体经冷却机构10冷却后排出。其中，利用进气稳流机构8和出气稳流机构9稳定反应管1内气流；反应过程中，可根据需要调节加热光源2角度、高度及位置。

Claims (9)

1.一种光热快速升温反应器，包括反应管(1)，其特征在于：所述反应管(1)外侧对称设有加热光源(2)，所述反应管(1)顶端固定连有进气腔(3)，所述进气腔(3)顶部固定连有扭动机构(4)，所述扭动机构(4)的动力输出端固定连有连接套管(5)，所述连接套管(5)伸入所述反应管(1)中，所述连接套管(5)中固定连有可用于夹持反应物料的测温机构(6)，所述反应管(1)底端固定连有出气管(7)。

2.根据权利要求1所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述测温机构(6)为呈爪形布置的多组铠装热电偶，且各组所述铠装热电偶长度不一，以测量反应物料内部温度和表面温度。

3.根据权利要求1或2所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述反应管(1)内进气端设有进气稳流机构(8)，所述反应管(1)内出气端设有出气稳流机构(9)。

4.根据权利要求1或2所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述出气管(7)外周连有冷却机构(10)。

5.根据权利要求3所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述进气稳流机构(8)和所述出气稳流机构(9)为筛板或砂芯，所述连接套管(5)和所述测温机构(6)穿过所述进气稳流机构(8)。

6.根据权利要求1或2所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述进气腔(3)外周均匀连接若干进气管(11)。

7.根据权利要求1或2所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述加热光源(2)铰接在高度调节杆(12)上，所述高度调节杆(12)底端固定连有与滑轨(13)配合的滑块(14)。

8.根据权利要求1或2所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述反应管(1)为方管或圆管，包括进气段(1.1)、反应段(1.2)及出气段(1.3)，各段之间连有密封连接板(15)和紧固件(16)。

9.根据权利要求1所述的光热快速升温反应器，其特征在于：所述扭动机构(4)为SMC型摆动回转旋转气缸。