本實(shí)用新型涉及一種高溫高壓下進(jìn)行絕熱量熱測量的反應(yīng)釜。
背景技術(shù)：
對一個(gè)具體工藝的熱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，需要獲得放熱速率、放熱量、絕熱溫升、絕熱壓升等參數(shù)，而這些參數(shù)的獲得則必須通過量熱測試。量熱儀的運(yùn)行模式包括等溫、動態(tài)和絕熱。常用量熱設(shè)備主要包括反應(yīng)量熱儀(RC1)、加速量熱儀(ARC)等絕熱量熱儀(Accelerating Rate Calorimeter and Method of Operation,US4208907)、差示掃描量熱儀(DSC)等。
對于以工藝熱風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)為目的的量熱測試而言，往往需要滿足以下幾個(gè)條件：1)樣品量足夠大，以減少放大效應(yīng)的影響；2)因?yàn)榻^熱模式往往是更加接近于實(shí)際工況熱失控時(shí)的反應(yīng)模式，因此采用絕熱模式測出的數(shù)據(jù)對于模擬工況更加適用；3)眾多反應(yīng)在高溫高壓的工況下進(jìn)行，量熱儀需要能夠模擬此類極限條件；4)工藝過程中可能涉及多相物質(zhì)之間的反應(yīng)，需要有良好的攪拌和加樣功能；5)量熱儀的phi因子(熱惰性因子)應(yīng)當(dāng)盡可能低，以免因容器吸收熱量而影響體系自身溫度升高的進(jìn)程。綜上考慮，樣品量在10g級、能夠耐受一定程度的高溫高壓極端工況、具有加樣攪拌功能、低phi值的絕熱量熱儀對于工藝熱風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)具有不可替代的意義。
美國FAI公司的VSP2設(shè)備能夠在很大程度上滿足上述需求，因此成為了熱風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)重要的工具。(Fauske,H.K.,“Emergency Relef Systems(ERS)Design,”Chemical Engineering Progress,1985,53-56；Fauske,H.K.and Leung,J.C.,”New Experimental Technique for Characterizing Runaway Chemical Reactions,”Chemical Engineering Progress,1985,81,39-46.；Askonas,C.F.,Burelbach,J,P.,and Leung,J.C,”The Versatile VSP2:A Tool for Adiabatic Thermal Analysis and Vent Sizing Applications,”2000,North American Thermal Analysis Society,28th Annual Conference.；Advanced reactive system screening tool,US6157009.)
現(xiàn)有的泄放尺寸包VSP2是一種基于溫度補(bǔ)償原理的絕熱量熱儀。其原理是將反應(yīng)體系置于絕熱環(huán)境中，通過加熱-等待-搜索或等溫兩種模式的運(yùn)行，模擬測量潛在失控反應(yīng)和量化某些化學(xué)品和混合物的熱、壓力危險(xiǎn)性。VSP2測試被用于模仿多種失控情況，如失去冷卻、失去攪拌、加料錯誤、反應(yīng)物堆積失控、物料污染和高溫分解等。測試可以在一個(gè)封閉或開放的測試單元模式下進(jìn)行，可對反應(yīng)系統(tǒng)蒸汽壓或者大量的氣體逸出進(jìn)行直接測量。測試數(shù)據(jù)包括溫度和壓力變化，這些數(shù)據(jù)可以直接應(yīng)用于工業(yè)裝置，來決定泄放氣體尺寸、驟冷槽的設(shè)計(jì)和與其他與過程安全管理相關(guān)的泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)。由于其采用了特殊的薄壁反應(yīng)池，設(shè)備的phi值可以低至1.05-1.09，其測試結(jié)果可直接應(yīng)用于工業(yè)裝置中，從而避免了枯燥的計(jì)算，來校正與厚壁測試單元相聯(lián)系的散熱效果。然而該儀器的加熱能力有限，僅允許加熱至300℃，壓力范圍上限為1900psi(130bar)，對于某些高溫高壓的危險(xiǎn)工況不適用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中無法實(shí)現(xiàn)極端條件下多種進(jìn)樣的問題，提供一種新的高溫高壓下進(jìn)行絕熱量熱測量的反應(yīng)釜。該反應(yīng)釜具有能夠?qū)崿F(xiàn)高溫高壓的極端條件下對反應(yīng)的觀測以及能夠?qū)崿F(xiàn)氣、液、固多種物料的預(yù)先和實(shí)時(shí)進(jìn)樣的優(yōu)點(diǎn)。
為解決上述問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：一種高溫高壓下進(jìn)行絕熱量熱測量的反應(yīng)釜，其特征在于所述反應(yīng)釜內(nèi)置反應(yīng)池，反應(yīng)池上接有進(jìn)氣和抽真空通道、溫度傳感器放置管套、壓力傳感器探頭開口、固體/液體進(jìn)樣口，所述反應(yīng)池內(nèi)置強(qiáng)力磁子，反應(yīng)池周圍設(shè)有加熱單元和保溫單元，通過保溫單元連接線、加熱電源連接線與溫度控制單元相連，反應(yīng)釜內(nèi)通向外部的所有線路在與釜壁相交處均設(shè)有采用線接觸密封形式的密封結(jié)構(gòu)；反應(yīng)釜頂部設(shè)有爆破片、補(bǔ)償氣通道，補(bǔ)償氣通道上設(shè)有壓力傳感器探頭，釜蓋上設(shè)有固定螺栓；反應(yīng)池側(cè)壁、保溫材料外且保溫單元內(nèi)均設(shè)有熱電偶；由釜內(nèi)部通至外部的除溫度傳感器線路以外的所有管路在釜外都首先連接冷卻系統(tǒng)；反應(yīng)釜底部設(shè)有高強(qiáng)磁力攪拌器。
上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，反應(yīng)池壁厚度為0.2-0.5mm。
上述技術(shù)方案中，優(yōu)選地，磁子上設(shè)有惰性材料外涂層。
本實(shí)用新型提供了一種絕熱量熱測量用的反應(yīng)釜，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該反應(yīng)釜可以實(shí)現(xiàn)在高溫高壓的極端條件下對反應(yīng)的觀測，能夠?qū)崿F(xiàn)氣、液、固多種物料的預(yù)先和實(shí)時(shí)進(jìn)樣，取得了較好的技術(shù)效果。
附圖說明
圖1為反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)示意圖。
圖1中，1進(jìn)氣和抽真空通道；2穿過釜壁的密封結(jié)構(gòu)；3反應(yīng)池；4強(qiáng)力磁子；5溫度傳感器放置管套；6壓力傳感器探頭；7固體/液體進(jìn)樣口；8保溫單元；9加熱單元；10保溫單元連接線；11加熱電源連接線；12放置在反應(yīng)池側(cè)壁的熱電偶；13放置在保溫材料外保溫單元以內(nèi)的熱電偶；14固定螺栓；15爆破片；16釜內(nèi)保溫材料；17補(bǔ)償氣通道；18壓力傳感器探頭。
下面通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述，但不僅限于本實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
【實(shí)施例1】
本實(shí)用新型提供一種能夠在800℃以下和20MPa以下進(jìn)行量熱測試用的反應(yīng)釜，如圖1所示：
(1)所述反應(yīng)釜外殼為不銹鋼材質(zhì)304或316L，外殼(及焊點(diǎn)、卡套)的設(shè)計(jì)壓力為40MPa，經(jīng)過水壓和氣壓測試可以耐受20MPa壓力。
(2)所述反應(yīng)釜釜內(nèi)置反應(yīng)池3，反應(yīng)池尺寸可以根據(jù)樣品量進(jìn)行調(diào)整，通常為100mL左右圓柱體。為了保證低phi值，反應(yīng)池壁厚度在0.2mm左右，材質(zhì)可以為不銹鋼316L。反應(yīng)池上可以根據(jù)需要焊接不同數(shù)目的開口，為了滿足多類物質(zhì)的進(jìn)樣需求，通常至少含有1個(gè)底部在反應(yīng)池上部氣相空間中的開口供壓力傳感器探頭6插入用，至少含有一個(gè)底部在反應(yīng)池上部氣相空間中的開口，供實(shí)驗(yàn)過程中抽至真空以及氣相進(jìn)樣用，至少含有一個(gè)開口供反應(yīng)前裝料用，還應(yīng)含有一個(gè)深入反應(yīng)池底部的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)供溫度傳感器插入用，此外還可以根據(jù)需求擴(kuò)增或減少開口數(shù)目。
(3)所述反應(yīng)池內(nèi)預(yù)置一個(gè)強(qiáng)力磁子4，磁子具有惰性材料外涂層(金屬涂層或有機(jī)物涂層)，所選用的內(nèi)部磁性材料需要避免高溫消磁。
(4)反應(yīng)池周圍放置加熱單元9和保溫單元8。
(5)所述反應(yīng)釜內(nèi)非金屬元件全部為耐高溫材質(zhì)：反應(yīng)釜頂采用線接觸的密封形式，依靠接觸面的高精度和光潔度，達(dá)到良好的密封效果。密封圈采用金屬石墨纏繞絲，釜內(nèi)無塑料材質(zhì)導(dǎo)線。
(6)由內(nèi)部通至外部的所有管路(溫度傳感器線路除外)在釜外都首先連接冷卻系統(tǒng)，以防高溫物料傷人。冷卻系統(tǒng)一般為間壁式換熱器，視反應(yīng)溫度選用不同型號，通常情況下夾套式換熱器即可滿足要求。或者，可以選用能夠耐受高溫的壓力傳感器和外連接部件。
(7)溫傳感器度和壓力傳感器產(chǎn)生模擬信號或數(shù)字信號，送至釜外進(jìn)行信號采集、信號處理和數(shù)據(jù)分析。
(8)釜蓋由固定螺栓14咬合達(dá)到密閉效果，上設(shè)置爆破片15。
反應(yīng)釜的使用方法為：
固體和液體反應(yīng)物通過反應(yīng)池上的開口加入到反應(yīng)池內(nèi)部，該開口在反應(yīng)過程中保持關(guān)閉。如需要在反應(yīng)過程中加入固體或液體反應(yīng)物，需要將此開口通過反應(yīng)釜外壁上的通道與外部物料源相連。
外部氣源通過導(dǎo)管直接連通至反應(yīng)池內(nèi)部，在反應(yīng)開始前或反應(yīng)進(jìn)程中通過控制管路上閥門的開合加入氣體反應(yīng)物(外部氣源壓力需大于反應(yīng)池內(nèi)部壓力)。
安放好反應(yīng)池和相連各管線后，關(guān)閉反應(yīng)釜頂蓋。兩層頂蓋之間用螺絲旋緊固定，保證咬合壓力高于20MPa。頂蓋上設(shè)有與釜內(nèi)想通的壓力傳感器和管線，連接補(bǔ)償氣氣源。頂蓋上設(shè)有爆破片(或安全閥)，泄壓壓力可以自行選擇。
旋緊頂蓋之后打開冷凝器，打開壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，打開攪拌，通過控制系統(tǒng)開始加熱，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)。
利用本裝置進(jìn)行渣油加氫反應(yīng)溫度壓力考察
實(shí)驗(yàn)步驟：
(1)預(yù)熱渣油，使之能流動，加入反應(yīng)池中；根據(jù)油劑比稱量催化劑的量并加入反應(yīng)池中；實(shí)驗(yàn)測試的樣品量為30g渣油，活化過的催化劑4.60g(油劑體積比4:1)；
(2)安裝加熱器，將反應(yīng)池放入高壓釜中，連接進(jìn)料管線、加熱器及溫度傳感器導(dǎo)線，反應(yīng)池接地，以排除信號雜音；反應(yīng)池和高壓釜之間的空隙中填滿玻璃棉，蓋上釜蓋，密封高壓釜；
(3)用表測試導(dǎo)線連接狀況及絕緣性能，設(shè)定加熱程序參數(shù)，啟動VSP系統(tǒng)并對溫度、壓力測定系統(tǒng)進(jìn)行校正；
(4)開啟真空管線上的電磁閥，啟動真空泵，將高壓釜內(nèi)壓力抽至-0.09MPa(g)以下后保持十分鐘，初步檢查系統(tǒng)的氣密性；
(5)打開氣瓶閥門，保證供氣系統(tǒng)能夠提供壓力大于10MPa的氣體，開啟壓力自動跟蹤系統(tǒng)；進(jìn)料管線接入氫氣瓶，向反應(yīng)池內(nèi)打入氫氣；保持十分鐘，進(jìn)一步檢查系統(tǒng)氣密性；
(6)啟動加熱系統(tǒng)，開始按設(shè)定程序升溫。升溫程序設(shè)置為階梯升溫至320℃，穩(wěn)定15分鐘后開始按照“加熱-等待-搜索”模式進(jìn)行測試。當(dāng)檢測到放熱后進(jìn)入絕熱模式，加熱若檢測不到放熱，則溫度升高10℃，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。啟動冷卻系統(tǒng)以保護(hù)壓力傳感器。溫度達(dá)到150℃時(shí)，啟動超級磁力攪拌器；
(7)觀察實(shí)驗(yàn)壓力、溫度變化，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束；
(8)打開高壓釜，取出反應(yīng)器，對其進(jìn)行清洗、吹掃；
(9)導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
用上述裝置進(jìn)行渣油在氫氣氣氛下的絕熱反應(yīng)溫度和壓力測試，在370℃時(shí)檢測到系統(tǒng)開始放熱，此時(shí)系統(tǒng)壓力為4.48Mpa。進(jìn)入絕熱模式后，系統(tǒng)自發(fā)升溫至397℃，壓力升至4.93MPa。在溫度低于384℃時(shí)，壓升速率隨溫度升高而略有增加，變化不大，壓力隨溫度升高近乎線性增大。384℃后壓力變化明顯，壓升速隨溫度增加而增大，呈現(xiàn)曲線向上趨勢。
本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于能夠進(jìn)行高溫、高壓下的絕熱量熱測量。與VSP相比，本裝置的耐壓性由5MPa提高到了20MPa，耐熱性也提高到了800℃，并能夠進(jìn)行絕熱模式、等溫模式、恒溫模式下的量熱和泄放測試。該實(shí)施例中的渣油加氫反應(yīng)，在普通量熱設(shè)備中是無法進(jìn)行測量的。