本发明属于生物质快速热解领域，更具体地，涉及一种用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器。
背景技术：
近年来，原油和石油资源日益紧缺，发展生物质快速热解制生物油势在必行。不同于第一代生物质制燃料乙醇仅利用生物质的糖分，第二代生物质侧重于对全组分的利用。然而，生物质三组分特别是木质素、半纤维素，由于分子量大、具有无定形结构，且其在热解中存在交互反应，给理解热解生物油的各种组分，特别是重质组分带来了很大的难度。目前，已经从单一组分对生物质快速热解产生生物油的机理进行了大量的研究，但仅从单一组分来探究生物油的组分是远远不足的，还需要对他们的交互反应进行探究。
对于生物质快速热解来说，其主要目标是提高液体产率，现有的仪器安瓿瓶由于其密闭的环境使挥发分在反应器中停留时间过长，从而发生二次反应形成焦炭的固有缺陷而不利于对生物质热解油全组分特别是重质组分的探究，因此，亟需开发一种新型反应器，有效抑制生物质热解二次反应，从而提高生物油的产率。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其目的在于，通过对反应试管及其内部垫片的设计，在保证挥发分被及时带离反应器的情况下，快速将不同组分产生的挥发份进行混合并发生交互反应，以此区别于两组分直接接触时的固/液相交互反应，有效抑制生物质热解二次反应。
为实现上述目的，本发明提出了一种用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，包括载气容器、试管、固定床炉膛、冷凝装置和气袋，其中：
所述载气容器、试管、冷凝装置和气袋依次相连，所述固定床炉膛设置在所述试管外侧；所述试管内设置有滑道，以及与该滑道啮合的多个垫片；所述垫片与所述滑道滑动接触，且垫片上均设置有通孔和凹槽，所述通孔用于载气流通，所述凹槽用于放置反应物；所述试管上设置有限位装置，该限位装置用于限制所述垫片在试管中的轴向位置。
作为进一步优选的，多个垫片形状相同，该垫片中间开设通孔，该通孔四周为环状的凹槽。
作为进一步优选的，所述垫片为两个，其形状相同，且垫片中间开设通孔，该通孔四周交替设置有多个斜通孔和凹槽，且两个垫片交错布置，使在试管轴向上，一个垫片的斜通孔与另一个垫片的凹槽位置对应。
作为进一步优选的，所述斜通孔的中心线倾斜，且斜通孔中心线与垫片表面的夹角为45°～75°。
作为进一步优选的，所述限位装置为十字交叉的针状限位棒，该针状限位棒穿过所述试管壁面，以对垫片位置进行限制。
作为进一步优选的，所述试管上开设有四组限位孔，每组限位孔供一对所述针状限位棒穿过。
作为进一步优选的，四组所述限位孔依次设置，其中，第一组限位孔与第二组限位孔，以及第二组限位孔与第三组限位孔间的距离均为所述试管的半径，第三组限位孔与第四组限位孔间的距离为所述试管的直径。
作为进一步优选的，所述试管的两端均穿过所述固定床炉膛，且试管与固定床炉膛上下接触处均设置有密封圈。
作为进一步优选的，所述载气容器与试管间设置有阀门，所述冷凝装置与气袋间设置有三通阀。
作为进一步优选的，所述试管为石英玻璃试管。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过对反应试管及其内部垫片的设计，可在保证挥发分被及时带离反应器的情况下，快速将不同组分产生的挥发份进行混合并发生交互反应，以此区别于两组分直接接触时的固/液相交互反应，可有效抑制生物质热解二次反应，对于研究生物质热解油重质组分的形成机理有重大意义。
2.本发明满足了研究反应机理时反应物用量小的原则，并通过垫片使其均匀分散布置，使反应挥发分充分混合均匀，有利于交互反应进行；此外，本发明不仅可单独研究气相交互作用，也可进一步研究气固交互、固液交互及气气交互的综合影响，具有操作简单、灵活性高、适应性广等优点。
3.本发明在于对垫片结构的设计，充分利用了静压减小对气流的卷吸作用及切向布置流道使反应热解挥发分产生自旋的原理，同时排除了气固交互的影响，对于研究生物质三组分的气相交互作用机理具有极大的作用。具体来说，本发明设计了两种垫片，其中方案一巧妙利用总压等于动压加静压的原理，通过中间孔流速大压强小于周边压强的特点产生卷吸作用完成对两挥发分的混合；方案二则利用切圆布置，形成挥发分自旋，并且考虑到地表偏转力(科氏力)的影响，垫片倾斜通孔的方向为北半球沿顺时针方向倾斜，南半球沿逆时针倾斜，在原有切圆布置的基础上进一步加大挥发分的混合程度。
4.本发明在试管内壁加装一体式滑道，垫片凹槽与滑道啮合在一起，实现了垫片在圆周方向上的相对固定，而轴向并不锁死，从而能够灵活在轴向调整两垫片的间距及在炉膛的相对位置，且滑道设计有利于精确调整垫片的交错角度。
5.本发明固定垫片的限位装置采用在试管壁打四个十字交叉的限位孔并插入针状限位棒来实现，操作简单，方便，且对气流扰动影响很小；同时通过加装限位器，垫片间距可在试管半径、试管直径、1.5倍试管直径及两倍试管直径间变动，能够较好的适用于多种工况。
附图说明
图1为本发明实施例用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器结构示意图；
图2中(a)、(b)是本发明实施例石英玻璃试管的俯视图和立体结构图；
图3中(a)、(b)是本发明实施例垫片方案一的俯视图和立体结构图；
图4中(a)、(b)是本发明实施例垫片方案二的俯视图和立体结构图；
图5是图4中垫片相应斜通孔气流方向的简化模型；
图6是本发明实施例耐高温石英玻璃试管壁面上限位孔位置示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-载气容器，2-阀门，3-导管，4-试管，5-固定床炉膛，6-滑道，7-密封圈，8-冷凝装置，9-气袋，10-垫片，11-三通阀，12-限位器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供的一种用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，如图1所示，包括载气容器1、试管4、固定床炉膛5、冷凝装置8和气袋9，其中：
所述载气容器1、试管4、冷凝装置8和气袋9依次设置，且均通过导管3连通；所述载气容器1与试管4间设置有阀门2，所述冷凝装置8与气袋9间设置有三通阀11；所述固定床炉膛5设置在所述试管4外侧，试管4的两端均穿过所述固定床炉膛5，以便于对试管4的加持及移动，且试管4与固定床炉膛5上下接触处均设置有密封圈7。
具体的，冷凝装置8为分级冷凝装置，用于对热解挥发分的冷凝与收集；导管3为耐高温玻璃导管，试管4为耐高温石英玻璃试管，该石英玻璃试管能够在高温的固定床中营造一个小环境，避免其直接在试管上缠绕电阻丝产生高温环境对实验人员造成的危险以及载气对热解气体的过度稀释。
所述试管4内壁圆周方向以每60°为间隔均匀分布有6条凸起的滑道6，如图2所示，并设置有与该滑道6啮合的多个垫片10，所述垫片10可在所述滑道6上滑动，滑道6使垫片10圆周方向被固定，只能沿轴向运动；同时，垫片10与试管4内壁严格贴合，形状适应，试管外壁可标注尺寸，方便记录并调整垫片间距，从而计算出混合的最佳距离，及交互反应的程度；垫片10上均设置有通孔和凹槽，所述通孔用于载气流通，所述凹槽用于放置反应物；所述试管4上设置有限位装置，该限位装置用于限制所述垫片10在试管4中的轴向位置。
进一步的，垫片分为两种方案，方案一通过载气的带动实现对生物质热解挥发分的快速混合，方案二通过合理分布在垫片中的斜通孔，在垫片上方形成小漩涡，以实现挥发分的自混合；所述垫片有多个，用以放置不同的反应物，这里以两个垫片为例进行说明，具体来说：
方案一：如图3所示，两个垫片形状相同，垫片中间开设通孔，该通孔四周为环状的凹槽；由图2可以看出，当载气在流经第一个垫片时，由于流通面积减小，必然会在中间开孔处产生一定的加速效果，使孔附近的静压变小，热解挥发分有向内卷吸的趋势，促进了热解挥发分与载气的混合，同样的，在经过第二个垫片时，从下方而来的纤维素(或半纤维素)热解挥发分与载气的混合物进一步与木质素热解挥发分混合，但不会与固相的木质素接触，排除气固/固液交互的影响，在气相交互下，两热解挥发分边混合，边反应，在到达炉膛出口时已经反应完毕，之后进入到冷凝装置中进行冷凝，并收集不凝性气体。
方案二：如图4所示，两个垫片形状相同，且垫片中间开设通孔，该通孔四周均匀、交替设置有三个斜通孔和三个凹槽，反应物置于沿圆周方向呈120°均匀分布的三个凹槽内，同时斜通孔沿切向倾斜，倾斜方向的简化模型如图5所示，倾斜角度为α，使经过垫片的气流形成一个沿顺时针方向的漩涡，考虑到地转偏向力的作用，会进一步加强漩涡的强度，更好的将载气与挥发分混合；垫片二与垫片一呈交错布置，交错角度为60°，即使垫片二的斜通孔与垫片一的凹槽在轴向上位置对应，当气流从位于下部的垫片一经过后，在竖直方向并不会有通孔可以使气流经过，也就是说，除了中间孔可以通过外，要从三斜通孔通过，必须要至少旋转60°，这给气流在切向上提供了一个初始速度，为气流流经位于上部的垫片二产生更强的混合作用提供了条件，能够缩短由于气相交互反应所需要的必须的停留时间，之后反应完毕的气流进入到分级冷凝装置中冷凝，不凝性气体被气袋收集。具体的，上下两垫片交错布置通过位于试管内壁沿圆周60°均匀分布的六根滑道来实现；沿圆周分布的三个斜通孔和三个凹槽可均倾斜布置。优选的，斜通孔中心线与垫片表面的夹角α为45°～75°；同时垫片的设计考虑到地转偏向力的影响，垫片斜孔的方向需要结合所处的南北半球的位置。
进一步的，所述限位装置为十字交叉的针状限位棒，该针状限位棒穿过所述试管壁面，以对垫片位置进行限制，且该针状限位棒需要避开滑道处进行设置。更进一步的，所述试管上开设有四组限位孔，每组限位孔供一对所述针状限位棒穿过；如图6所示，四组所述限位孔依次设置，其中，第一组限位孔与第二组限位孔，以及第二组限位孔与第三组限位孔间的轴向距离均为所述试管的半径r，第三组限位孔与第四组限位孔间的轴向距离为所述试管的直径d，则根据需要可以调整两垫片的间距，如放置在第一组限位孔和第二组限位孔上的两垫片间距为试管半径，放置在第一组限位孔和第三组限位孔上的两垫片间距为试管直径，放置在第二组限位孔和第四组限位孔上的两垫片间距为1.5倍的试管直径，放置在第一组限位孔和第四组限位孔上的两垫片间距为两倍试管直径。
采用上述热解反应器进行生物质组分交互反应机理研究时，首先在上下两垫片中分别装入木质素和纤维素(或半纤维素)，且垫片初始时处于试管偏下位置，并不在炉膛中，避免炉膛在升温到指定温度的过程中反应物提前发生热解反应；然后依次将装有木质素和纤维素(或半纤维素)的上下两垫片沿滑道送入指定位置，并将两根针状限位棒沿限位装置孔插入试管中进行限位，固定垫片的位置；此时打开阀门2和三通阀11，使气流沿下部管道流出，载气进入反应各管道将空气排出，之后关闭两阀门；打开固定床，将炉膛升温到600℃，之后打开阀门2及三通阀11，使气流能够通入到气袋中，将耐高温石英玻璃试管快速插入到炉膛中，两垫片上的木质素和纤维素(或半纤维素)发生快速热解，热解挥发分在载气的带动下边混合边上升，至炉膛出口处时反应完毕，并沿耐高温玻璃管道3进入分级冷凝装置8中冷凝，产生的不凝性气体随后被收集到气袋中。
本发明并不局限于两个垫片，可根据实际需要调整垫片数量，从而获得三组分间的详细反应机理。对于气固交互、固液交互及气气交互的综合影响，可通过垫片方案一，将三组分放置在一起进行热解反应，并与单独气气交互的结果对比。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，包括载气容器(1)、试管(4)、固定床炉膛(5)、冷凝装置(8)和气袋(9)，其中：
所述载气容器(1)、试管(4)、冷凝装置(8)和气袋(9)依次相连，所述固定床炉膛(5)设置在所述试管(4)外侧；所述试管(4)内设置有滑道(6)，以及与该滑道(6)啮合的多个垫片(10)；所述垫片(10)与所述滑道(6)滑动接触，且垫片(10)上均设置有通孔和凹槽，所述通孔用于载气流通，所述凹槽用于放置反应物；所述试管(4)上设置有限位装置，该限位装置用于限制所述垫片(10)在试管(4)中的轴向位置。
2.如权利要求1所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，多个垫片(10)形状相同，该垫片(10)中间开设通孔，该通孔四周为环状的凹槽。
3.如权利要求1所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述垫片(10)为两个，其形状相同，且垫片(10)中间开设通孔，该通孔四周交替设置有多个斜通孔和凹槽，且两个垫片交错布置，使在试管轴向上，一个垫片的斜通孔与另一个垫片的凹槽位置对应。
4.如权利要求3所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述斜通孔的中心线倾斜，且斜通孔中心线与垫片表面的夹角为45°～75°。
5.如权利要求1所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述限位装置为十字交叉的针状限位棒，该针状限位棒穿过所述试管壁面，以对垫片位置进行限制。
6.如权利要求5所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述试管(4)上开设有四组限位孔，每组限位孔供一对所述针状限位棒穿过。
7.如权利要求6所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，四组所述限位孔依次设置，其中，第一组限位孔与第二组限位孔，以及第二组限位孔与第三组限位孔间的距离均为所述试管(4)的半径，第三组限位孔与第四组限位孔间的距离为所述试管(4)的直径。
8.如权利要求1所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述试管(4)的两端均穿过所述固定床炉膛(5)，且试管(4)与固定床炉膛(5)上下接触处均设置有密封圈(7)。
9.如权利要求1所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述载气容器(1)与试管(4)间设置有阀门(2)，所述冷凝装置(8)与气袋(9)间设置有三通阀(11)。
10.如权利要求1-9任一项所述的用于研究生物质三组分热解交互反应的反应器，其特征在于，所述试管(4)为石英玻璃试管。
技术总结