阅读说明：本技术 一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置 (Free radical in-situ online detection device in high-temperature conversion process of organic materials ) 是由 汪一 熊哲 汪雪棚 马立群 李寒剑 徐俊 江龙 苏胜 胡松 向军 于 2020-10-14 设计创作，主要内容包括：一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置,包括自由基检测模块、反应池、温度控制模块、位移检测及调控模块、反应气体控制模块、计算机控制模块；自由基检测模块包括电子顺磁共振波谱仪,其内设置有光源通道；反应池放置于电子顺磁共振波谱仪中由三层石英管组成,中心层为物料反应区,外部分别为真空隔热层、强制散热层；温度控制模块包括激光发射单元和红外测温单元,用以照射反应物料以及测温；位移检测及调控模块检测激光发射单元的偏移并调整激光发射单元和红外测温单元的位置；反应气体控制模块向反应池内供气。本发明可实现样品在1000℃以上反应时,电子顺磁共振波谱仪温度低于40℃,确保检测持续顺利进行。(An in-situ on-line detection device for free radicals in the high-temperature conversion process of organic materials comprises a free radical detection module, a reaction tank, a temperature control module, a displacement detection and regulation module, a reaction gas control module and a computer control module; the free radical detection module comprises an electron paramagnetic resonance spectrometer, and a light source channel is arranged in the electron paramagnetic resonance spectrometer; the reaction tank is placed in an electron paramagnetic resonance spectrometer and consists of three layers of quartz tubes, wherein the central layer is a material reaction region, and the outer parts of the reaction tank are respectively a vacuum heat insulation layer and a forced heat dissipation layer; the temperature control module comprises a laser emission unit and an infrared temperature measurement unit and is used for irradiating reaction materials and measuring temperature; the displacement detection and regulation module detects the offset of the laser emission unit and adjusts the positions of the laser emission unit and the infrared temperature measurement unit; the reaction gas control module supplies gas into the reaction tank. The invention can realize that when the sample reacts at the temperature of more than 1000 ℃, the temperature of the electron paramagnetic resonance spectrometer is lower than 40 ℃, and the detection is ensured to be continuously and smoothly carried out.)

一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置

技术领域

本发明涉及自由基检测装置，更具体地涉及一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置。

背景技术

有机物料，例如煤、石油和小分子甲醇、糠醛等，在高温转化过程中，其化学反应主体是自由基反应。在设计针对各种有机物料的高效转化反应器时，需深刻理解有机物料的反应机理，并基于对反应机理的精确描述，设计针对性的反应器结构，以最大程度提高物料反应转化率，并抑制副反应发生，提高系统整体效率。

目前，研发人员在研究有机物料反应机理时，极少涉及对自由基反应过程的研究，主要是基于对反应产物的表征分析，推导反应过程中发生的反应，进而确定反应机理。此方法缺失了对反应过程中极为关键的自由基反应机理的描述，因而得到的反应机理是不准确的，难以正确指导高效反应器的设计。

近年来，研发人员已经认识到自由基反应在有机物料高温转化过程中的重要性，因此逐步开始从自由基反应的角度，深入解析有机物料的反应机理，以指导反应器开发。自由基可使用电子顺磁共振波谱仪进行检测，但由于超过99.9％的自由基在反应过程中迅速发生反应转化为更稳定的非自由基物质，因此通过非原位检测的方法分析产物中的自由基信息无法正确描述自由基反应机理，必需通过原位在线检测手段，表征反应过程中参与反应的自由基。

高温原位在线检测自由基的主要技术难点在于电子顺磁共振波谱仪的磁体无法耐受高温，当磁体温度高于40℃时，测试效果极差。然而，开展高温原位在线检测时，由于样品位于谐振腔中心，且反应时间通常较长(反应过程长)，导致样品及其周围的高温区热量向磁体传导，最终导致电子顺磁共振波谱仪的磁体温度升高，使测试无法顺利进行。并且，由于电子顺磁共振波谱仪谐振腔空间小，难以布置样品加热装置及散热模块，导致难以拓展自由基高温原位在线检测功能。因此，有必要针对电子顺磁共振波谱仪，采用先进的技术手段，实现自由基高温原位在线检测功能。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供了一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置，以解决现有技术中难以实现利用电子顺磁共振波谱仪开展有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测的难题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置，包括自由基检测模块、反应池、温度控制模块、位移检测及调控模块、反应气体控制模块以及计算机控制模块；其中，

所述自由基检测模块包括电子顺磁共振波谱仪，所述电子顺磁共振波谱仪中心位置设置有光源通道；

所述反应池由三层石英管套装而成，其中心层为物料反应区用以放置待测样品，中心层外部一层为真空隔热层，真空隔热层外部一层为强制散热层，所述反应池放置于电子顺磁共振波谱仪中与所述光源通道垂直；

所述温度控制模块包括激光发射单元和红外测温单元，所述激光发射单元位于电子顺磁共振波谱仪一端并对应所述光源通道，所述红外测温单元位于电子顺磁共振波谱仪另一端并对应所述光源通道，所述激光发射单元发射激光通过光源通道对反应池内的待测样品进行照射加热，所述红外测温单元对待测样品进行非接触式测温；

所述位移检测及调控模块包括步进电机和升降云台，所述升降云台有两个分别位于电子顺磁共振波谱仪两端，通过步进电机控制升降云台高度，所述激光发射单元和红外测温单元分别位于所述升降云台上；

所述反应气体控制模块包括气源、质量流量计，所述气源通过管线与所述反应池相连，所述管线上安装所述质量流量计；

所述计算机控制模块用以控制激光发射单元、电子顺磁共振波谱仪、反应气体控制模块、位移检测及调控模块，来实现不同模块间协同工作。

优选地，所述激光发射单元产生光源波长为1064nm、980nm、808nm的激光，所述激光的光束直径不超过5nm，所述激光发射单元功率由计算机控制模块调整。

优选地，所述激光发射单元配备有光束准直器，用以调节激光的光束直径。

进一步地，所述激光发射单元对应电子顺磁共振波谱仪一侧配置有石墨圈，所述石墨圈吸收偏移的激光能量。

进一步地，所述石墨圈内设置有热电偶测温单元，用以检测石墨圈升温位置并反馈给计算机控制模块，通过计算机控制模块确定激光发射单元偏移位置，并将偏移位置信号传输给位移监测及调控模块，通过步进电机调控升降云台，使激光发射单元和外红测温单元调整至正确位置。

进一步地，所述真空隔热层两端为封闭结构或一端为贯通结构一端为封闭结构，当其一端为贯通结构一端为封闭结构时，该贯通端与真空泵相连以维持真空隔热层中的真空度。

进一步地，所述强制散热层两端为贯通结构，其内通入冷却气或冷却液以实现强制散热。

进一步地，所述反应模块中所述气源为高压气瓶，分别装有冷却气和反应气,其中反应气通入所述物料反应区，冷却气通入所述强制散热层，所述反应气的管线上设置有反应气预热装置。

优选地，所述反应气预热装置为可控温的电阻炉。

本发明有益效果：

本发明满足了高温条件下物料反应过程中的原位自由基在线检测需求，填补了自由基高温原位在线检测的空白。其中，激光器作为外置热源，配合红外测温进行温度反馈控制，可实现对物料精确加热及控温。三层石英管反应池可避免样品反应产生的热量向电子顺磁共振波谱仪传导，最大产程度避免电子顺磁共振波谱仪磁体超温。综合以上结构，可实现样品在1000℃以上反应时，电子顺磁共振波谱仪温度低于40℃，确保检测持续顺利进行。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2本发明中反应气预热装置结构示意图；

图3本发明中反应池结构示意图；

图4为本发明中反应池局部结构示意图；

图中：1激光发射单元，1.1光束准直器，2红外测温单元，3电子顺磁共振波谱仪，3.1石墨圈，4反应气体控制模块，4.1质量流量计，4.2反应气预热装置，5计算机控制模块，6升降云台，7反应池，7.1物料反应区，7.2真空隔热层，7.3强制散热层。

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。

如图1，一种有机物料高温转化过程中自由基原位在线检测装置，包括自由基检测模块、反应池7、温度控制模块、位移检测及调控模块、反应气体控制模块4以及计算机控制模块5。

所述自由基检测模块包括电子顺磁共振波谱仪3，所述电子顺磁共振波谱仪3中心位置设置有光源通道；所述电子顺磁共振波谱仪3时间分辨率小于0.001s，磁场范围：0-650mT，磁体具备强制风冷或水冷功能，便于仪器散热，保证检测正常。所述电子顺磁共振波谱仪3具备磁体温度检测功能，当仪器超温时，通过计算机关闭激光光源，所述自由基检测模块通过数据线与计算机控制模块5连接。

请结合参照附图3、4，所述反应池7由三层石英管套装而成，其中心层为物料反应区7.1用以放置待测样品，优选地，中心层直径为5mm，其两端贯通且留有接口，以便于与反应气和冷却气的管线相连。所述中心层外部一层为真空隔热层7.2，所述真空隔热层7.2两端为封闭结构或一端为贯通结构一端为封闭结构，当其两端为封闭结构时，其内部预先抽真空，当其一端为贯通结构一端为封闭结构时，该贯通端与真空泵相连以维持真空隔热层7.2中的真空度。所述真空隔热层7.2外部一层为强制散热层7.3，所述强制散热层7.3两端为贯通结构，其内通入冷却气或冷却液以实现整个反应池7的强制散热。所述反应池7放置于电子顺磁共振波谱仪3中心处且与所述光源通道垂直。

再如图1，所述温度控制模块包括激光发射单元1和红外测温单元2，所述激光发射单元1位于电子顺磁共振波谱仪3一端并对应所述光源通道，优选地，所述激光发射单元1产生光源波长为1064nm、980nm、808nm的激光，所述激光的光束直径不超过5nm，优选地，所述激光发射单元1配备有光束准直器1.1，用以调节激光的光束直径，所述激光发射单元1发射的激光在距离光源1米内能量衰减小于1％；所述激光发射单元1功率可由计算机控制，灵活调节；所述激光发射单元1放置位置应使激光垂直射入电子顺磁共振波谱仪3；所述激光发射单元1由数据线与计算机控制模块5连接。

所述红外测温单元2位于电子顺磁共振波谱仪3另一端并对应所述光源通道，可对物料温度进行非接触式检测，响应时间小于0.1s，所述红外测温单元2采用现有技术手段；如图1，所述激光发射单元1红对应电子顺磁共振波谱仪3一侧外侧光源通道周围配置一圈石墨圈3.1，可吸收偏移导致通过电子顺磁共振波谱仪3的激光能量；所述石墨圈3.1下有热电偶测温单元，所述热电偶测温单元可以检测石墨圈3.1各处温度的变化，当激光发射单元1发生偏移时，激光无法通过光源通道照射反应池7，此时激光会照射在石墨圈3.1上，进而引起石墨圈3.1局部升温，热电偶测温单元检测到局部升温的位置将信号传输至计算机控制模块5，此时计算机控制模块5可以传输信号至激光发射单元1处的步进电机，通过步进电机控制升降云台6的位置来调整激光发射单元1的位置，使激光顺利通过光源通道照射反应池7。所述红外测温单元2和激光发射单元1在电子顺磁共振波谱仪3两端对称放置。所述激光发射单元1发射激光通过光源通道对反应池7内的待测样品进行照射加热，所述红外测温单元2对待测样品进行非接触式测温；

所述位移检测及调控模块包括步进电机和升降云台6，所述步进电机和升降云台6有两个分别位于电子顺磁共振波谱仪3两端，所述步进电机控制升降云台6的上下运动，所述激光发射单元1和红外测温单元2分别位于所述升降云台6上，由计算机控制模块5控制步进电机的运转进而控制升降云台6的运动以达到调整激光发射单元1和红外测温单元2位置的目的。

反应气体控制模块4包括气源、质量流量计4.1，优选地，所述气源为高压气瓶，所述高压气瓶至少有两个分别装有冷却气和反应气，其中反应气的高压气瓶通过管线与所述反应池7的中心层相连，优选地，所述反应气包括氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气，所述冷却气的高压气瓶通过管线与反应池的强制散热层相连，所述冷却气优选为压缩空气，应当理解，此处装有冷却气的高压气瓶还可以置换为提供冷却液的装置，该装置与强制散热层相连，向强制散热层中通入冷却液进行冷却。所述反应气的管线上设置有反应气预热装置4.2，优选地，所述反应气预热装置4.2为可控温的电阻炉，其与计算机控制模块5相连，通过计算机控制模块5进行温度的调节。所述质量流量计4.1分别安装在反应气光线和冷却气管线上且均与计算机控制模块5相连，通过质量流量计4.1控制气体流量。

所述计算机控制模块5用以控制激光发射单元1、电子顺磁共振波谱仪3、反应气体控制模块4、位移检测及调控模块，来实现不同模块间协同工作，应当理解通过计算机控制装置运行为现有技术手段，此处不做详细说明。

进一步的，本发明中所述有机物料为含有共价键结构的有机物，高温断键产生自由基，其包括，但不限于：煤、石油、生物质、塑料。

进一步的，本发明中所述高温转化过程为热转化反应，其包括，但不限于：热解、燃烧、气化及催化转化反应。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。