[發明專利]一種可視化加熱爐

有效

• 申請號: 201310647030.7
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103673607A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 李軍;朱慶山;李洪鐘;蘆亞軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: F27B17/02
• 分類號: F27B17/02;F27D21/02;F27D11/02
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

技術領域

本發明涉及一種化學、化工、冶金、生物等學科領域科學研究用的加熱爐，具體涉及一種應用于流態化領域的可視化加熱爐。

背景技術

顆粒流態化技術具有傳質、傳熱快、氣固反應均勻的特點，已經廣泛應用于煤化工、石油化工、鋼鐵冶金、生物醫藥、納米材料制備等傳統及新興行業，成為研究氣固反應和材料合成的重要手段。在氣固流化床中，單顆粒及顆粒聚團的流動行為、流化質量、氣泡的大小及運動狀態等動態流化特征的獲取對氣固流化床的設計和放大、反應機理的研究起到關鍵作用。通過對流化床內顆粒流化狀態、氣泡流動和反應過程的直接觀察、高速攝像、原位紅外掃描等，能夠獲得流化床中顆粒聚團、氣泡等多尺度結構的產生、生長及破裂過程以及反應歷程的直觀圖像。這些動態的直觀圖像對研究氣固流化床的“三傳一反”具有十分重要的意義。因此，流態化過程的可視化已成為氣固流態化實驗不可或缺的研究手段。

氣固流化床的實驗研究通常是借助有機玻璃流化床，研究常溫條件下顆粒、氣泡的流動和流化行為（冷模），再將冷模實驗的成功經驗應用于熱態反應中，進而在高溫下研究顆粒、氣泡的流動和流化行為（熱模）。由于工業上流化床工藝普遍為熱態反應（>150℃），在冷態模式下的顆粒流動規律，轉移到熱態模式下，受溫度和反應的影響，顆粒的性質或組成在熱態或反應過程中將會發生變化，這些變化不能通過冷模的方式得到。特別是新興的納米材料制備過程，如果能在加熱狀態下觀察催化劑顆粒的流動及氣泡產生、長大和破裂過程，將會對科學發展提供技術支持。

然而，熱態模式下的操作溫度超過了有機玻璃的耐受溫度，需要借助石英管反應器和加熱裝置。電阻爐是利用電阻絲或硅碳棒等加熱元件為發熱元件的加熱爐。自十九世紀20年代鎳鉻合金（如Cr20Ni80）發明以來，電阻爐在實驗室研究和工業上得到了廣泛的應用。而現有的科學研究用的電加熱爐通常由加熱元件、爐膛、金屬殼體、保溫填料、控制系統等組成。所采用的爐膛材料為氧化鋁陶瓷，保溫材料為硅酸鋁或保溫棉，不銹鋼或鐵皮外殼，無法直接觀察到反應器內部的顆粒流化及反應狀態。

US3626154公開了一種透明電爐，主要包括鍍金耐熱石英管、耐高溫電阻絲、石英管爐膛和冷卻套。外層石英管內壁的一層黃金鍍層可使電阻絲所發出的紅外輻射熱量反射至爐膛中心，起到了保溫作用。在確保加熱溫度700℃以上時，可清晰看到爐膛內部物料的變化狀態。

CN103285786A公開了一種可視化高溫流化床，其特征為在流化床本體上開設高溫石英玻璃窗口及外部的防紅外輻射罩。流化床本體采用耐高溫石英玻璃，外圍為床體電加熱器、保溫棉及床體外殼。但從公開的附圖上看，其石英管流化床與加熱裝置為一體，導致了石英管流化床無法拆卸清洗，而且由于石英管屬易碎、易損壞材料，該專利中石英流化床損壞將會造成整個裝置無法使用，維修成本高。

CN102829631A公開了一種可視化管式爐，該管式爐裝置由機架、鍍金石英管式爐及同軸的石英反應管、左右水冷密封組件、真空測量及獲得系統、進排氣系統和電源系統組成。其原理是利用當物體的加熱溫度大于500℃以上時，在相對密閉空間里的熱傳遞的方式主要依靠紅外輻射，利用鍍金膜對紅外輻射的反射作用實現加熱。但其所用電阻絲較粗（5～8mm），其單位長度電阻絲的電阻值很低，要獲得高的加熱功率，勢必要增加電阻絲的纏繞匝數密度，這將減少觀察窗口的面積。而且從說明書及附圖上看，除了石英管支架用于固定電阻絲的兩端外，說明書沒有說明中間部分電阻絲是如何固定的。如果不固定的話，反應管在移動過程很容易造成電阻絲短路事故，引發安全問題。

CN202281506U公開一種可視化高溫管式爐，爐體由內、外層石英管密封構成真空雙層石英管，且在外層石英管內壁上鍍有黃金薄膜，在圍繞石英管爐膛的內層石英管的內壁上設置有發熱元件。

以上現有專利所提出的可視化加熱爐均采用了鍍金石英管，鍍金石英管具有保溫作用，同時可見光能透過。其最大缺點在于只有當操作溫度大于700℃時，電爐內部的物料才能清晰可見。因而，其無法滿足700℃以下可視化實驗的需求。而且為了避免黃金鍍層的高溫流失，需要設置冷卻套，結構相對復雜。

為此，本發明提出了一種可視化加熱爐，可以在任意溫度下觀察到反應器內的氣固流動狀態，拓寬了透明電爐的應用領域。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可視化加熱爐，該加熱爐結構簡單、投資小，可作為實驗室科學研究中的加熱裝置，特別是用于流態化研究領域，觀察加熱狀態下的顆粒流動和流化行為。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：