[发明专利]一种可视化加热炉

说明书

技术领域

本发明涉及一种化学、化工、冶金、生物等学科领域科学研究用的加热炉，具体涉及一种应用于流态化领域的可视化加热炉。

背景技术

颗粒流态化技术具有传质、传热快、气固反应均匀的特点，已经广泛应用于煤化工、石油化工、钢铁冶金、生物医药、纳米材料制备等传统及新兴行业，成为研究气固反应和材料合成的重要手段。在气固流化床中，单颗粒及颗粒聚团的流动行为、流化质量、气泡的大小及运动状态等动态流化特征的获取对气固流化床的设计和放大、反应机理的研究起到关键作用。通过对流化床内颗粒流化状态、气泡流动和反应过程的直接观察、高速摄像、原位红外扫描等，能够获得流化床中颗粒聚团、气泡等多尺度结构的产生、生长及破裂过程以及反应历程的直观图像。这些动态的直观图像对研究气固流化床的“三传一反”具有十分重要的意义。因此，流态化过程的可视化已成为气固流态化实验不可或缺的研究手段。

气固流化床的实验研究通常是借助有机玻璃流化床，研究常温条件下颗粒、气泡的流动和流化行为（冷模），再将冷模实验的成功经验应用于热态反应中，进而在高温下研究颗粒、气泡的流动和流化行为（热模）。由于工业上流化床工艺普遍为热态反应（>150℃），在冷态模式下的颗粒流动规律，转移到热态模式下，受温度和反应的影响，颗粒的性质或组成在热态或反应过程中将会发生变化，这些变化不能通过冷模的方式得到。特别是新兴的纳米材料制备过程，如果能在加热状态下观察催化剂颗粒的流动及气泡产生、长大和破裂过程，将会对科学发展提供技术支持。

然而，热态模式下的操作温度超过了有机玻璃的耐受温度，需要借助石英管反应器和加热装置。电阻炉是利用电阻丝或硅碳棒等加热元件为发热元件的加热炉。自十九世纪20年代镍铬合金（如Cr20Ni80）发明以来，电阻炉在实验室研究和工业上得到了广泛的应用。而现有的科学研究用的电加热炉通常由加热元件、炉膛、金属壳体、保温填料、控制系统等组成。所采用的炉膛材料为氧化铝陶瓷，保温材料为硅酸铝或保温棉，不锈钢或铁皮外壳，无法直接观察到反应器内部的颗粒流化及反应状态。

US3626154公开了一种透明电炉，主要包括镀金耐热石英管、耐高温电阻丝、石英管炉膛和冷却套。外层石英管内壁的一层黄金镀层可使电阻丝所发出的红外辐射热量反射至炉膛中心，起到了保温作用。在确保加热温度700℃以上时，可清晰看到炉膛内部物料的变化状态。

CN103285786A公开了一种可视化高温流化床，其特征为在流化床本体上开设高温石英玻璃窗口及外部的防红外辐射罩。流化床本体采用耐高温石英玻璃，外围为床体电加热器、保温棉及床体外壳。但从公开的附图上看，其石英管流化床与加热装置为一体，导致了石英管流化床无法拆卸清洗，而且由于石英管属易碎、易损坏材料，该专利中石英流化床损坏将会造成整个装置无法使用，维修成本高。

CN102829631A公开了一种可视化管式炉，该管式炉装置由机架、镀金石英管式炉及同轴的石英反应管、左右水冷密封组件、真空测量及获得系统、进排气系统和电源系统组成。其原理是利用当物体的加热温度大于500℃以上时，在相对密闭空间里的热传递的方式主要依靠红外辐射，利用镀金膜对红外辐射的反射作用实现加热。但其所用电阻丝较粗（5～8mm），其单位长度电阻丝的电阻值很低，要获得高的加热功率，势必要增加电阻丝的缠绕匝数密度，这将减少观察窗口的面积。而且从说明书及附图上看，除了石英管支架用于固定电阻丝的两端外，说明书没有说明中间部分电阻丝是如何固定的。如果不固定的话，反应管在移动过程很容易造成电阻丝短路事故，引发安全问题。

CN202281506U公开一种可视化高温管式炉，炉体由内、外层石英管密封构成真空双层石英管，且在外层石英管内壁上镀有黄金薄膜，在围绕石英管炉膛的内层石英管的内壁上设置有发热元件。

以上现有专利所提出的可视化加热炉均采用了镀金石英管，镀金石英管具有保温作用，同时可见光能透过。其最大缺点在于只有当操作温度大于700℃时，电炉内部的物料才能清晰可见。因而，其无法满足700℃以下可视化实验的需求。而且为了避免黄金镀层的高温流失，需要设置冷却套，结构相对复杂。

为此，本发明提出了一种可视化加热炉，可以在任意温度下观察到反应器内的气固流动状态，拓宽了透明电炉的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可视化加热炉，该加热炉结构简单、投资小，可作为实验室科学研究中的加热装置，特别是用于流态化研究领域，观察加热状态下的颗粒流动和流化行为。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：