專利名稱：一種制備纖維素?zé)崃呀庵虚g態(tài)物質(zhì)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種制備纖維素?zé)崃呀庵虚g態(tài)物質(zhì)的裝置。
背景技術(shù)：
能源與環(huán)境是當(dāng)今社會發(fā)展的兩大主題。經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展以能源為重要動力，而化石燃料的過度開采和使用給環(huán)境保護(hù)帶來了巨大的壓力。生物質(zhì)作為一種重要的可再生清潔能源資源，對其合理開發(fā)和高效利用將有助于緩解國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對能源需求的壓力，同時可以克服傳統(tǒng)化石燃料利用過程中所造成的環(huán)境污染，因而無可置疑地成為能源工作者們關(guān)注的重點。
作為生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)的重要組成部分，生物質(zhì)熱裂解技術(shù)可將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高品位的液體燃料——生物油以及重要的化工產(chǎn)品，對其研究和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。纖維素作為生物質(zhì)的主要組分，在生物質(zhì)原料中占據(jù)了幾乎一半的含量，其熱裂解行為在很大程度上體現(xiàn)出生物質(zhì)整體的熱裂解規(guī)律，因此對纖維素?zé)崃呀鈾C理的研究具有重要意義。
國內(nèi)外研究者對纖維素的熱裂解機理進(jìn)行了大量的研究，“Broido-Shafizadeh”模型被廣泛接受。在較低溫度下，纖維素?zé)崃呀饨?jīng)歷一個快速的聚合度降低的過程，形成低聚合度的中間態(tài)物質(zhì)；該物質(zhì)在較高溫度下極不穩(wěn)定，存在時間少于1s，在自由基作用下會發(fā)生進(jìn)一步的降解，使纖維素大分子進(jìn)入到熱解的主要階段，繼而生成焦油、焦炭和小分子的輕質(zhì)氣體。其中焦炭與焦油的生成是兩個平行競爭反應(yīng)，低溫有利于焦炭的生成，較高溫則偏向于生成以左旋葡聚糖為特征產(chǎn)物的可凝性揮發(fā)份。
在纖維素?zé)崃呀鈾C理模型中中間態(tài)物質(zhì)的提出由于沒有給出令人信服的實驗支持，一直是研究工作者們爭議的焦點。但是Donald通過差示熱重分析，在180℃左右發(fā)現(xiàn)一微吸熱峰，并且通過紅外光譜對熱解過程中的纖維素結(jié)構(gòu)的檢測，表明低溫下的確發(fā)生了某種反應(yīng)，使纖維素結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而得到一種中間狀態(tài)化合物。而最有力的證明要歸功于21世紀(jì)初期，Boutin在他的實驗中直接觀察到了一種熔化態(tài)的物質(zhì)，才為中間態(tài)物質(zhì)的存在提供了事實依據(jù)。檢測發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)在室溫下是一種水溶性的固體，但不同于閃速熱解油(室溫下呈液態(tài))，通過色質(zhì)聯(lián)機分析，其組份相對簡單，品種也明顯少于閃速熱解油。這一試驗結(jié)果證明了這種中間態(tài)物質(zhì)的生成無論是在高加熱強度的閃速裂解裝置中體現(xiàn)為不可控制過程，還是在熱天平這些慢速加熱設(shè)備中成為控制整個熱解過程的重要步驟，纖維素的熱裂解都必然經(jīng)過了這一重要的物理化學(xué)變化過程，從而使纖維素大分子進(jìn)入到熱解的主要階段，繼而生成焦油、焦炭和小分子的輕質(zhì)氣體。
多年來的研究結(jié)果表明，這種中間態(tài)物質(zhì)的直接獲取在熱天平中是不可能實現(xiàn)的，而閃速熱裂解裝置若能有效控制其進(jìn)一步分解，便可證實其確實存在，并對其生成及演變過程進(jìn)行深入研究。

發(fā)明內(nèi)容
對纖維素?zé)崃呀鈾C理的大量試驗和理論研究后，本實用新型的目的在于提供一種制備纖維素?zé)崃呀庵虚g態(tài)物質(zhì)的裝置。
本實用新型采用的技術(shù)方案是包括加熱系統(tǒng)和冷卻、控制系統(tǒng)，其中1)加熱系統(tǒng)將氙燈放置在橢球反光鏡的焦點處，光線經(jīng)反射后會聚于45°的平面反光鏡，平面反光鏡豎直向下依次接有光闌、快門、放置在光電池的石英玻璃管，纖維素樣品放置在小坩堝中，并置于密閉的石英玻璃管中的石英玻璃片上；2)冷卻、控制系統(tǒng)PLC可編程控制器分別與第一閥門V1、第二閥門V2、第三閥門V3、第四閥門V4和第五閥門V5電路連接，第一閥門V1的一端接氮氣瓶，第二閥門V2的一端接液氮槽，第一閥門V1和第二閥門V2的輸出端與第三閥門V3和第四閥門V4的輸入端連接，第四閥門V4的輸出端接石英玻璃管的一端，石英玻璃管的另一端經(jīng)過濾器后接第五閥門V5的輸入端，第五閥門V5的輸出端接氣相色譜儀。
本實用新型具有的有益效果是1)高壓短弧氙燈作為一種較為理想的點光源，通過橢球反光鏡反射后可獲得熱流強度極高的聚焦點，主體反應(yīng)器采用石英玻璃管，對紅外幾乎透明，大量的輻射熱量透過石英管輻射到物料上，滿足獲取中間態(tài)物質(zhì)所需要的閃速升溫?zé)峤獾囊螅?)由于中間態(tài)物質(zhì)在高溫下極不穩(wěn)定，在加熱結(jié)束的瞬間，利用液氮汽化吸熱的原理將其冷卻至室溫，得到穩(wěn)定存在的中間態(tài)物質(zhì)；3)樣品的加熱時間通過鋼制的旋轉(zhuǎn)式快門來控制，其耐熱強度高、響應(yīng)快。為準(zhǔn)確測定焦點處的加熱時間，在焦點處設(shè)置一個光電池，可以準(zhǔn)確測定焦點處的通光時間；4)反應(yīng)過程中氮氣和液氮的切換通過電磁閥的開關(guān)控制，各個閥門和快門的開關(guān)通過一個PLC可編程控制器控制，使用方便、可靠性高、響應(yīng)快；
5)調(diào)節(jié)氙燈的輸入功率可以改變焦點處的熱流強度，調(diào)整快門的開關(guān)時間可以改變樣品的加熱時間，從而控制反應(yīng)進(jìn)行的程度；6)采用高純氮氣將反應(yīng)放出的揮發(fā)性氣體攜帶出反應(yīng)器，經(jīng)過濾器濾去少量焦油后直接進(jìn)入氣相色譜檢測成分，方便快捷。


圖1是纖維素瞬時加熱快速冷卻裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是圖1的A向視圖；圖3是冷卻系統(tǒng)的放大圖。
圖中1、氙燈，2、橢球反光鏡，3、風(fēng)扇，4、平面反光鏡，5、石英玻璃管，6、纖維素樣品，7、氮氣瓶，8、液氮槽，9、過濾器，10、PLC可編程控制器，11、氣相色譜儀，12、工作平臺，13、光闌，14、快門，15、光電池，16、橡皮塞。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。
如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型包括加熱系統(tǒng)和冷卻、控制系統(tǒng)，其中1)加熱系統(tǒng)將氙燈1放置在橢球反光鏡2的焦點處，光線經(jīng)反射后會聚于45°的平面反光鏡4，平面反光鏡4豎直向下依次接有光闌13、快門14、放置在光電池15的石英玻璃管5，纖維素樣品放置在小坩堝中，并置于密閉的石英玻璃管5中的石英玻璃片上，光電池15放在工作平臺12上；2)冷卻、控制系統(tǒng)PLC可編程控制器10分別與第一閥門V1、第二閥門V2、第三閥門V3、第四閥門V4和第五閥門V5電路連接，第一閥門V1的一端接氮氣瓶7，第二閥門V2的一端接液氮槽8，第一閥門V1和第二閥門V2的輸出端與第三閥門V3和第四閥門V4的輸入端連接，第四閥門V4的輸出端接石英玻璃管5的一端，石英玻璃管5的另一端經(jīng)過濾器9后接第五閥門V5的輸入端，第五閥門V5的輸出端接氣相色譜儀11。
該試驗裝置采用一個功率為3kW的高壓短弧氙燈1作為輻射源，其發(fā)光點亮度較高，是一種較為理想的點光源。將其發(fā)光點放置在橢球反光鏡2的第一焦點處，光線經(jīng)反射后會聚于反光鏡的第二焦點。在橢球反光鏡背部設(shè)置一個風(fēng)扇3，向外部散熱，以保證氙燈1和橢球反光鏡2安全工作。光路中設(shè)置一個光束轉(zhuǎn)折器，即一面45°放置的平面反光鏡4，光束經(jīng)反射后豎直向下會聚于一個圓形區(qū)域。纖維素樣品6放置在小坩堝中，并置于密閉的石英玻璃管5中的石英玻璃片上。調(diào)整整個光路，使樣品恰好位于熱流強度極高的聚焦點處。樣品的加熱時間通過一個響應(yīng)時間為0.01s的快門14來控制。為準(zhǔn)確測定焦點處的加熱時間，在焦點處設(shè)置一個光電池15，準(zhǔn)確確定焦點處的通光時間，其靈敏度為0.01s。取少量纖維素樣品6平鋪于坩堝底面，將其置于石英玻璃管5內(nèi)的焦點處，塞上橡皮塞16使反應(yīng)系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，并連接好整個系統(tǒng)。開啟氙燈1并按試驗安排輸入功率，然后開啟PLC可編程控制器10，整個系統(tǒng)按設(shè)定程序開始運行。首先，液氮槽8中的電加熱棒通電，液氮受熱汽化使液氮槽內(nèi)產(chǎn)生一定壓力，打開閥門V2、V3使液氮順利排出；然后關(guān)閉閥門V2、V3，打開閥門V1、V4、V5，使氮氣充滿整個反應(yīng)系統(tǒng)，保持惰性氛圍；關(guān)閉閥門V1、V4、V5，并瞬間打開快門14，使纖維素樣品6閃速熱解，在快門14按設(shè)定時間關(guān)閉的同時打開閥門V2、V4、V5，液氮迅速噴至樣品表面將其冷卻；隨后關(guān)閉閥門V2，打開V1，氮氣進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)并將氣體產(chǎn)物吹掃進(jìn)入氣相色譜儀11(如安捷倫6810型氣相色譜儀)進(jìn)行分析檢測。由于氣體產(chǎn)物中可能含有未冷凝的焦油，在進(jìn)入氣相色譜儀11前設(shè)置一個過濾器9，以免損壞儀器。
最關(guān)鍵部分1)樣品的閃速加熱系統(tǒng)該試驗裝置采用一個功率為3kW的高壓短弧氙燈作為輻射源，其發(fā)光點亮度較高，是一種較為理想的點光源。氙燈光譜是波長0.2～2.0μm的混合光，且0.8～1.0μm近紅外輻射的含量較高，約占78％，可見光占12％，紫外線占10％。將其發(fā)光點放置在橢球反光鏡的第一焦點處，光線經(jīng)反射后會聚于反光鏡的第二焦點。光路中設(shè)置一個光束轉(zhuǎn)折器，即一面45°放置的平面反光鏡，光束經(jīng)反射后豎直向下會聚于一個圓形區(qū)域。橢球反光鏡和平面反光鏡表面鍍?nèi)瓷淠やX膜。纖維素樣品放置在小坩堝中，并置于密閉的石英玻璃管中，便于樣品的取放。調(diào)整整個光路，使樣品恰好位于熱流強度極高的聚焦點處。焦點處的熱流強度可以通過改變氙燈的輸入功率來調(diào)節(jié)。
2)樣品的快速冷卻系統(tǒng)由于中間態(tài)物質(zhì)在高溫下極不穩(wěn)定，在加熱結(jié)束的瞬間，需將其冷卻至室溫。本試驗裝置利用液氮汽化吸熱的原理對其進(jìn)行冷卻。在液氮儲槽中設(shè)置三根功率為1kW的電加熱棒，液氮受熱汽化使液氮槽內(nèi)產(chǎn)生一定壓力，當(dāng)閥門開啟時，液氮便可噴出用于冷卻樣品。
3)控制系統(tǒng)樣品的加熱時間通過快門來控制。本裝置采用的快門為鋼制的旋轉(zhuǎn)式快門，其響應(yīng)時間為0.01s。為準(zhǔn)確測定焦點處的加熱時間，在焦點處設(shè)置一個光電池，其靈敏度為0.01s。氮氣和液氮的切換通過光路中的電磁閥來控制。而快門和電磁閥的開關(guān)通過一個PLC可編程控制器控制。
試驗過程中首先稱取一定量的纖維素物料平鋪于坩堝底面，將其置于石英玻璃管內(nèi)的焦點處，塞上塞子使反應(yīng)系統(tǒng)處于封閉狀態(tài)，并連接好管路系統(tǒng)。開啟氙燈并按試驗安排輸入功率，然后開啟PLC可編程控制器，整個系統(tǒng)按設(shè)定程序開始運行。首先，液氮槽中的電加熱棒通電，液氮受熱汽化使液氮槽內(nèi)產(chǎn)生一定壓力，打開閥門V2、V3使液氮順利排出；然后關(guān)閉閥門V2、V3，打開閥門V1、V4、V5，使氮氣充滿整個反應(yīng)系統(tǒng)，保持惰性氛圍；關(guān)閉閥門V1、V4、V5，并瞬間打開快門，使纖維素樣品閃速熱解，在快門按設(shè)定時間關(guān)閉的同時打開閥門V2、V4、V5，液氮迅速噴至樣品表面將其冷卻；隨后關(guān)閉閥門V2，打開V1，氮氣進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)并將氣體產(chǎn)物吹掃進(jìn)入氣相色譜進(jìn)行分析檢測。由于氣體產(chǎn)物中可能含有未冷凝的焦油，在進(jìn)入氣相色譜前設(shè)置一個過濾器，以免損壞儀器。試驗結(jié)束后，將裝有纖維素的坩堝取出，將其中的樣品溶于水。利用中間態(tài)物質(zhì)溶于水而纖維素不溶于水的性質(zhì)，通過過濾溶液將這種中間態(tài)物質(zhì)與未反應(yīng)的纖維素和焦炭產(chǎn)物分離。將水溶液在45℃溫度下烘干，即可得到穩(wěn)定存在的固體中間態(tài)物質(zhì)。
權(quán)利要求1.一種制備纖維素?zé)崃呀庵虚g態(tài)物質(zhì)的裝置，其特征在于包括加熱系統(tǒng)和冷卻、控制系統(tǒng)，其中1)加熱系統(tǒng)將氙燈(1)放置在橢球反光鏡(2)的焦點處，光線經(jīng)反射后會聚于45°的平面反光鏡(4)，平面反光鏡(4)豎直向下依次接有光闌(13)、快門(14)、放置在光電池(15)上的石英玻璃管(5)，纖維素樣品放置在小坩堝中，并置于密閉的石英玻璃管(5)中的石英玻璃片上；2)冷卻、控制系統(tǒng)PLC可編程控制器(10)分別與第一閥門V1、第二閥門V2、第三閥門V3、第四閥門V4和第五閥門V5電路連接，第一閥門V1的一端接氮氣瓶(7)，第二閥門V2的一端接液氮槽(8)，第一閥門V1和第二閥門V2的輸出端與第三閥門V3和第四閥門V4的輸入端連接，第四閥門V4的輸出端接石英玻璃管(5)的一端，石英玻璃管(5)的另一端經(jīng)過濾器(9)后接第五閥門V5的輸入端，第五閥門V5的輸出端接氣相色譜儀(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備纖維素?zé)崃呀庵虚g態(tài)物質(zhì)的裝置，其特征在于所述的氙燈(1)為3kW的高壓短弧氙燈，光譜是波長0.2～2.0μm的混合光。
專利摘要本實用新型公開了一種制備纖維素?zé)崃呀庵虚g態(tài)物質(zhì)的裝置。將氙燈放置在橢球反光鏡的焦點處，光線經(jīng)反射后會聚于45°的平面反光鏡，直向下依次接有光闌、快門、放置在光電池上的裝有纖維素樣品石英玻璃管；可編程控制器分別與閥門V1、V2、V3、V4和V5電路連接，V1的一端接氮氣瓶，V2的一端接液氮槽，V1和V2的輸出端與V3和V4的輸入端連接，V4的輸出端接石英玻璃管的一端，另一端經(jīng)過濾器后接V5的輸入端，輸出端接氣相色譜儀。本實用新型樣品的加熱時間通過快門來控制。為準(zhǔn)確測定焦點處的加熱時間，在焦點處設(shè)置一個光電池，氮氣和液氮的切換通過電磁閥來控制。而快門和電磁閥的開關(guān)通過PLC可編程控制器控制。
文檔編號C10G1/00GK2898028SQ20062010038
公開日2007年5月9日 申請日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月16日
發(fā)明者王樹榮, 駱仲泱, 岑可法, 倪明江, 方夢祥 申請人:浙江大學(xué)