美国TA 热重分析仪 DynTherm

产品简介

DynTHERM TGA 是一款高级重力测量仪器，采用获得ZG的磁悬浮天平。它能够在高压、充满各种气体、蒸气或蒸汽的环境中测量物质的重量变化，操作温度范围为室温至 1550℃，可灵活选择气体和蒸气加注和混合设备，从而精确控制反应气体环境的成分和压力。凭借在设计和制造领域 20 余年的宝贵经验，Rubotherm 系列 DynTHERM TGA 经过数百家客户的现场验证，在所有高压重力测量吸附分析仪产品中具有最广泛的温度和压力范围，代表了应用相关分析领域的行业标准。

* 德国ZG号 10 2009 009 204.8

主要特点

• 非接触式样品称重可在样品池与天平之间实现气密分离，避免样品池内部反应气体、压力或温度对天平造成损坏；

• 金属密封的样品反应池可用于测量腐蚀性、爆炸性或有毒的反应气体，耐受高温，支持真空到高压的环境；

• 独特的自动样品分离功能可在实验过程中测量天平皮重，与同类竞争设备相比，无需手动校准天平，即可提供无与伦比的长期基线稳定性，从而获得最精确的测量结果；

• 可对浸润反应气体的整个样品池进行加热，有效防止水蒸气、CO2、氨气等反应气体蒸气冷凝，即使在高压或高湿度环境中也如此；

• 采用先进的气体和蒸气加注、混合和压力控制系统，可确保精确的反应气体环境控制和集成气体采集，从而执行逸出气体分析；

• 较大的动态称重范围和样品容量，支持对典型的较大和/或较重样品进行测量。

技术参数

下表汇总了 14 种不同磁悬浮天平的主要技术参数，它们均配备 Rubotherm 系列 的相关 DynTHERM TGA 型号。

所有型号均可以在真空条件下操作。气体加注系统配备两条气体管线，作为标准配置，每条管线均采用一个独立的 MFC。此外，可以选择在加注系统中增加更多气体管线。

DynTHERM TGA 型号 750-50、MP-G、750-50 和 MP-G+V 的一项特殊可选功能是，可以使反应气体环境中的强制气流通过样品固定床。经过证实，该选项对于催化剂研究非常有用，催化剂样品的实际工作条件可以在 DynTHERM 中实现。

[1] 真空技术参数：可能为 0.075 Torr（需要适当的真空泵）

[2] 提供强制气流选项

请咨询当地的 TA 技术销售代表，获取有关 Rubotherm 系列 DynTHERM TGA 仪器的更多信息。

独特的磁悬浮天平技术

每台 Rubotherm 系列仪器的核心均采用获得ZG的磁悬浮天平 (MSB)，其使用外部微量天平在密闭的反应池中称重样品。上述操作通过磁悬浮耦合技术实现，该技术可将重力传递到样品池壁。

本设计采用性悬浮磁铁，固定于上方内部悬浮轴顶部。下方内部悬浮轴与托载样品材料的坩埚相连。上方和下方悬浮轴之间存在一个负载联轴机构。上轴和下轴以及样品坩埚均封装在样品池内。

控制外部电磁铁吸附内部磁铁。这样即可提升内部悬浮磁铁，并使其与负载联轴器接合，从而抬升样品坩埚。电磁铁控件持续施加引力，直到系统达到恒定的测量点高度。

池中的样品重量由电磁铁连接的外部微量天平确定，其分辨率和精度极高。

自动样品分离功能 (ASD)

在测重实验开始阶段，天平自动测量皮重并进行校准，建立重量测量的“零点”。该零点值用于后续的所有测量操作。然而，实验持续时间可能为数小时到数周不等，零点漂移会削弱在延长时间内针对微小重量变化的测量能力，导致测量精度下降。漂移通常由外部因素引起，如实验室温度波动以及气压或湿度等。

尝试提高信号精度的传统方法为运行空坩埚基线并将其从运行的样品中去除。由于不存在两次实验完全相同的情况，这种方法并不完善，其固有缺陷还会将实验时间加倍，并非理想选择。TA 的 DynTHERM TGA 采用获得ZG的 MSB 技术，唯有其通过独特的自动样品分离 (ASD) 功能进行实时漂移校正，将重量精度提高至前所未有的水平，尤其适用于长期测量。

ASD 工作原理：

如上图所示，MSB 设计采用一个轴负载联轴器。电磁铁在通电后吸引与上轴相连的磁铁。上轴向上抬升并与联轴器接合，同时将坩埚提升至测量点进行重量测量。在实验期间，可以随时向下移动悬浮磁铁，使其与样品坩埚分离。向下移动时，轴负载联轴器在支架上静止。悬浮磁铁将保持自由浮动状态，仅将其重量传送到天平。向对应于空载天平的新零点位置移动时，可在测量期间甚至工艺条件下（压力、温度）在样品池中进行皮重测量和校准。只有 TA 仪器的商用重力测量分析仪支持在测量过程中对天平进行由自动化软件控制的独特校准。

强制气流通过松散材料床

DynTHERM TGA 具有独特的强制气流通过选项，适用于需要反应气体的强制气流通过样品材料床的应用。该功能可模拟主体反应器中材料的实际工艺条件，具体信息如上文示意图所示。

为了执行强制气流测量，样品放入底部呈“筛状”以及凸缘盖ZY存在一个开口的容器中。当天平处于零点位置时，样品容器的凸缘位于旁路自由支架的顶部。将样品容器从天平中取出，然后强制反应气体从顶部开口流入容器中，穿过样品通过“筛状”底部离开。

通过将 MSB 提升到测量位置，将样品容器从支架上提起，从而在指定的时间间隔内称量样品。重量测量完成后，样品容器返回到平衡位置，以便再次开始该过程。

强制气流选项仅适用于 DynTHERM TGA 750-50、F-G 和 F-G+V 型号。请参见技术参数，了解更多信息。

环境反应器

DynTHERM TGA 仪器配备使用电加热器的低压或高压样品池，可在所有压力和气流条件下进行准确的温度控制。

冷壁反应器设计

将电加热器安装到压力容器（冷壁反应器装置）中，允许在高温区中仅使用耐腐蚀陶瓷材料。在温度高达 1300 ℃*、压力高达 80 bar* 的条件下使用腐蚀性极强的反应气体时，可以采用冷壁加热器。

热壁反应器设计

热壁反应器是由耐高温和耐腐蚀陶瓷或特殊金属合金制成的样品池。反应器中样品的温度由外部电加热器进行控制，后者可以加热通过热壁的样品。热壁反应器具有极大的温度恒定区域，可用于在温度高达 1550 ℃* 和压力高达 50 bar* 的条件下进行测量。

温度控制

样品温度通过紧邻反应气体内部样品的热电偶直接进行测量。加热炉温度和反应器其他部分的温度通过其他热电偶进行测量。快速 PID 温度控制器可以在所有操作条件下对样品执行精确的温度控制。

* 技术参数取决于型号

气体和蒸气加注、混合以及压力控制系统

TGA 测量的精度依赖于对反应气体环境中的组成和压力的精确控制。DynTHERM TGA 配有先进的气体与蒸气配量和混合系统以及压力控制器，可确保**的数据质量，具有极高灵活性，可适应各种应用。这些系统向 TGA 的样品反应器池提供连续不断的纯反应气流、混合气流或组分受控的气体和蒸气混合物流。作用于出口流体的动态背压控制器使压力保持最高稳定性和精度。

每个加注系统包括加注纯气体或混合气体混合物并加注到 TGA 反应器中的两个质量流量控制器（MFC 1 和 MFC 2），精确的压力传感器 (P)、PID 控制器、反应器出口处的气流压力控制阀 (PCV) 以及用于逸出气体分析 (EGA) 的气体采集连接。其他带有质量流量控制器的气体管道可供选配。

气体和蒸气（蒸汽）加注系统还配备有由液体压缩和流量控制泵 (LFC) 组成的蒸气/蒸汽发生器，可将受控的液态流体加注到产生蒸汽的蒸发器中。随后，蒸汽与来自 MFC 的气流混合并通过加热的输送管道流入 TGA 反应器。

应用范围

热解和气化

煤炭、生物质、废物和其他有机材料被气化，便于能量利用或作为替代原料。在应用相关条件下，此类过程可以通过配置气体和蒸汽加注功能的 DynTHERM 高压 TGA 仪器进行测量。气化过程的第一步是原料的热解，其中在惰性气体环境（例如 N2 或 Ar）中加热有机材料时，挥发性组分（水、烃类、焦油）会蒸发并产生焦炭。作为第二反应步骤，这种富碳焦炭的气化需要气化剂，通常为蒸汽。过热蒸汽和碳根据以下主要反应产生气体：

H2O + C → CO + H2

与此同时，各种附加气体是转化和副反应的产物：

mC + nH → CmHn | CO + H2O → H2 + CO2 | CO + 3H2 → CH4 + H2O

由于过程反应的动力学情况取决于反应条件和原材料，因此所产生气体的组成部分和压力将有所变化。DynTHERM TGA 仪器可以优化给定原材料的操作条件。此外，该仪器可配备质谱仪，可用于执行逸出气体分析。下文的第一张图显示，在 900 ℃ 和 10 bar 条件下，木炭热解和气化过程的动力学情况。在上图中，针对生物质（稻壳）在 7 bar 和 10 bar 条件下的热解和气化进行了比较。对于两个实验，在惰性气体环境中加热样品的开始阶段发生热解。发生热解后，在注入蒸汽时开始气化，导致样品材料出现主要的质量变化。

催化剂焦化

焦化引起的催化剂失活是炼油和石油化工领域不可避免的技术和经济问题。富含烃的原料气体与催化剂反应时会发生焦化，固体碳沉积物聚集在催化剂表面。这些含碳沉积物可以快速轻松地达到干扰该过程的水平。例如，它们可能产生压降问题或堵塞催化位置。防止或延迟催化剂失活的方法包括改变催化剂表面组分和/或改变反应环境（压力、温度和原料气体组分）。失活后，可以研究通过燃尽碳残留物进行的替代再生。

催化剂衰变和/或再生的工艺优化是一个工程问题，需要运用催化剂失活动力学的知识。DynTHERM TGA 仪器可以在现实中的精炼厂操作条件下研究催化剂的重量和焦化的发展。

下图显示了在 CH4 和蒸汽反应气体环境中，在 20 bar 和 650 ℃ 条件下于催化材料上聚集焦炭的示例。蒸汽分压逐步降低，从而导致催化剂材料的质量因焦炭形成而增加。根据图中蓝色曲线计算出的最大比焦沉积速率为 0.32 mg g-1 s-1（单位：毫克/每克催化剂*每秒）。

如下图所示，当流速为 70 mL/min，于 700 ℃ 和 20 bar 条件下，在蒸汽/CH4 混合物中测量商用催化剂焦化的开始。当 CH4 流速增加到 73 mL/min 后，观察到焦化速率增加，蒸汽流速保持恒定。

腐蚀和氧化

提升材料的耐腐蚀性是提高许多技术工艺效率的关键。例如，燃气轮机或汽轮机和喷气发动机的效率与其在最大运行温度下耐腐蚀的能力直接相关。

DynTHERM TGA 仪器提供耐腐蚀反应器，能够在高温腐蚀气体环境下测量材料。对于许多材料而言，该仪器可以容纳大型样品（大质量和大体积）极具优势，原因是由腐蚀引起的合成质量变化往往非常小。另外，高温腐蚀通常是一个缓慢的过程。获得ZG的 MSB 能够在测量过程中对天平扣除皮重和校准，实现最准确的长期腐蚀研究。

下图显示了对钛样品（金刚石涂层）质量增加的长期研究。重量增加的原因是样品在纯氧中于 600 ℃ 下氧化。6 天内，总重量变化约 140 μg。

下图中显示了高性能 Inconel®* 合金 C-276 在 1000 ℃ 以及两种不同压力（2 bar 和 80 bar）条件下的重量增加情况。合金样品的起始质量为 89 mg，表面积为 0.47 cm2。观察到的增重是金属合金表面氧化的结果。高压下的腐蚀速率提高 5 倍。高压下的重量变化似乎趋于饱和，这表明形成了稳定的氧化层。6 小时后，比表面积氧化重量增幅在 2 bar 时为 610 μg/cm2，在 80 bar 时为 3080 μg/cm2。

化学循环

化石燃料在近乎纯氧（而非空气）中的燃烧为简化发电厂应用中的二氧化碳捕获提供了宝贵契机。化学循环系统为此过程内部供氧，消除了与燃烧前氧气产生相关的大量资金和运营成本。化学循环燃烧 (CLC) 是一种公认的转化技术，可以满足低 CO2 化石燃料发电的计划成本和性能目标。

在 CLC 系统中，氧气通过载氧材料的氧化还原循环引入。载氧体通常是一种基于金属的固体化合物。在典型 CLC 过程中，燃烧过程划分到独立的还原反应器和氧化反应器中，如下图所示。金属氧化物供应燃烧所需的氧气并在高温下运行的燃料反应器中由燃料还原。

该反应可以是放热或吸热，具体取决于燃料和载氧体。来自燃料反应器的燃烧产物是高度浓缩的 CO2 和 H2O 蒸汽流，二者可以受到纯化、压缩并送入存储装置，以供后续使用。然后，还原后的载氧体送入同样在升高温下运行的空气反应器中，在该反应器中被还原成其氧化态。空气反应器产生热的废气流，可使用其产生蒸汽以驱动发电汽轮机。随后，载氧体返回燃料反应器，重新开始还原-氧化循环。

目前，CLC 研发工作ZD开发具有足够氧气容量和耐久性，能够承受恶劣 CLC 环境的载氧材料。DynTHERM TGA 仪器允许在实际操作条件下测量载氧材料的重量，包括在高温和高压下通过氧化还原循环多次循环材料，同时在氧化和还原（可燃）气体和/或蒸汽之间交替。

下图显示了一种载氧材料在 10 bar 和 800 ℃ 下的循环结果。该材料在潮湿的 H2 中被还原并在干燥的空气中被氧化。在氧化还原循环中记录的重量变化相当稳定，约为起始样品重量的 9％。