多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法技术

本发明专利技术公开了一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，结合热分析仪器与软件系统的智能算法，定量表征热解反应历程，确定其遵循的机理函数，求出热解动力学参数，拟合出合理且最优的机理函数修正方式，可以预测样品的热解过程；根据获得的参数，可建立材料热解动力学模型。上述方案，解决了目前热解动力学参数获取方法繁琐、机理函数匹配准确性差的问题，能够有效避免在研究材料热解过程中计算动力学所需开展的大量热重实验及复杂计算过程，为材料的合理使用提供可靠的试验和理论依据，具有广泛的应用领域和极强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法
本专利技术涉及热分析动力学领域，尤其涉及一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法。
技术介绍
热解是指物质受热发生分解的反应过程，热解技术广泛应用于城市垃圾与工业农业废弃物的降解回收，生物质能、煤、石油的利用等领域，在垃圾处理、能源利用方面有着重要作用，同时热解是固体可燃物燃烧的基础，对于火灾科学的研究也具有着重要意义。热分析方法是热解研究领域的一种有效方法，在物理、化学、化工、冶金、地质、建材、燃料、轻纺、食品、生物等领域得到广泛应用。它是指在程序控温(和一定气氛下)，测量物质的某种物理性质与温度或时间等关系的一类技术，最常用的热分析方法有：差热分析法(DTA)、热重分析法(TG))、微商热重法(DTG)、差示扫描量热法(DSC)、热机械分析(TMA)和动态热机械分析(DMA)等。而在其中，热重分析法是指在程序控制温度和一定气氛条件下，测量物质的质量与温度或时间关系的一种热分析方法，是一种发展完善、应用广泛的热分析方法，具有所需样品量小、定量性强、实验温度及可选加热/降温速率广泛等特点，可用于研究晶体性质的变化，如熔化、蒸发、升华和吸附等物质的物理现象；研究物质的热稳定性、分解过程、脱水、解离、氧化、还原、成份的定量分析、添加剂与填充剂影响、水分与挥发物、反应动力学等化学现象。因此热重分析法是研究热解过程的一种简单有效方法。热重分析测试前后热分解失重的快慢和剧烈程度可以灵敏、直观地反映在TG曲线上，并获得微商热重(DTG)曲线，该方法操作简便，灵敏度高，具有准确直观的特点，通过TG和DTG曲线进行定性和定量分析，可以获得有关样品分解过程中的重要信息(例如反应过程的个数，各阶段的质量损失)及相应过程的动力学参数。利用热分析技术研究某种物理变化或化学反应的动力学过程即为热分析动力学，一般说来可通过热分析动力学得到反应的活化能Eα和指前因子A、大致判断反应遵循的机理函数。以往常用的机理函数匹配判别方式是采用模型匹配法，但经过详细研究发现该方法与匹配相关系数最高的固相反应模型往往不是最优的机理函数，仅仅能够提供部分参考，因此，有必要对现有技术进行改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，具有操作简单、灵敏度高、快速准确、高效直观的特点，对材料的生产工艺、合理利用、改进等均有重大意义。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，包括：通过热重分析仪进行测试，获取不同升温模式下的实验测试数据；通过预定方式，从实验测试数据中提取有效数据，获得并显示热重曲线与微商热重曲线；采用多重扫描速率模式的等转化率法求解有效数据的活化能，获得活化能Eα与转化率α的曲线；结合热重曲线与微商热重曲线、以及活化能Eα与转化率α的曲线，综合利用模型匹配法与动力学补偿效应获得基于实验测试数据的机理函数，从而直观地获取反应历程的机理函数。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，结合热分析仪器与软件系统的智能算法，定量表征热解反应历程，确定其遵循的机理函数，求出热解动力学参数，拟合出合理且最优的机理函数修正方式，可以预测样品的热解过程；根据获得的参数，可建立材料热解动力学模型。上述方案，解决了目前热解动力学参数获取方法繁琐、机理函数匹配准确性差的问题，能够有效避免在研究材料热解过程中计算动力学所需开展的大量热重实验及复杂计算过程，为材料的合理使用提供可靠的试验和理论依据，具有广泛的应用领域和极强的应用价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法的流程图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。本专利技术实施例提供一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，如图1所示，其主要包括如下步骤：1、通过热重分析仪进行测试，获取不同升温模式下的实验测试数据。本专利技术实施例中，通过调节热重(TG)分析仪，设置实验温度范围、气氛条件、气流速度及升温速率，取一定量待分析样品置于坩埚中开始测试。重复多组(例如，3～4组)不同升温模式下的测试，从而得到实验测试数据。2、通过预定方式，从实验测试数据中提取有效数据，获得并显示热重曲线与微商热重曲线。在具体实现时，可以启动以
技术实现思路
涉及算法编写的TAKSV1.0软件，选取样品温度与样品质量数据范围(在原始数据表格文件中的列号)，设置数据处理的转化率间距，从而提取出提取有效数据。示例性的，转化率间距可以选取0.02、0.01、0.005，如无设置，默认情况下为0.02。3、采用多重扫描速率模式的等转化率法求解有效数据的活化能，获得活化能Eα与转化率α的曲线。本专利技术实施例中，采用多重扫描速率模式中的五种等转化率法求解有效数据的活化能，分别为：Friedmanmethod、Flynn-Wall-Ozawamethod、Kissinger-Akahira-Sunosemethod、Tangmethod以及AdvancedVyazovikinmethod；将上述五种等转化率法求解得到的活化能相互验证，选出准确性最高的结果，其中AdvancedVyazovkinmethod具有极高的准确性。4、结合热重曲线与微商热重曲线、以及活化能Eα与转化率α的曲线，综合利用模型匹配法与动力学补偿效应获得基于实验测试数据的机理函数，从而直观地获取反应历程的机理函数。本步骤较佳实现方式如下：1)根据热重曲线与微商热重曲线的台阶、峰数以及活化能Eα与转化率α的曲线形状判断热解反应历程数量，设置拟合区间个数及范围，将拟合区间转化率归一化，并利用CRmethod(CoatsandRedfernmethod)和KCmethod(KennedyandClarkmethod)分别进行模型匹配，并根据模型匹配结果求解动力学补偿效应中指前因子自然对数lnA与活化能Eα的线性关系系数a和b。本领域技术人员可以理解，文中所提到Friedmanmethod、Flynn-Wall-Ozawamethod、Kissinger-Akahira-Sunosemethod、Tangmethod、AdvancedVyazovikinmethod、CRmethod与KCmethod均为本领域的常规方法；各个方法的名称均为本领域专有名词，在中文文献及书籍中均没有统一中文译文。本专利技术实施例中，可以采用模型分析中经典的CRmethod与KCmethod对有效数据中的温度与转化率进行模型拟合分析，方程分别如下所示：式中，g(α)表示机理函数(f(α))的积分形式，α、T、T*、T0、A、R、β、Eα，分别表示转化率、温度、平均温度、初本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，其特征在于，包括：通过热重分析仪进行测试，获取不同升温模式下的实验测试数据；通过预定方式，从实验测试数据中提取有效数据，获得并显示热重曲线与微商热重曲线；采用多重扫描速率模式的等转化率法求解有效数据的活化能，获得活化能Eα与转化率α的曲线；结合热重曲线与微商热重曲线、以及活化能Eα与转化率α的曲线，综合利用模型匹配法与动力学补偿效应获得基于实验测试数据的机理函数，从而直观地获取反应历程的机理函数。

【技术特征摘要】
1.一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，其特征在于，包括：通过热重分析仪进行测试，获取不同升温模式下的实验测试数据；通过预定方式，从实验测试数据中提取有效数据，获得并显示热重曲线与微商热重曲线；采用多重扫描速率模式的等转化率法求解有效数据的活化能，获得活化能Eα与转化率α的曲线；结合热重曲线与微商热重曲线、以及活化能Eα与转化率α的曲线，综合利用模型匹配法与动力学补偿效应获得基于实验测试数据的机理函数，从而直观地获取反应历程的机理函数。2.根据权利要求1所述的一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，其特征在于，通过预定方式，从实验测试数据中提取有效数据包括：选择测试时样品温度与样品质量数据范围，并设置数据处理的转化率间距，从实验测试数据中提取有效数据。3.根据权利要求1所述的一种多重升温模式下热解动力学参数和机理函数获取方法，其特征在于，结合热重曲线与微商热重曲线、以及活化能Eα与转化率α的曲线，综合利用模型匹配法与动力学补偿效应获得基于实验测试数据的机理函数，从而直观地获取反应历程的机理函数包括：根据热重曲线与微商热重曲线的台阶、峰数以及活化能Eα与转化率α的曲线形状判断热解反应历程数量，设置拟合区间个数及范围，将拟合区间转化率归一化，并利用CRmethod和KCmethod分别进行模型匹配，并根据模型匹配结果求解动力学补偿效应中指前因子自然对数lnA与活化能Eα的线性关系系数a和b；利用指前因子自然对数lnA与活化能Eα的线性关系系数a和b、活化能Eα以及归一化后的拟合区间转化率，求解基于实验测试数据的机理函数；根据基于实...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宓，姜林，孙金华，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34