一种控制流量的水蒸气发生方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种控制流量的水蒸气发生方法及装置，通过氢气与金属氧化物颗粒在高温条件下反应生成水蒸气，其中金属氧化物颗粒中的金属阳离子的氧化性强于氢离子。由于高温条件下氢气与金属氧化物颗粒的反应速率很快，且反应属于不可逆反应，氢气可被完全氧化，能连续产生浓度接近100％的高纯水蒸气；且水蒸气的流量完全受氢气的流量控制。由于氢气的流量控制精度很高，因此比起传统液态水发生水蒸气的发生方法，本发明专利技术对水蒸气流量的控制精度大大提高；另外，反应的氢气与生成的水蒸气的摩尔比为1:1，反应过程中没有气体体积流量变化，可确保水蒸气的压力稳定。因此本发明专利技术具有水蒸气输出压力和流量稳定、流量控制精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种控制流量的水蒸气发生方法及装置，通过氢气与金属氧化物颗粒在高温条件下反应生成水蒸气，其中金属氧化物颗粒中的金属阳离子的氧化性强于氢离子。由于高温条件下氢气与金属氧化物颗粒的反应速率很快，且反应属于不可逆反应，氢气可被完全氧化，能连续产生浓度接近100％的高纯水蒸气；且水蒸气的流量完全受氢气的流量控制。由于氢气的流量控制精度很高，因此比起传统液态水发生水蒸气的发生方法，本专利技术对水蒸气流量的控制精度大大提高；另外，反应的氢气与生成的水蒸气的摩尔比为1:1，反应过程中没有气体体积流量变化，可确保水蒸气的压力稳定。因此本专利技术具有水蒸气输出压力和流量稳定、流量控制精度高的优点。【专利说明】一种控制流量的水蒸气发生方法及装置
本专利技术属于蒸气发生
，更具体地，涉及一种控制流量的水蒸气发生方法 及装置。
技术介绍
水蒸气是化工反应过程中常用的原料气体。在实验室中展开对水蒸气参与反应的 实验（如煤焦与水蒸气气化反应，乙醇与水蒸气重整反应，甲烷与水蒸气重整反应等），经 常需要实现连续微量水蒸气的稳定供给，以保证实验结果的精度和准确度。目前传统的水 蒸气发生方法均为采用水为原料，通过蠕动泵（或注射泵等其它恒流水泵）连续的注入加 热器内，利用水吸热蒸发的原理产生微量水蒸气。 但是传统水蒸气发生方法主要存在的问题为：1)0. lml/min的液体水转变成的水 蒸气流量约为 5. 556X l(T3mol/min (在 I. 013X 105Pa，100°C条件下约为 170mL/min)，因此 使用水为原料的水蒸气发生方法，水泵的精度对水蒸气流量的影响较大，水蒸气流量的控 制精度往往不高；2)蠕动泵是通过压辊不断挤压软管形成局部真空完成对流体的不断抽 吸和输送，但 是抽吸的短暂过程中的液体流量是不连续的容易造成脉冲流动，导致水蒸气输出的压力波 动大，流量不稳定；3)注射泵是通过电机推动注射器的活塞进行对流体的输送，但是活塞与注射器之间阻力也 同样容易导致在低流量的条件下形成脉冲流动，影响水蒸气输出的压力和流量；4)水进入 加热器的沸腾汽化是剧烈的物理转变过程，由于液体的密度大，气体的密度小，发生过程中 气体体积会剧烈变化，导致水蒸气的压力波动幅度较大；5)必须使用一定量的载气作为气 流的驱动力，难以发生高浓度的水蒸气。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种控制流量的 水蒸气发生方法，其中通过对工艺步骤、尤其是水蒸气的氧化还原反应机理及其关键工艺 参数等方面的研宄和设计，与现有技术相比能够有效解决现有水蒸气发生方法水蒸气流 量控制精度不高、水蒸气发生不稳定的问题，能够满足对高精度连续微量水蒸气的发生要 求（例如实验室级应用等），并且该水蒸气的发生方法能够方便的对原料进行补给，能够 达到水蒸气连续发生的技术效果，发生的水蒸气输出压力和流量稳定、精度高，精度可达 4· 464X 10_6mol/min(在 I. 013X 105Pa，100°C条件下约为 0· 137mL/min)，并且实现简单、操 作方便。 为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种控制流量的水蒸气发生方 法，其特征在于，包括以下步骤： (1)将金属氧化物颗粒置于反应器中，并且所述金属氧化物颗粒中的金属阳离子 的氧化性强于氢离子； (2)向所述反应器内通入氢气； (3)通过气体质量流量计调整向所述反应器内通入的氢气的流量，并加热所述反 应器，使所述氢气与所述金属氧化物颗粒发生氧化还原反应生成流量受控制的水蒸气。 作为本专利技术的进一步优选，所述金属氧化物颗粒为氧化铜、氧化亚铜、三氧化二铁 中的一种或两种以上。 作为本专利技术的进一步优选，在所述步骤1中金属氧化物颗粒的质量不小于步骤3 中每分钟与所述氢气发生氧化还原反应的金属氧化物颗粒质量的500倍。 作为本专利技术的进一步优选，在所述步骤3中气体质量流量计的测量精度在标准状 态下等于或者优于〇. lmL/min。 作为本专利技术的进一步优选，在所述步骤3中，所述反应器被加热到不低于600°C的 温度。 本专利技术的另一目的在于提供一种控制流量的水蒸气发生装置，该水蒸气发生装置 包括氢气管道、气体质量流量计、反应器、加热炉、水蒸气输出管道，其特征在于： 所述氢气管道与所述反应器连接，用于向所述反应器内输入氢气； 所述气体质量流量计位于所述氢气管道上，用于控制向所述反应器内输入氢气的 流量； 所述反应器承载有金属氧化物颗粒，所述金属氧化物颗粒中的金属阳离子的氧化 性强于氢离子； 所述加热炉位于所述反应器外，用于加热所述反应器使所述金属氧化物颗粒与氢 气发生氧化还原反应生成水蒸气； 所述水蒸气输出管道与所述反应器连接，用于输出所述水蒸气。 作为本专利技术的进一步优选，所述气体质量流量计的测量精度在标准状态下等于或 优于 〇· 1mT,/mi η η 作为本专利技术的进一步优选，所述反应器为流化床反应器或者固定床反应器。 作为本专利技术的进一步优选，所述氢气管道还能够预热所述氢气。 作为本专利技术的进一步优选，所述流化床反应器或者固定床反应器内还配置有布风 板，该布风板位于所述氢气管道的出口处；所述流化床反应器或者固定床反应器内还配置 有气固分离板，该气固分离板位于所述水蒸气输出管道的入口处。 总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要包括以下的 技术优点： 1、水蒸气的流量控制精度高：由于通过调节氢气流量就可以调节水蒸气流量，使 生成的水蒸气的流量控制实现简单、操作方便；而另一方面，由于气体质量流量计的精度很 高，以测量精度在标准状态下为〇. lmL/min的气体流量计为例，对应的水蒸气流量控制精 度可达到 4. 464X l(T6mol/min(在 I. 013X 105Pa，100°C条件下约为 0. 137mL/min)。而以精 度为0. lml/min水泵控制的传统液态水发生水蒸气的发生方法为例，该方法生成的水蒸气 流量控制精度为5. 556X l(T3mol/L (在I. 013X 105Pa，100°C条件下约为170mL/min)。可见， 本专利技术所述方法对水蒸气流量的控制精度大大提高。 2、氢气的反应转化率高，水蒸气发生稳定、连续、纯度高：反应器可以是流化床或 者固定床反应器，其中若采用固定床反应器，由于氢气与金属氧化物迅速发生氧化还原反 应生成水蒸气，产生的水蒸气受氢气流量控制（即对应气体质量流量计的测量精度）的影 响，流量控制精度高；若采用流化床反应器（即以氢气作为流化气体的原料，金属氧化物颗 粒作为流化介质的原料），能够使热量和原料氢气迅速传递，使氢气与金属氧化物更为迅速 的发生氧化还原反应生成水蒸气，氢气完全反应所需的温度更低，反应的效果更好，氢气的 反应转化率更完全；而产生的水蒸气依然受氢气流量控制的影响（对应气体质量流量计的 测量精度），流量控制精度高。 而另一方面，在加热反应器前（即在所述步骤1中），反应器内放置的金属氧化物 颗粒的质量不小于步骤3中每分钟与所述氢气发生氧化还原反应的金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种控制流量的水蒸气发生方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将金属氧化物颗粒置于反应器中，并且所述金属氧化物颗粒中的金属阳离子的氧化性强于氢离子；(2)向所述反应器内通入氢气；(3)通过气体质量流量计调整向所述反应器内通入氢气的流量，并加热所述反应器，使所述氢气与所述金属氧化物颗粒发生氧化还原反应生成流量受控制的水蒸气。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，姚洪，徐凯，张森，胡晓炜，肖黎，罗光前，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42