一種控制流量的水蒸氣發生方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種控制流量的水蒸氣發生方法及裝置，通過氫氣與金屬氧化物顆粒在高溫條件下反應生成水蒸氣，其中金屬氧化物顆粒中的金屬陽離子的氧化性強于氫離子。由于高溫條件下氫氣與金屬氧化物顆粒的反應速率很快，且反應屬于不可逆反應，氫氣可被完全氧化，能連續產生濃度接近100％的高純水蒸氣；且水蒸氣的流量完全受氫氣的流量控制。由于氫氣的流量控制精度很高，因此比起傳統液態水發生水蒸氣的發生方法，本發明對水蒸氣流量的控制精度大大提高；另外，反應的氫氣與生成的水蒸氣的摩爾比為1:1，反應過程中沒有氣體體積流量變化，可確保水蒸氣的壓力穩定。因此本發明具有水蒸氣輸出壓力和流量穩定、流量控制精度高的優點。
【專利說明】一種控制流量的水蒸氣發生方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬于蒸氣發生【技術領域】，更具體地，涉及一種控制流量的水蒸氣發生方法 及裝置。
【背景技術】
[0002] 水蒸氣是化工反應過程中常用的原料氣體。在實驗室中展開對水蒸氣參與反應的 實驗（如煤焦與水蒸氣氣化反應，乙醇與水蒸氣重整反應，甲烷與水蒸氣重整反應等），經 常需要實現連續微量水蒸氣的穩定供給，以保證實驗結果的精度和準確度。目前傳統的水 蒸氣發生方法均為采用水為原料，通過蠕動泵（或注射泵等其它恒流水泵）連續的注入加 熱器內，利用水吸熱蒸發的原理產生微量水蒸氣。
[0003] 但是傳統水蒸氣發生方法主要存在的問題為：1)0. lml/min的液體水轉變成的水 蒸氣流量約為 5. 556X l(T3mol/min (在 I. 013X 105Pa，100°C條件下約為 170mL/min)，因此 使用水為原料的水蒸氣發生方法，水泵的精度對水蒸氣流量的影響較大，水蒸氣流量的控 制精度往往不高；2)蠕動泵是通過壓輥不斷擠壓軟管形成局部真空完成對流體的不斷抽 吸和輸送[蠕動泵在化學反應過程中的應用，馮雨靜，北京印刷學院學報，21 (6)，2013]，但 是抽吸的短暫過程中的液體流量是不連續的容易造成脈沖流動，導致水蒸氣輸出的壓力波 動大，流量不穩定；3)注射泵是通過電機推動注射器的活塞進行對流體的輸送[微量注射 泵的工作原理及其應用，陳浩，中國醫學裝備9 (10)，2012]，但是活塞與注射器之間阻力也 同樣容易導致在低流量的條件下形成脈沖流動，影響水蒸氣輸出的壓力和流量；4)水進入 加熱器的沸騰汽化是劇烈的物理轉變過程，由于液體的密度大，氣體的密度小，發生過程中 氣體體積會劇烈變化，導致水蒸氣的壓力波動幅度較大；5)必須使用一定量的載氣作為氣 流的驅動力，難以發生高濃度的水蒸氣。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明的目的在于提供一種控制流量的 水蒸氣發生方法，其中通過對工藝步驟、尤其是水蒸氣的氧化還原反應機理及其關鍵工藝 參數等方面的研宄和設計，與現有技術相比能夠有效解決現有水蒸氣發生方法水蒸氣流 量控制精度不高、水蒸氣發生不穩定的問題，能夠滿足對高精度連續微量水蒸氣的發生要 求（例如實驗室級應用等），并且該水蒸氣的發生方法能夠方便的對原料進行補給，能夠 達到水蒸氣連續發生的技術效果，發生的水蒸氣輸出壓力和流量穩定、精度高，精度可達 4· 464X 10_6mol/min(在 I. 013X 105Pa，100°C條件下約為 0· 137mL/min)，并且實現簡單、操 作方便。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種控制流量的水蒸氣發生方 法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] (1)將金屬氧化物顆粒置于反應器中，并且所述金屬氧化物顆粒中的金屬陽離子 的氧化性強于氫離子；
[0007] (2)向所述反應器內通入氫氣；
[0008] (3)通過氣體質量流量計調整向所述反應器內通入的氫氣的流量，并加熱所述反 應器，使所述氫氣與所述金屬氧化物顆粒發生氧化還原反應生成流量受控制的水蒸氣。
[0009] 作為本發明的進一步優選，所述金屬氧化物顆粒為氧化銅、氧化亞銅、三氧化二鐵 中的一種或兩種以上。
[0010] 作為本發明的進一步優選，在所述步驟1中金屬氧化物顆粒的質量不小于步驟3 中每分鐘與所述氫氣發生氧化還原反應的金屬氧化物顆粒質量的500倍。
[0011] 作為本發明的進一步優選，在所述步驟3中氣體質量流量計的測量精度在標準狀 態下等于或者優于〇. lmL/min。
[0012] 作為本發明的進一步優選，在所述步驟3中，所述反應器被加熱到不低于600°C的 溫度。
[0013] 本發明的另一目的在于提供一種控制流量的水蒸氣發生裝置，該水蒸氣發生裝置 包括氫氣管道、氣體質量流量計、反應器、加熱爐、水蒸氣輸出管道，其特征在于：
[0014] 所述氫氣管道與所述反應器連接，用于向所述反應器內輸入氫氣；
[0015] 所述氣體質量流量計位于所述氫氣管道上，用于控制向所述反應器內輸入氫氣的 流量；
[0016] 所述反應器承載有金屬氧化物顆粒，所述金屬氧化物顆粒中的金屬陽離子的氧化 性強于氫離子；
[0017] 所述加熱爐位于所述反應器外，用于加熱所述反應器使所述金屬氧化物顆粒與氫 氣發生氧化還原反應生成水蒸氣；
[0018] 所述水蒸氣輸出管道與所述反應器連接，用于輸出所述水蒸氣。
[0019] 作為本發明的進一步優選，所述氣體質量流量計的測量精度在標準狀態下等于或 優于 〇· 1mT,/mi η η
[0020] 作為本發明的進一步優選，所述反應器為流化床反應器或者固定床反應器。
[0021] 作為本發明的進一步優選，所述氫氣管道還能夠預熱所述氫氣。
[0022] 作為本發明的進一步優選，所述流化床反應器或者固定床反應器內還配置有布風 板，該布風板位于所述氫氣管道的出口處；所述流化床反應器或者固定床反應器內還配置 有氣固分離板，該氣固分離板位于所述水蒸氣輸出管道的入口處。
[0023] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，主要包括以下的 技術優點：
[0024] 1、水蒸氣的流量控制精度高：由于通過調節氫氣流量就可以調節水蒸氣流量，使 生成的水蒸氣的流量控制實現簡單、操作方便；而另一方面，由于氣體質量流量計的精度很 高，以測量精度在標準狀態下為〇. lmL/min的氣體流量計為例，對應的水蒸氣流量控制精 度可達到 4. 464X l(T6mol/min(在 I. 013X 105Pa，100°C條件下約為 0. 137mL/min)。而以精 度為0. lml/min水泵控制的傳統液態水發生水蒸氣的發生方法為例，該方法生成的水蒸氣 流量控制精度為5. 556X l(T3mol/L (在I. 013X 105Pa，100°C條件下約為170mL/min)。可見， 本發明所述方法對水蒸氣流量的控制精度大大提高。
[0025] 2、氫氣的反應轉化率高，水蒸氣發生穩定、連續、純度高：反應器可以是流化床或 者固定床反應器，其中若采用固定床反應器，由于氫氣與金屬氧化物迅速發生氧化還原反 應生成水蒸氣，產生的水蒸氣受氫氣流量控制（即對應氣體質量流量計的測量精度）的影 響，流量控制精度高；若采用流化床反應器（即以氫氣作為流化氣體的原料，金屬氧化物顆 粒作為流化介質的原料），能夠使熱量和原料氫氣迅速傳遞，使氫氣與金屬氧化物更為迅速 的發生氧化還原反應生成水蒸氣，氫氣完全反應所需的溫度更低，反應的效果更好，氫氣的 反應轉化率更完全；而產生的水蒸氣依然受氫氣流量控制的影響（對應氣體質量流量計的 測量精度），流量控制精度高。
[0026] 而另一方面，在加熱反應器前（即在所述步驟1中），反應器內放置的金屬氧化物 顆粒的質量不小于步驟3中每分鐘與所述氫氣發生氧化還原反應的金屬氧化物顆粒質量 的500倍，使每分鐘通入到反應器內的氫氣均能與金屬氧化物顆粒充分反應，避免由于金 屬氧化物顆粒原料不足造成的氫氣反應轉化率低的問題，確保了輸出的水蒸氣的純度。另 夕卜，反應器可被加熱到不低于600°C的溫度（即在所述步驟3中），能使氫氣與金屬氧化物 顆粒間的氧化還原反應更加迅速，氫氣的反應轉化率高，水蒸氣的純度也越好。
[0027] 3、產生的水蒸氣流量、壓力穩定，并且可連續產生：由于反應的氫氣與生成的水 蒸氣的摩爾比為1: 1，反應過程中沒有氣體體積流量變化，可確保水蒸氣的壓力穩定，即本 發明可以通過對氫氣的流量調節來控制輸出水蒸氣的流量，具有水蒸氣輸出壓力和流量穩 定、精度高的優點；另外，由于本發明中的水蒸氣發生方法能夠方便的對原料（如氫氣）進 行補給，能夠達到水蒸氣連續發生的技術效果，可以實現連續微量水蒸氣的穩定發生。
[0028] 4、產生的水蒸氣純度高：由于使用氫氣提供氫源作為生成水蒸氣的原料，并使用 金屬氧化物（例如，氧化銅）顆粒提供氧源作為生成水蒸氣的原料，通過氫氣與金屬氧化物 顆粒在高溫反應器中發生快速的氧化還原反應，產生水蒸氣。由于金屬氧化物顆粒中金屬 陽離子的氧化性要強于氫離子（以氧化銅顆粒為例，其中的金屬陽離子為Cu 2+，而Cu2+的氧 化性要強于H+)，氫氣與金屬氧化物顆粒反應速率很快，且反應屬于不可逆反應，氫氣可被 完全氧化，可連續產生濃度接近100 %的高純水蒸氣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029] 圖1是本發明基于流化床反應器水蒸氣發生裝置的結構示意圖；
[0030] 圖2是本發明基于固定床反應器水蒸氣發生裝置的結構示意圖。
[0031] 其中，1為氫氣；2為氣體質量流量計；3為加熱爐；4為反應器；5為氣體預熱管道； 6為布風板；7為氧化銅顆粒；8為反應室；9為進樣管；10為氣固分離板；11為水蒸氣輸出 管道。
【具體實施方式】
[0032] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。
[0033] 實施例1
[0034] 圖1所示為本發明基于流化床反應器水蒸氣發生裝置的結構示意圖，所述流化床 反應器為微型流化床反應器，該流化床反應器的直徑60_、高度180_，流化床反應器使用 石英材料，確保流化床反應器本身不會與氫氣和/或水蒸氣發生反應。流化床反應器內的 布風板6保證氣體由下往上通過，而氧化銅顆粒7不會從反應室8漏出至預熱管道5 ;氧化 銅顆粒7床層的高度保證氣體在床層的停留時間大于氫氣完全反應所需時間；氣固分離板 10保證氣體由下往上通過，而氧化銅顆粒7不會從反應室8逸出至水蒸氣輸出管道11。加 熱爐里面設有溫度傳感器，上述流化床反應器放置于該溫度傳感器附近，通過監測反應區 溫度信息，可通過加熱爐的加熱程序精確控制反應器內的溫度。
[0035] 采用上述裝置生成0. OOlmol/min流量水蒸氣的方法如下：首先在常溫常壓條件 下將1000g、顆粒粒徑范圍為50-100 μm的氧化銅顆粒通過進樣管9加入直徑60mm、高度 180_、石英材料的微型流化床的反應室中，并將進樣管封閉。隨后向流化床反應室中通過 氫氣使該反應室內的空氣排盡。當流化床反應室內的空氣被排盡后（如流化床反應器內 的氫氣的體積分數大于99. 9% )，通過加熱爐將微型流化床反應室加熱至800°C，并保證水 蒸氣輸出管道處的溫度高于ll〇°C。之后通過氣體質量流量計控制氫氣的流量為22. 4ml/ min (標準狀態下，即在壓強為1. 013X 105Pa、溫度為0°C的狀態下）。氫氣經過預熱管道預 熱（對氫氣預熱可以使反應氫氣更快升溫、達到與氧化銅反應的溫度）再通過布風板均勻 地進入微型流化床的反應室，并與反應室內的氧化銅顆粒發生劇烈的氧化還原反應，氫氣 被完全氧化生成〇. OOlmol/min的水蒸氣。最后氣固分離板將流化態的固體顆粒和氣態的 水蒸氣分離，〇. OOlmol/min的純水蒸氣通過水蒸氣輸出管道輸出。
[0036] 所述氣體質量流量計的測量精度在標準狀態下等于0. lmL/min，則通入上述流化 床反應器內的氫氣的流量在標準狀態下的精度也為0. lmL/min。
[0037] 實施例2
[0038] 圖2所示為本發明基于固定床反應器水蒸氣發生裝置的結構示意圖，所述固定床 反應器為微型固定床反應器，該固定床反應器的直徑60_、高度180_，固定床反應器使用 石英材料，確保固定床反應器本身不會與氫氣和/或水蒸氣發生反應。固定床反應器內的 布風板6保證氣體由上往下通過；氧化銅顆粒7床層的高度保證氣體在床層的停留時間大 于氫氣完全反應所需時間；氣固分離板10保證氣體由上往下通過，而氧化銅顆粒7不會從 反應室8逸出至水蒸氣輸出管道11。
[0039] 采用上述裝置生成0. OOlmol/min流量水蒸氣的方法如下：首先在常溫常壓條件 下將1000g、顆粒粒徑范圍為50-100 μm的氧化銅顆粒通過進樣管9加入直徑60mm、高度 180_、石英材料的微型固定床的反應室中，并將進樣管封閉。隨后向固定床反應室中通過 氫氣使該反應室內的空氣排盡。當固定床反應室內的空氣被排盡后（如固定床反應器內 的氫氣的體積分數大于99. 9% )，通過加熱爐將微型固定床反應室加熱至800°C，并保證水 蒸氣輸出管道處的溫度高于ll〇°C。之后通過氣體質量流量計控制氫氣的流量為22. 4ml/ min (標準狀態下，即在壓強為1. 013X 105Pa、溫度為0°C的狀態下）。氫氣經過預熱管道預 熱（對氫氣預熱可以使反應氫氣更快升溫、達到與氧化銅反應的溫度）再通過布風板均勻 地進入微型固定床的反應室，并與反應室內的氧化銅顆粒發生劇烈的氧化還原反應，氫氣 被完全氧化生成〇. 〇〇lmol/min的水蒸氣。最后氣固分離板將固體顆粒和氣態的水蒸氣分 離，0. OOlmol/min的純水蒸氣通過水蒸氣輸出管道輸出。
[0040] 所述氣體質量流量計的測量精度在標準狀態下等于0. lmL/min，則通入上述固定 床反應器內的氫氣的流量在標準狀態下的精度也為0. lmL/min。
[0041] 上述實施例1和2可以實現0. OOlmol/min流量的水蒸氣發生。反應過程中，為 了保證氧化銅一直處于過量狀態，使反應器輸出的水蒸氣的純度高于99 %，反應室中的氧 化銅顆粒質量不小于其每分鐘消耗量的500倍，其具體的質量要根據水蒸氣發生所要求的 具體連續時間來決定。以實施例1為例，在該水蒸氣發生條件下，每分鐘消耗的氧化銅為 〇. 〇8g，確保氧化銅處于大過量狀態的條件為反應室內的氧化銅顆粒質量不低于40g，即一 次加載IOOOg氧化銅顆粒可以滿足在接近200小時內實現0. OOlmol/min水蒸氣的連續穩 定發生。
[0042] 氫氣與金屬氧化物發生氧化還原反應生成流量受控制的水蒸氣是在反應器溫度 保持恒定下進行的。實施例1和2中，反應器中氧化銅與氫氣發生氧化還原反應的溫度為 800°C，這主要是出于加快氧化還原反應速率的目的。常壓條件下，氧化銅與氫氣反應生成 水蒸氣的溫度約為250°C，因此，只要反應器的溫度不低于250°C就能生成水蒸氣。
[0043] 關于氧化銅與氫氣氧化還原反應的速率，有文獻研宄了氫氣還原氧化銅的反應動 力學參數，得出的該反應氫氣轉化率隨時間變化的計算公式如下：
【權利要求】
1. 一種控制流量的水蒸氣發生方法，其特征在于，包括以下步驟： (1) 將金屬氧化物顆粒置于反應器中，并且所述金屬氧化物顆粒中的金屬陽離子的氧 化性強于氫離子； (2) 向所述反應器內通入氫氣； (3) 通過氣體質量流量計調整向所述反應器內通入氫氣的流量，并加熱所述反應器，使 所述氫氣與所述金屬氧化物顆粒發生氧化還原反應生成流量受控制的水蒸氣。
2. 如權利要求1所述的控制流量的水蒸氣發生方法，其特征在于，所述金屬氧化物顆 粒為氧化銅、氧化亞銅、三氧化二鐵中的一種或兩種以上。
3. 如權利要求1所述的控制流量的水蒸氣發生方法，其特征在于，在所述步驟1中金屬 氧化物顆粒的質量不小于步驟3中每分鐘與所述氫氣發生氧化還原反應的金屬氧化物顆 粒質量的500倍。
4. 如權利要求1所述的控制流量的水蒸氣發生方法，其特征在于，在所述步驟3中氣體 質量流量計的測量精度在標準狀態下等于或者優于〇. lmL/min。
5. 如權利要求1所述的控制流量的水蒸氣發生方法，其特征在于，在所述步驟3中，所 述反應器被加熱到不低于600°C的溫度。
6. -種控制流量的水蒸氣的發生裝置，包括氫氣管道、氣體質量流量計、反應器、加熱 爐、水蒸氣輸出管道，其特征在于： 所述氫氣管道與所述反應器連接，用于向所述反應器內輸入氫氣； 所述氣體質量流量計位于所述氫氣管道上，用于控制向所述反應器內輸入氫氣的流 量； 所述反應器承載有金屬氧化物顆粒，所述金屬氧化物顆粒中的金屬陽離子的氧化性強 于氫離子； 所述加熱爐位于所述反應器外，用于加熱所述反應器使所述金屬氧化物顆粒與氫氣發 生氧化還原反應生成水蒸氣； 所述水蒸氣輸出管道與所述反應器連接，用于輸出所述水蒸氣。
7. 如權利要求6所述的控制流量的水蒸氣的發生裝置，其特征在于，所述氣體質量流 量計的測量精度在標準狀態下等于或優于〇. lmL/min。
8. 如權利要求6所述的控制流量的水蒸氣的發生裝置，其特征在于，所述反應器為流 化床反應器或者固定床反應器。
9. 如權利要求6 - 8任意一項所述的控制流量的水蒸氣的發生裝置，其特征在于，所述 氫氣管道還能夠預熱所述氫氣。
10. 如權利要求8 - 9任意一項所述的控制流量的水蒸氣的發生裝置，其特征在于，所 述流化床反應器或者固定床反應器內還配置有布風板，該布風板位于所述氫氣管道的出口 處；所述流化床反應器或者固定床反應器內還配置有氣固分離板，該氣固分離板位于所述 水蒸氣輸出管道的入口處。
【文檔編號】C01B5/00GK104495753SQ201410695912
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】陳超, 姚洪, 徐凱, 張森, 胡曉煒, 肖黎, 羅光前 申請人:華中科技大學