一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置的製作方法

2024-01-29 01:48:15

專利名稱：一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於實驗設備領域，涉及一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置，特別是提供了一種符合實驗室要求的能夠控制水蒸汽含量、壓力的水蒸汽發生裝置。
背景技術：
在航天、冶金等高溫領域，非氧化物材料因其具有優良的耐高溫和抗腐蝕性能而得到越來越廣泛的關注，但在實際應用中，材料的使用環境大多是高溫腐蝕，其中水蒸汽就是一種常見的腐蝕環境。例如，作為燃氣渦輪重要部件的SiC基複合材料經常處於高溫環境中，同時燃料燃燒會產生大量水蒸汽。在冶金領域，由於氫氣(H2)的還原能力是CO的14 倍，並且屬於一種清潔能源，隨著「低碳冶金」的倡導，「氫冶金」工藝是鋼鐵工業發展低碳經濟的最佳選擇，氫冶金中H2作為主要還原氣體，對鐵礦石進行還原。在這個工藝過程中，H2 的產物是水。由此可知，在「氫冶金」的過程中會產生大量的水蒸汽。在高溫含水條件下， 非氧化物材料的保護性氧化膜與水發生反應導致氧化物層脫落，從而導致材料失去原有性能。目前，對於材料在高溫含水條件下的使用性能研究較少，原因就是還未有能夠提供水蒸汽含量、壓力可控的水蒸汽發生裝置。
發明內容本發明目的在於發明一種裝置，即能夠產生含量可控的飽和水蒸汽，可以在實驗室條件下模擬實際高溫含水的環境，研究材料在高溫含水條件下的使用性能，為研究者提供了簡單便捷的途徑，填補材料研究中設備的空白。一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置，由兩部分組成(1)水蒸汽預發生裝置，包括鋁質加熱套、三口燒瓶；( 飽和水蒸汽發生裝置，包括恆溫水浴鍋、恆溫水浴管。 水蒸汽預發生裝置和飽和水蒸汽發生裝置兩者之間由石英管連接，再用石英管將氣體從飽和水浴管連接至反應爐內，三口燒瓶1設在鋁質加熱套2內；恆溫水浴管7設在恆溫水浴鍋 6內，恆溫水浴管下部與虹吸管8相連，恆溫水浴管內部放滿玻璃珠；石英管(4)連接水蒸汽預發生裝置、水蒸汽飽和發生裝置以及反應爐。石英管外纏繞矽橡膠電熱線，以保證水蒸汽在傳輸過程中不會冷凝。採用上述裝置，向水蒸汽預發生裝置中通入載氣(幹空氣或某一反應氣體)，並控制加熱套溫度保持某一溫度T1不變。利用載氣帶出水蒸汽，經過恆溫水浴管(置於恆溫水浴鍋中)，由於水蒸汽的分壓隨著溫度的升高而增大，恆溫水浴的溫度T2需低於T1以保證水蒸汽達到飽和。恆溫水浴管中放滿玻璃珠，延長了氣體通過的時間，使水蒸汽與反應氣體能充分混合。為保持氣體內外壓強一致，採用虹吸管控制恆溫水浴管內外壓強均為一個大氣壓。水蒸汽預發生裝置、水蒸汽飽和發生裝置和反應爐之間用石英管連接，石英管外密排纏繞矽橡膠電熱線，電熱線加熱溫度T3略大於T1以保證水蒸汽在傳輸過程中不會冷凝。本發明通過控制恆溫水浴鍋的溫度T2來控制氣氛中水蒸汽的含量。原理如下不同的溫度下，水蒸汽的飽和蒸汽壓不同，它們之間的關係可以通過克拉佩龍-克勞修斯方禾呈(Clausius-Clapeyron) t&^JtYM-
dp = Δ相變= Δ相變#⑴
肌「T^Vm 「 TAimV式中p為飽和水蒸汽壓力(kPa)，廠為溫度⑷，Δ ^Hffl為氣_液相摩爾焓差值 (J/mol)，Δ 為氣-液相摩爾體積差值(L/mol)。或者查閱物理化學手冊(CRC handbook of chemistry and physics)得到不同溫度下水蒸汽的飽和蒸汽壓。根據如下公式進一步得到飽和水蒸汽的含量
(ρλ (1000^ 273 _。、W = M^ X - X7-ΓΧ18(2)
^760J ^ 22.4 J (273 + Τ)式中m為溫度T下單位體積中飽和水蒸汽的含量(g/m3) ；ρ為飽和水蒸汽的壓力 (mmHg) ο本裝置基於以上飽和水蒸汽壓和溫度之間的關係，通過調節恆溫水浴鍋的溫度 T2(為達水蒸汽飽和，水浴鍋的溫度T2需低於T1)得到不同溫度下的飽和水蒸汽分壓，根據公式( 得到不同溫度下飽和水蒸汽的含量。本發明具有以下主要特點1.氣體成分能夠充分混合恆溫水浴管中裝滿玻璃珠，延長氣體通過的時間，能夠保證水蒸汽和反應氣體的充分混合；2.水蒸汽保證達到飽和恆溫水浴鍋的溫度T2低於加熱套的加熱溫度T1,使得預飽和的水蒸汽通過恆溫水浴鍋時的蒸汽壓減小，保證其達到飽和狀態。3.水蒸汽壓可控通過控制恆溫水浴鍋的溫度T2 (為達水蒸汽飽和狀態，恆溫水浴鍋的溫度T2要低於加熱套的溫度T1)來達到控制水蒸汽壓的目的。恆溫水浴鍋的溫度連續可調，因此水蒸汽的分壓也可以連續控制。4.裝置結構簡單，容易與已有設備連接，便於更換。下面，結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述。

圖1為本實用新型實施例圖。三口燒瓶1、鋁質加熱套2、矽橡膠電熱線3、石英管4、玻璃珠5、恆溫水浴鍋6、恆溫水浴管7、虹吸管8。
具體實施方案圖1所示常壓飽和水蒸汽發生裝置由三口燒瓶1、鋁質加熱套2、矽橡膠電熱線3、 石英管4、玻璃珠5、恆溫水浴鍋6、恆溫水浴管7、虹吸管8組成。水蒸汽預發生裝置和飽和水蒸汽發生裝置兩者之間由石英管連接，再用石英管將氣體從飽和水浴管連接至反應爐內，三口燒瓶1設在鋁質加熱套2內；恆溫水浴管7設在恆溫水浴鍋6內，恆溫水浴管下部與虹吸管8相連。石英管外纏繞矽橡膠電熱線。載氣(幹空氣或某一反應氣體)通入三口燒瓶1中，三口燒瓶中液態水由燒瓶外加熱套2加熱至T1，液面由上部固定加水器控制，保持液面的穩定，載氣帶動水蒸汽進入石英管4中，密排包裹在外的矽橡膠電熱線3加熱至 T3 (略大於加熱套的溫度T1,保證水蒸汽在傳輸過程中不會冷凝)，氣體通入恆溫水浴管7 中，水浴管中裝滿玻璃珠5，用於氣體的混合，恆溫水浴管放置於恆溫水浴鍋6中，溫度控制在T2 (略低於溫度T1,以保證水蒸汽達飽和)，利用虹吸管8控制內外壓強保持一致，過飽和的水蒸汽冷凝成液態水，從溢流管流出，飽和的水蒸汽通過石英管進入反應爐中，與樣品反應。 只需調節恆溫水浴鍋的溫度T2即可控制氣氛中水蒸汽的含量、壓力。
權利要求1.一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置，其特徵在於，包括由三口燒瓶(1)、鋁質加熱套( 構成的水蒸汽預發生裝置和由玻璃珠(5)、恆溫水浴鍋(6)、恆溫水浴管(7)、構成的水蒸汽飽和發生裝置；三口燒瓶(1)設在鋁質加熱套O)內；恆溫水浴管(7)設在恆溫水浴鍋(6)內，恆溫水浴管下部與虹吸管(8)相連，恆溫水浴管內部放滿玻璃珠；石英管 (4)連接水蒸汽預發生裝置、水蒸汽飽和發生裝置以及反應爐。
2.根據權利要求1所述的一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置，其特徵在於石英管(4)外密排纏繞矽橡膠電熱線(3)。
專利摘要一種水蒸汽壓可控的飽和水蒸汽發生裝置，屬於實驗設備領域。包括由三口燒瓶(1)、鋁質加熱套(2)構成的水蒸汽預發生裝置和由玻璃珠(5)、恆溫水浴鍋(6)、恆溫水浴管(7)、虹吸管(8)構成的水蒸汽飽和發生裝置。石英管(4)連接水蒸汽預發生裝置、水蒸汽飽和發生裝置和反應爐，石英管(4)外密排纏繞矽橡膠電熱線(3)。本實用新型通過控制水浴鍋的溫度來達到控制水蒸汽壓的目的，能夠產生水蒸汽含量、壓力可控的飽和水蒸汽，可以在實驗室條件下模擬實際高溫含水的環境。裝置結構簡單，容易與已有設備連接，便於更換，為研究者提供了簡單便捷的途徑。
文檔編號F22B1/00GK202109454SQ201120111629
公開日2012年1月11日 申請日期2011年4月15日 優先權日2011年4月15日
發明者侯新梅, 周國治, 張梅, 虞自由, 陳志遠 申請人:北京科技大學