[发明专利]一种控制流量的水蒸气发生方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于蒸气发生技术领域，更具体地，涉及一种控制流量的水蒸气发生方法及装置。

背景技术

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)0.1ml/min的液体水转变成的水蒸气流量约为5.556×10^-3mol/min(在1.013×10⁵Pa，100℃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[蠕动泵在化学反应过程中的应用，冯雨静，北京印刷学院学报，21(6)，2013]，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[微量注射泵的工作原理及其应用，陈浩，中国医学装备9(10)，2012]，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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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究和设计，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4.464×10^-6mol/min(在1.013×10⁵Pa，100℃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，按照本发明的一个方面，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。

作为本发明的进一步优选，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。

作为本发明的进一步优选，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。

作为本发明的进一步优选，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0.1mL/min。

作为本发明的进一步优选，在所述步骤3中，所述反应器被加热到不低于600℃的温度。

本发明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。

作为本发明的进一步优选，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0.1mL/min。

作为本发明的进一步优选，所述反应器为流化床反应器或者固定床反应器。