[发明专利]一种测量含氢高温混合物状态方程的装置与方法

说明书

本发明公开了一种测量高温含氢混合物状态方程的装置与方法，将被测混合物加压后充入样品容器，加热到测量温度，使用压力传感器测量样品的压力，使用铂电阻温度计或热电偶测量样品的温度，之后将样品容器降温，将一部分样品混合物引入体积已知的另一个容器中，测量得到样品在低温时的密度，由此得到完整的状态方程。本发明具有避免高温下氢气渗漏、测量精度高、操作简单等优点，为高温含氢混合物状态方程的测量提供了可行方案。

技术领域

本发明属于高温混合物状态方程测量技术领域，特别涉及一种测量高温含氢混合物状态方程的装置与方法。

背景技术

氢气是一种清洁能源。2005年，闫秋会等发现在超临界水中加入生物质与煤浆，可将煤浆中的氢元素连续地转变为氢单质析出，生成含有氢气的混合工质。实验系统在650℃，25MPa下进行，生成的工质含有12％氢气，8％二氧化碳，80％水蒸气。这种混合工质可被用来驱动涡轮，带动发动机发电。而要进行使用这种混合工质的涡轮、发动机的设计，获取其状态方程就成为最直接而又较为关键的问题。

针对氢气的状态方程测量，目前主要有两种方法：Burnett法和定容积法。

2010年，Sakoda等开发了使用Burnett法测量氢气状态方程的装置。其原理是依据状态方程：pV＝ZmRT,采用两个固定容积的腔体，一个叫做样品腔，一个叫做膨胀腔。样品腔有两个出口，一个是注入样品的管道，有阀门控制；另一个是通向膨胀腔的管道，有阀门控制其中混合物的流动。膨胀腔上有三个出口，一个是与样品腔相连的管道，另一个是放气管道，用于实验中排出混合物，第三个是用于抽真空的管道出口。在实验开始时，向样品腔中注入一定量的含氢混合物，混合物的压力通过压力计测得，混合物的容积通过标定样品腔的体积测得，混合物的温度通过热电偶测得。唯一的未知数就是混合物初始温度压力的压缩因子Z。这个初始压缩因子通过以下的方法拟合得到：加入混合物，测定容器内初始的压力、温度以后，打开样品腔与膨胀腔之间的阀门，从样品腔放出一定量的混合物到膨胀腔中去，使样品腔与膨胀腔中的混合物压力相等。再关闭样品腔与膨胀腔之间的阀门，保证样品腔中的混合物质量不变，测定此时样品腔中混合物的压力、温度。之后，将膨胀腔的放气管道打开，将其中的混合物排空，然后将膨胀腔抽真空，恢复到刚刚加入样品至样品腔中的状态。然后，再次打开连接样品腔和膨胀腔的阀门，将一部分混合物从样品腔放出至膨胀腔中去，使样品腔与膨胀腔中的混合物压力相等，关闭阀门，保证样品腔中的混合物质量不变，测定此时样品腔中的压力、温度。之后，再将膨胀腔的放气管道打开，将其中的混合物排空，然后将膨胀腔抽真空。这样，进行数次循环，直到样品腔中的气体压力极小，极为稀薄。由于每次放出一定量混合物，放出的气体占之前总气体的比例是由膨胀腔与样品腔体积比决定的，是一个常数。混合物在压力极小时可认为趋向理想气体，其压缩因子趋向于1。所以将所有测得的数据联合在一起，求极限，即可求出混合物初始状态的压缩因子Z。这样，混合物在测试范围内的状态方程就可以全部测得了。

Burnett方法只能测定氢气在200℃下的状态方程，超过200℃之后就会出现较为严重的氢气渗漏问题，氢气从样品腔和膨胀腔中逸出，使测量结果不准确，而且会有较大的安全风险。因此Burnett方法无法用于650℃的含氢混合物状态方程的测量。

2012年，Sakoda等开发了使用定容积法测量氢气状态方程的实验装置。其原理是：在Burnett方法的基础上，考虑样品腔容积随温度的变化，样品腔的体积远小于膨胀腔，是膨胀腔的约十分之一，先对样品腔容积在不同温度下进行标定，然后采用和Burnett方法类似的方法测定压力温度的数据。最后，计算得出含氢混合物的状态方程。实验测定，当温度达到800K时，样品腔的体积约上升为400K下样品腔体积的1.01倍。采用定容积法测量，氢气在200℃，0–100MPa的密度与文献中已有的状态方程的偏差不大于1％。