CN102213407B - 一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置 - Google Patents

Abstract

一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置，属于实验设备领域。包括由三口烧瓶(1)、铝质加热套(2)构成的水蒸汽预发生装置和由玻璃珠(5)、恒温水浴锅(6)、恒温水浴管(7)、虹吸管(8)构成的水蒸汽饱和发生装置。石英管(4)连接水蒸汽预发生装置、水蒸汽饱和发生装置和反应炉，石英管(4)外密排缠绕硅橡胶电热线(3)。本发明通过控制水浴锅的温度来达到控制水蒸汽压的目的，能够产生水蒸汽含量、压力可控的饱和水蒸气水蒸汽，可以在实验室条件下模拟实际高温含水的环境。装置结构简单，容易与已有设备连接，便于更换，为研究者提供了简单便捷的途径。

Description

一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置

技术领域

本发明属于实验设备领域，涉及一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置，特别是提供了一种符合实验室要求的能够控制水蒸汽含量、压力的水蒸汽发生装置。 

背景技术

在航天、冶金等高温领域，非氧化物材料因其具有优良的耐高温和抗腐蚀性能而得到越来越广泛的关注，但在实际应用中，材料的使用环境大多是高温腐蚀，其中水蒸汽就是一种常见的腐蚀环境。例如，作为燃气涡轮重要部件的SiC基复合材料经常处于高温环境中，同时燃料燃烧会产生大量水蒸汽。在冶金领域，由于氢气(H₂)的还原能力是CO的14倍，并且属于一种清洁能源，随着“低碳冶金”的倡导，“氢冶金”工艺是钢铁工业发展低碳经济的最佳选择，氢冶金中H₂作为主要还原气体，对铁矿石进行还原。在这个工艺过程中，H₂的产物是水。由此可知，在“氢冶金”的过程中会产生大量的水蒸汽。在高温含水条件下，非氧化物材料的保护性氧化膜与水发生反应导致氧化物层脱落，从而导致材料失去原有性能。 

目前，对于材料在高温含水条件下的使用性能研究较少，原因就是还未有能够提供水蒸汽含量、压力可控的水蒸汽发生装置。 

发明内容

本发明目的在于发明一种装置，即能够产生含量可控的饱和水蒸汽，可以在实验室条件下模拟实际高温含水的环境，研究材料在高温含水条件下的使用性能，为研究者提供了简单便捷的途径，填补材料研究中设备的空白。 

一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置，由两部分组成：(1)水蒸汽预发生装置，包括铝质加热套、三口烧瓶；(2)饱和水蒸汽发生装置，包括恒温水浴锅、恒温水浴管。水蒸汽预发生装置和饱和水蒸汽发生装置两者之间由石英管连接，再用石英管将气体从饱和水浴管连接至反应炉内，三口烧瓶1设在铝质加热套2内；恒温水浴管7设在恒温水浴锅6内，恒温水浴管下部与虹吸管8相连。石英管外缠绕硅橡胶电热线，以保证水蒸汽在传输过程中不会冷凝。 

采用上述装置，向水蒸汽预发生装置中通入载气(干空气或某一反应气体)，并控制加热套温度保持某一温度T₁不变。利用载气带出水蒸汽，经过恒温水浴管(置于恒温水浴锅中)，由于水蒸汽的分压随着温度的升高而增大，恒温水浴的温度T₂需低于T₁以保证水蒸汽达到饱和。恒温水浴管中放满玻璃珠，延长了气体通过的时间，使水蒸汽与反应气体能充分混合。为保持气体内外压强一致，采用虹吸管控制恒温水浴管内外压强均为一个大气压。水蒸汽预发生装置、水蒸汽饱和发生装置和反应炉之间用石英管连接，石英管外密排缠绕硅橡胶电热线，电热线加热温度T₃略大于T₁以保证水蒸汽在传输过程中不会冷凝。 

本发明通过控制恒温水浴锅的温度T₂来控制气氛中水蒸汽的含量。原理如下：不同的温度下，水蒸汽的饱和蒸汽压不同，它们之间的关系可以通过克拉佩龙-克劳修斯方程(Clausius-Clapeyron)进行计算： 

式中：p为饱和水蒸汽压力(kPa)，T为温度(K)，Δ_相变H_m为气-液相摩尔焓差值(J/mol)，Δ_相变V_m为气-液相摩尔体积差值(L/mol)。或者查阅物理化学手册(CRC handbook of chemistry and physics)得到不同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压。根据如下公式进一步得到饱和水蒸汽的含量： 

$m=\left(\frac{p}{760}\right)\×\left(\frac{1000}{22.4}\right)\×\frac{273}{(273+T)}\×18---\left(2\right)$

式中：m为温度T下单位体积中饱和水蒸气的含量(g/m³)；p为饱和水蒸汽的压力(mmHg)。 

本装置基于以上饱和水蒸汽压和温度之间的关系，通过调节恒温水浴锅的温度T₂(为达水蒸汽饱和，水浴锅的温度T₂需低于T₁)得到不同温度下的饱和水蒸汽分压，根据公式(2)得到不同温度下饱和水蒸汽的含量。 

本发明具有以下主要特点： 

1.气体成分能够充分混合：恒温水浴管中装满玻璃珠，延长气体通过的时间，能够保证水蒸汽和反应气体的充分混合； 

2.水蒸汽保证达到饱和：恒温水浴锅的温度T₂低于加热套的加 热温度T₁，使得预饱和的水蒸汽通过恒温水浴锅时的蒸汽压减小，保证其达到饱和状态。 

3.水蒸汽压可控：通过控制恒温水浴锅的温度T₂(为达水蒸汽饱和状态，恒温水浴锅的温度T₂要低于加热套的温度T₁)来达到控制水蒸汽压的目的。恒温水浴锅的温度连续可调，因此水蒸汽的分压也可以连续控制。 

4.装置结构简单，容易与已有设备连接，便于更换。 

下面，结合附图对本发明作进一步的详细描述。 

附图说明

图1为本发明实施例图。 

三口烧瓶1、铝质加热套2、硅橡胶电热线3、石英管4、玻璃珠5、恒温水浴锅6、恒温水浴管7、虹吸管8。 

具体实施方案

图1所示常压饱和水蒸汽发生装置由三口烧瓶1、铝质加热套2、硅橡胶电热线3、石英管4、玻璃珠5、恒温水浴锅6、恒温水浴管7、虹吸管8组成。水蒸汽预发生装置和饱和水蒸汽发生装置两者之间由石英管连接，再用石英管将气体从饱和水浴管连接至反应炉内，三口烧瓶1设在铝质加热套2内；恒温水浴管7设在恒温水浴锅6内，恒温水浴管下部与虹吸管8相连。石英管外缠绕硅橡胶电热线。载气(干空气或某一反应气体)通入三口烧瓶1中，三口烧瓶中液态水由烧瓶外加热套2加热至T₁，液面由上部固定加水器控制，保持液面的稳定，载气带动水蒸汽进入石英管4中，密排包裹在外的硅橡胶电热线 3加热至T₃(略大于加热套的温度T₁，保证水蒸汽在传输过程中不会冷凝)，气体通入恒温水浴管7中，水浴管中装满玻璃珠5，用于气体的混合，恒温水浴管放置于恒温水浴锅6中，温度控制在T₂(略低于温度T₁，以保证水蒸汽达饱和)，利用虹吸管8控制内外压强保持一致，过饱和的水蒸汽冷凝成液态水，从溢流管流出，饱和的水蒸汽通过石英管进入反应炉中，与样品反应。 

只需调节恒温水浴锅的温度T₂即可控制气氛中水蒸汽的含量、压力。 

Claims (3)

1.一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置，其特征在于，包括由三口烧瓶(1)、铝质加热套(2)构成的水蒸汽预发生装置和由玻璃珠(5)、恒温水浴锅(6)、恒温水浴管(7)、构成的水蒸汽饱和发生装置；三口烧瓶(1)设在铝质加热套(2)内；恒温水浴管(7)设在恒温水浴锅(6)内，恒温水浴管下部与虹吸管(8)相连，恒温水浴管内部放满玻璃珠；石英管(4)连接水蒸汽预发生装置、水蒸汽饱和发生装置以及反应炉。

2.根据权利要求1所述的一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置，其特征在于石英管(4)外密排缠绕硅橡胶电热线(3)。

3.根据权利要求1所述的一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置，其特征在于通过控制恒温水浴锅的温度T₂来控制气氛中水蒸汽的含量；饱和水蒸汽压和温度之间的关系通过克拉佩龙-克劳修斯方程进行计算：

式中：p为水蒸汽压力(kPa)，T为温度(K)，Δ_相变H_m为气-液相摩尔焓差值(J/mol)，Δ_相变V_m为气-液相摩尔体积差值(L/mol)；或者查阅物理化学手册得到不同温度下水蒸汽的饱和蒸汽压；根据如下公式进一步得到饱和水蒸汽的含量：

$m=\left(\frac{p}{760}\right)\×\left(\frac{1000}{22.4}\right)\×\frac{273}{(273+T)}\×18---\left(2\right)$

式中：m为温度T下单位体积中饱和水蒸气的含量(g/m³)；p为饱和水蒸汽的压力(mmHg)；通过调节恒温水浴锅的温度T₂，得到不同温度下的饱和水蒸汽分压，从而根据公式(2)得到不同温度下水蒸汽的含量；恒温水浴锅的温度T₂需低于铝质加热套的加热温度T₁。

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