CN112169723A

CN112169723A - 一种制备高温高压气体的方法及应用

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Publication number: CN112169723A
Application number: CN202010916579.1A
Authority: CN
Inventors: 程迪; 张振; 洪亮; 谷齐; 宫建
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2040-09-03
Also published as: CN112169723B

Abstract

本发明提供了一种制备高温高压气体的方法及应用，该方法包括：将高压一氧化二氮和高压稀释气进行掺混形成高压预混气，再催化其中的一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合；或者先催化高压一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，再掺混高压稀释气，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体。本发明中方法可以实现长时间连续工作，且制备得到的高温高压气体中组分不含有水、二氧化碳等污染组分，建设成本和运行使用成本低，可进一步满足高超声速地面试验设备的用气需求。

Description

一种制备高温高压气体的方法及应用

技术领域

本发明属于高温高压气体制备技术领域，特别涉及一种制备高温高压气体的方法及应用。

背景技术

高速空气动力学地面试验需要使用高温高压气体，目前气体的产生方法主要有四种：

蓄热：采用蓄热材料对空气进行加热，但最高总温受限于材料，试验时间受限于蓄热体体积，且建设、维护和使用费较高，经济性不足，由于蓄热准备时间长，其试验间隔较长；

激波/活塞压缩：利用激波或者活塞对气体进行绝热压缩，可实现高总温，但可用时间较短，对测试设备有一定要求，且进行推进试验较为困难，对于大型设备来说充气准备时间偏长；

电弧加热：采用电极放电加热空气，由于在高压强下空气难以被击穿，因此可用压力偏低，且电极烧蚀产物及局部高温会产生污染，用于气动力试验方面的能力尚待进一步确认；

燃烧加热：利用燃料与空气反应生成高温高压气体，启动快，可实现长时间试验，补充氧气后也可以进行推进试验，经济性与可用性较好，但污染气体效应难以评估，对于高马赫数工况的试验数据天地换算困难。

上述方法各有优缺点，但是目前还没有利用化学能的产生高温高压气体用于空气动力学地面试验如风洞试验的技术。

发明内容

针对现有技术中存在的无法同时实现高温高压纯净气体制备、供气长时间和低成本的问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一种采用一氧化二氮(N₂O)催化分解并掺混氮气(N₂)或者氮气与空气的组合以产生高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体的方法，该方法一方面可以实现长时间连续工作，另一方面组分不含有水、二氧化碳等污染组分，而且建设成本和运行使用成本低，可进一步满足高超声速地面试验设备的用气需求，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

第一方面，一种制备高温高压气体的方法，包括：将高压一氧化二氮和高压稀释气进行掺混形成高压预混气，再催化其中的一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合；

或者，先催化高压一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，再掺混高压稀释气，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合。

第二方面，上述第一方面所述的一种制备高温高压气体的方法在制备高超声速空气动力学地面试验所需的高温高压气体方面的应用。

根据本发明提供的制备高温高压气体的方法及应用，具有以下有益效果：

(1)本发明中方法，由于一氧化二氮不含有除氧、氮之外的元素，不会像燃烧加热一样产生水、二氧化碳等非空气组分(这些组分在风洞试验中被认为是污染物)，制备得到的高温高压气体纯净，更接近飞行器在高空大气层中飞行时穿过的空气组分；

(2)本发明中方法，由于一氧化二氮是硝酸工业的副产品，所以价格低廉，并且低毒可常温长期储存，材料相容性好，便于处理和运输，可以实现低成本；

(3)本发明中方法，高温高压气体制备过程中掺杂特定比例的氮气、或氮气与空气的组合，可在不引入非空气组分的条件下，降低和调节产生的气体温度，避免催化剂损坏，避免中间过程产生高温富氧空气，且通过在常温条件下的预先充分掺混可提高生成的气体的空间均匀性；

(4)本发明中方法，采用流动反应器，一氧化二氮可以为地面试验装置长时间地提供高温高压气体，其工作时间主要受储罐大小限制。

附图说明

图1示出实施例1中用于制备高温高压气体的系统；

图2示出实施例2中用于制备高温高压气体的系统；

图3示出实施例3中用于制备高温高压气体的系统；

图4示出实施例4中用于制备高温高压气体的系统。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

根据本发明的第一方面，提供了一种制备高温高压气体的方法，该方法包括：将高压一氧化二氮和高压稀释气进行掺混形成高压预混气，再催化其中的一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合；制备得到的高温高压气体的温度可以达到1400K；压力可以达到50MPa。

本发明方法的核心原理如化学反应方程式(1)所示：

a N₂O+b N₂+c(0.79N₂+0.21O₂)→z(0.79N₂+0.21O₂)+82*akJ/mol (1)

其中b＝0.881*a，c＝1.0-1.881*a,z＝0.500*a+1.0，其中参数a可以决定完全反应产物的温度，a的取值范围为0<a≤0.5316，a越大，完全反应产物温度越高。

一氧化二氮分子由一个氧原子和两个氮原子组成，其分解是释热反应，可产生82kJ/mol的热量，完全分解时并产生摩尔分数33.3％的高温(1900K左右)富氧空气，在掺入上述固定比例(a:b:c)的氮气和空气(按0.79N₂+0.21O₂计算)并完全分解之后，可以得到与空气主要组分和浓度一致的组分比例(0.79N₂+0.21O₂)的气体。

当一氧化二氮为常温(300K)气态时，一方面，在掺入常温(300K)氮气时，绝热条件下定压反应可生成1370K的气体，达到平流层马赫数5的飞行条件对应的总温。通过掺入经过加热的高温氮气，可以进一步提高总温，模拟更高的飞行马赫数。由于氮气具有化学惰性，其配套的加热器在没有氧气的情况下可以采用更广泛的材料制作，并可以工作到更高的温度范围。另一方面，通过掺混常温空气可以实现较低的温度范围，模拟较低的飞行马赫数。也就是说，本发明中方法可在不引入非空气组分的条件下，能够可控地调节产生的气体温度。

在本发明一种优选实施方式中，高压一氧化二氮与高压稀释气分别存储在不同的容器中，制备高温高压气体前通过管路汇聚实现掺混；或者高压一氧化二氮与任意高压稀释气存储在同一容器中，制备高温高压气体前即完成掺混。上述两种气体管理方式，均可实现所需的先掺混一氧化二氮和稀释气，再进行反应，可以在催化分解前实现非常均匀的掺混，并且反应器内的氧气含量浓度不超过空气浓度(21％)，一直处于贫氧状态，反应温度也较低，可减少热损失、延长反应器寿命并简化设备实现方式。

在本发明一种优选实施方式中，所述高压一氧化二氮与高压稀释气分别存储在不同的容器中时，高压一氧化二氮在掺混前的压力为1～50MPa，各高压稀释气在掺混前的压力为1～50MPa。高压一氧化二氮和各高压稀释气的压力对最终制得的气体的压力至关重要，共同决定了最终制得的气体的压力的上限。

优选地，各高压稀释气的温度在掺混前可预先加热至15～120℃，优选60～120℃。高压稀释气的温度与稀释之后的预混气温度相关，在上述范围内，一氧化二氮可保持稳定不发生自发分解，并且一氧化二氮可在任意压力下不液化(特别是在60～120℃)，并可提高最终产物气体温度，减弱对催化剂的预热要求。

在本发明一种优选实施方式中，催化分解一氧化二氮的启动温度为300～650℃。优选地，通过将催化剂预热至300～650℃，催化一氧化二氮使其分解为氧气和氮气。

在本发明一种优选实施方式中，高温高压气体的制备在反应器中进行，反应器为流动式反应器，反应器包括催化反应加热室和驻室，高压一氧化二氮和高压稀释气在到达催化反应加热室前掺混，高压一氧化二氮在催化反应加热室内催化分解，产生的高温高压气体由催化反应加热室进入驻室以稳定气体流速，再由驻室(优选与驻室连接的缩放喷管)排出反应器。

在本发明一种优选实施方式中，在绝热条件下催化一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，可减少热量损失，为此，在反应器壳体上包覆绝热层，如玻璃纤维或陶瓷纤维隔热层。

在本发明中，该制备高温高压气体的方法，还可以通过以下方式进行：先催化高压一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，再掺混高压稀释气，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合。

其中，高压一氧化二氮和高压稀释气的用量、温度和压力与上文中一氧化二氮先掺混稀高压释气再催化分解方法中所述一致。此时，反应器包括催化反应加热室和混合驻室，高压一氧化二氮在催化反应加热室内催化分解，产生的高温高压气体由催化反应加热室进入混合驻室，在混合驻室与高压稀释气掺混，再由混合驻室排出反应器。

本发明中，先让一氧化二氮分解，再进行掺混，这种方式可以在催化反应器内实现较高的一氧化二氮浓度，进而实现较高的反应温度和反应速率，缩小反应器尺寸，提高功率体积比。

根据本发明的第二方面，提供了上述第一方面所述的一种制备高温高压气体的方法在制备高超声速空气动力学地面试验所需的高温高压气体方面的应用。

实施例

实施例1

图1示出采用一氧化二氮催化分解产生高温高压气体用于空气动力学试验的系统，其主要组成如下图1中所示，包括混合氮气支路、清洗氮气支路、一氧化二氮支路、混合器、催化反应加热室和驻室；氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；清洗氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀和单向阀；一氧化二氮支路包括一氧化二氮储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀。清洗氮气支路与一氧化二氮支路在一氧化二氮支路的截止阀后汇聚，三支路在催化反应加热室前的混合器汇聚。

试验开始前所有阀门关闭。

试验开始时，设定高压混合氮气(15℃、3MPa)和高压一氧化二氮(15℃、3MPa)的流量控制器的流量比例为摩尔比1:0.88，以及将目标流量设置为满足试验需求的流量，打开混合氮气和一氧化二氮的截止阀，让一氧化二氮和混合氮气以各自通过截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀后进行混合，然后一起进入催化反应加热室，催化反应加热室中放置预先加热至420℃的催化剂(金属铑基催化剂)，其中的一氧化二氮被催化分解，释放的热量将混合气加热至1360K的温度，经过驻室后接缩放喷管可用于高速空气动力学地面试验。

试验结束后，先关闭一氧化二氮的截止阀，然后打开清洗氮气的截止阀，冲洗一段时间后关闭所有截止阀。

实施例2

图2示出采用一氧化二氮与氮气预混气经过催化分解产生高温高压气体用于空气动力学试验的系统，其主要组成如图2所示，包括一氧化二氮和氮气预混气支路、清洗氮气支路、催化反应加热室和驻室；一氧化二氮和氮气预混气支路包括一氧化二氮和氮气预混气储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；清洗氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀和单向阀。清洗氮气支路与一氧化二氮和氮气预混气支路在一氧化二氮和氮气预混气支路的截止阀后汇聚。

一氧化二氮与氮气预混气的比例为摩尔比约1:0.88，按比例订购。

试验开始前所有阀门关闭。

试验开始时，设定预混气的流量控制器的流量设置，打开截止阀，让混合气(15℃、5MPa)通过截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀后进入催化反应加热室，催化反应加热室中放置预先加热至420℃的金属铑基催化剂，其中的一氧化二氮被催化分解，释放的热量将混合气加热至约1360K的温度，经过驻室后接喷管用于高速空气动力学地面试验。

试验结束后，先关闭预混气的截止阀，然后打开清洗氮气的截止阀，冲洗一段时间后关闭所有截止阀。

实施例3

图3示出采用一氧化二氮、氮气与空气掺混后经过催化分解产生高温高压气体用于空气动力学试验的系统，其主要组成如图3所示，包括一氧化二氮支路、氮气支路、空气支路、清洗氮气支路、混合器、催化反应加热室和驻室；一氧化二氮支路包括一氧化二氮储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；空气支路包括空气储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；清洗氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀和单向阀。清洗氮气支路与一氧化二氮支路在一氧化二氮支路的截止阀后汇聚。一氧化二氮支路、氮气支路和空气支路在混合器汇聚，然后接催化反应加热室和驻室；

试验开始前所有阀门关闭。

试验开始时，按化学反应方程式(1)和参数b＝0.881*a,c＝1.0-1.881*a,z＝0.500*a+1.0计算参数配比，其中参数a可以决定完全反应产物的温度，a的取值范围为0<a≤0.5316，a越大，完全反应产物温度越高。

或参考下表1进行配比：

表1

如装置流量为1kg/s，需要产生约1300K的高温高压空气，参考工况9，按初始质量分数计算，需要一氧化二氮601g/s，氮气337g/s，空气61g/s。

根据计算得到的流量，设定一氧化二氮、氮气和空气的流量控制器的流量，打开一氧化二氮、空气、氮气的截止阀，让一氧化二氮、空气和氮气(15℃、3MPa)通过截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀后进入混合器，然后进入催化反应加热室，催化反应加热室中放置预先加热至420℃的铑基催化剂，其中的一氧化二氮被催化分解，释放的热量将混合气加热至目标温度，经过驻室后接喷管用于高速空气动力学地面试验。

试验结束后，依次关闭一氧化二氮、空气、氮气的截止阀，然后打开清洗氮气的截止阀，冲洗一段时间后关闭所有截止阀。

实施例4

图4示出采用一氧化二氮先经过催化分解后与氮气掺混产生高温高压气体用于空气动力学试验的系统，其主要组成如图4所示，包括一氧化二氮支路、氮气支路、清洗氮气支路、催化反应加热室和混合驻室；一氧化二氮支路包括一氧化二氮储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀；清洗氮气支路包括氮气储瓶、截止阀、减压阀和单向阀。清洗氮气支路与一氧化二氮支路在一氧化二氮支路的截止阀后汇聚。氮气支路直接接入混合驻室，然后接催化反应加热室和混合驻室；

试验开始前所有阀门关闭。

试验开始时，设定一氧化二氮和氮气的流量控制器的流量，使流量比例为摩尔比1:0.88，打开截止阀，让一氧化二氮(15℃、3MPa)通过截止阀、减压阀、流量控制器和单向阀后进入催化反应加热室，催化反应加热室中放置预先加热至420℃的铑基催化剂，其中的一氧化二氮被催化分解，释放的热量将一氧化二氮反应产物(含约67％的N2和约33％的氧气)加热至约1900K的温度，在混合驻室与接入的氮气(15℃，3MPa)混合均匀后，通过后接喷管用于高速空气动力学地面试验。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种制备高温高压气体的方法，其特征在于，包括：将高压一氧化二氮和高压稀释气进行掺混形成高压预混气，再催化其中的一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一氧化二氮：氮气：空气的摩尔比为a:0.881*a:(1.0～1.881*a)，其中a的取值范围为0<a≤0.5316。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压一氧化二氮与高压稀释气分别存储在不同的容器中，制备高温高压气体前通过管路汇聚实现掺混；或者，所述高压一氧化二氮与高压稀释气存储在同一容器中，制备高温高压气体前即完成掺混。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高压一氧化二氮与高压稀释气分别存储在不同的容器中时，高压一氧化二氮在掺混前的压力为1～50MPa，各高压稀释气在掺混前的压力为1～50MPa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，催化分解一氧化二氮的启动温度为300～650℃；优选地，通过将催化剂预热至300～650℃，催化一氧化二氮使其分解为氧气和氮气。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还可以先催化高压一氧化二氮使其分解为氧气和氮气，并产生热量，再掺混高压稀释气，得到高温高压的与空气主要组分和浓度相同的气体，其中，稀释气选自氮气、或氮气与空气的组合。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高温高压气体的制备在反应器中进行，反应器为流动式反应器；

采用高压一氧化二氮先掺混高压稀释气再分解方式时，反应器包括催化反应加热室和驻室，高压一氧化二氮和高压稀释气在到达催化反应加热室前掺混，高压一氧化二氮在催化反应加热室内催化分解，产生的高温高压气体由催化反应加热室进入驻室，再由驻室排出反应器；和/或

采用高压一氧化二氮先分解再掺混高压稀释气方式时，反应器包括催化反应加热室和混合驻室，高压一氧化二氮在催化反应加热室内催化分解，产生的高温高压气体由催化反应加热室进入混合驻室，在混合驻室与高压稀释气掺混，再由混合驻室排出反应器。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，反应器壳体上包覆绝热层。

9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，制备得到的高温高压气体的温度可以达到1400K；压力可以达到50MPa。

10.权利要求1至8之一所述的制备高温高压气体的方法在制备高超声速空气动力学地面试验所需的高温高压气体方面的应用。