专利摘要
本发明公开了一种控制流量的水蒸气发生方法及装置，通过氢气与金属氧化物颗粒在高温条件下反应生成水蒸气，其中金属氧化物颗粒中的金属阳离子的氧化性强于氢离子。由于高温条件下氢气与金属氧化物颗粒的反应速率很快，且反应属于不可逆反应，氢气可被完全氧化，能连续产生浓度接近100％的高纯水蒸气；且水蒸气的流量完全受氢气的流量控制。由于氢气的流量控制精度很高，因此比起传统液态水发生水蒸气的发生方法，本发明对水蒸气流量的控制精度大大提高；另外，反应的氢气与生成的水蒸气的摩尔比为1:1，反应过程中没有气体体积流量变化，可确保水蒸气的压力稳定。因此本发明具有水蒸气输出压力和流量稳定、流量控制精度高的优点。
权利要求
1.一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。
2.如权利要求1所述的控制流量的水蒸气发生方法，其特征在于，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。
3.如权利要求1所述的控制流量的水蒸气发生方法，其特征在于，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。
4.如权利要求1所述的控制流量的水蒸气发生方法，其特征在于，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。
5.如权利要求1所述的控制流量的水蒸气发生方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述反应器被加热到不低于600℃的温度。
6.一种控制流量的水蒸气的发生装置，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。
7.如权利要求6所述的控制流量的水蒸气的发生装置，其特征在于，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。
8.如权利要求6所述的控制流量的水蒸气的发生装置，其特征在于，所述反应器为流化床反应器或者固定床反应器。
9.如权利要求6－8任意一项所述的控制流量的水蒸气的发生装置，其特征在于，所述氢气管道还能够预热所述氢气。
10.如权利要求8－9任意一项所述的控制流量的水蒸气的发生装置，其特征在于，所述流化床反应器或者固定床反应器内还配置有布风板，该布风板位于所述氢气管道的出口处；所述流化床反应器或者固定床反应器内还配置有气固分离板，该气固分离板位于所述水蒸气输出管道的入口处。
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。
作为本发明的进一步优选，所述氢气管道还能够预热所述氢气。
作为本发明的进一步优选，所述流化床反应器或者固定床反应器内还配置有布风板，该布风板位于所述氢气管道的出口处；所述流化床反应器或者固定床反应器内还配置有气固分离板，该气固分离板位于所述水蒸气输出管道的入口处。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要包括以下的技术优点：
1、水蒸气的流量控制精度高：由于通过调节氢气流量就可以调节水蒸气流量，使生成的水蒸气的流量控制实现简单、操作方便；而另一方面，由于气体质量流量计的精度很高，以测量精度在标准状态下为0.1mL/min的气体流量计为例，对应的水蒸气流量控制精度可达到4.464×10-6mol/min(在1.013×105Pa，100℃条件下约为0.137mL/min)。而以精度为0.1ml/min水泵控制的传统液态水发生水蒸气的发生方法为例，该方法生成的水蒸气流量控制精度为5.556×10-3mol/L(在1.013×105Pa，100℃条件下约为170mL/min)。可见，本发明所述方法对水蒸气流量的控制精度大大提高。
2、氢气的反应转化率高，水蒸气发生稳定、连续、纯度高：反应器可以是流化床或者固定床反应器，其中若采用固定床反应器，由于氢气与金属氧化物迅速发生氧化还原反应生成水蒸气，产生的水蒸气受氢气流量控制(即对应气体质量流量计的测量精度)的影响，流量控制精度高；若采用流化床反应器(即以氢气作为流化气体的原料，金属氧化物颗粒作为流化介质的原料)，能够使热量和原料氢气迅速传递，使氢气与金属氧化物更为迅速的发生氧化还原反应生成水蒸气，氢气完全反应所需的温度更低，反应的效果更好，氢气的反应转化率更完全；而产生的水蒸气依然受氢气流量控制的影响(对应气体质量流量计的测量精度)，流量控制精度高。
而另一方面，在加热反应器前(即在所述步骤1中)，反应器内放置的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，使每分钟通入到反应器内的氢气均能与金属氧化物颗粒充分反应，避免由于金属氧化物颗粒原料不足造成的氢气反应转化率低的问题，确保了输出的水蒸气的纯度。另外，反应器可被加热到不低于600℃的温度(即在所述步骤3中)，能使氢气与金属氧化物颗粒间的氧化还原反应更加迅速，氢气的反应转化率高，水蒸气的纯度也越好。
3、产生的水蒸气流量、压力稳定，并且可连续产生：由于反应的氢气与生成的水蒸气的摩尔比为1:1，反应过程中没有气体体积流量变化，可确保水蒸气的压力稳定，即本发明可以通过对氢气的流量调节来控制输出水蒸气的流量，具有水蒸气输出压力和流量稳定、精度高的优点；另外，由于本发明中的水蒸气发生方法能够方便的对原料(如氢气)进行补给，能够达到水蒸气连续发生的技术效果，可以实现连续微量水蒸气的稳定发生。
4、产生的水蒸气纯度高：由于使用氢气提供氢源作为生成水蒸气的原料，并使用金属氧化物(例如，氧化铜)颗粒提供氧源作为生成水蒸气的原料，通过氢气与金属氧化物颗粒在高温反应器中发生快速的氧化还原反应，产生水蒸气。由于金属氧化物颗粒中金属阳离子的氧化性要强于氢离子(以氧化铜颗粒为例，其中的金属阳离子为Cu2+，而Cu2+的氧化性要强于H+)，氢气与金属氧化物颗粒反应速率很快，且反应属于不可逆反应，氢气可被完全氧化，可连续产生浓度接近100％的高纯水蒸气。
附图说明
图1是本发明基于流化床反应器水蒸气发生装置的结构示意图；
图2是本发明基于固定床反应器水蒸气发生装置的结构示意图。
其中，1为氢气；2为气体质量流量计；3为加热炉；4为反应器；5为气体预热管道；6为布风板；7为氧化铜颗粒；8为反应室；9为进样管；10为气固分离板；11为水蒸气输出管道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
图1所示为本发明基于流化床反应器水蒸气发生装置的结构示意图，所述流化床反应器为微型流化床反应器，该流化床反应器的直径60mm、高度180mm，流化床反应器使用石英材料，确保流化床反应器本身不会与氢气和/或水蒸气发生反应。流化床反应器内的布风板6保证气体由下往上通过，而氧化铜颗粒7不会从反应室8漏出至预热管道5；氧化铜颗粒7床层的高度保证气体在床层的停留时间大于氢气完全反应所需时间；气固分离板10保证气体由下往上通过，而氧化铜颗粒7不会从反应室8逸出至水蒸气输出管道11。加热炉里面设有温度传感器，上述流化床反应器放置于该温度传感器附近，通过监测反应区温度信息，可通过加热炉的加热程序精确控制反应器内的温度。
采用上述装置生成0.001mol/min流量水蒸气的方法如下：首先在常温常压条件下将1000g、颗粒粒径范围为50-100μm的氧化铜颗粒通过进样管9加入直径60mm、高度180mm、石英材料的微型流化床的反应室中，并将进样管封闭。随后向流化床反应室中通过氢气使该反应室内的空气排尽。当流化床反应室内的空气被排尽后(如流化床反应器内的氢气的体积分数大于99.9％)，通过加热炉将微型流化床反应室加热至800℃，并保证水蒸气输出管道处的温度高于110℃。之后通过气体质量流量计控制氢气的流量为22.4ml/min(标准状态下，即在压强为1.013×105Pa、温度为0℃的状态下)。氢气经过预热管道预热(对氢气预热可以使反应氢气更快升温、达到与氧化铜反应的温度)再通过布风板均匀地进入微型流化床的反应室，并与反应室内的氧化铜颗粒发生剧烈的氧化还原反应，氢气被完全氧化生成0.001mol/min的水蒸气。最后气固分离板将流化态的固体颗粒和气态的水蒸气分离，0.001mol/min的纯水蒸气通过水蒸气输出管道输出。
所述气体质量流量计的测量精度在标准状态下等于0.1mL/min，则通入上述流化床反应器内的氢气的流量在标准状态下的精度也为0.1mL/min。
实施例2
图2所示为本发明基于固定床反应器水蒸气发生装置的结构示意图，所述固定床反应器为微型固定床反应器，该固定床反应器的直径60mm、高度180mm，固定床反应器使用石英材料，确保固定床反应器本身不会与氢气和/或水蒸气发生反应。固定床反应器内的布风板6保证气体由上往下通过；氧化铜颗粒7床层的高度保证气体在床层的停留时间大于氢气完全反应所需时间；气固分离板10保证气体由上往下通过，而氧化铜颗粒7不会从反应室8逸出至水蒸气输出管道11。
采用上述装置生成0.001mol/min流量水蒸气的方法如下：首先在常温常压条件下将1000g、颗粒粒径范围为50-100μm的氧化铜颗粒通过进样管9加入直径60mm、高度180mm、石英材料的微型固定床的反应室中，并将进样管封闭。随后向固定床反应室中通过氢气使该反应室内的空气排尽。当固定床反应室内的空气被排尽后(如固定床反应器内的氢气的体积分数大于99.9％)，通过加热炉将微型固定床反应室加热至800℃，并保证水蒸气输出管道处的温度高于110℃。之后通过气体质量流量计控制氢气的流量为22.4ml/min(标准状态下，即在压强为1.013×105Pa、温度为0℃的状态下)。氢气经过预热管道预热(对氢气预热可以使反应氢气更快升温、达到与氧化铜反应的温度)再通过布风板均匀地进入微型固定床的反应室，并与反应室内的氧化铜颗粒发生剧烈的氧化还原反应，氢气被完全氧化生成0.001mol/min的水蒸气。最后气固分离板将固体颗粒和气态的水蒸气分离，0.001mol/min的纯水蒸气通过水蒸气输出管道输出。
所述气体质量流量计的测量精度在标准状态下等于0.1mL/min，则通入上述固定床反应器内的氢气的流量在标准状态下的精度也为0.1mL/min。
上述实施例1和2可以实现0.001mol/min流量的水蒸气发生。反应过程中，为了保证氧化铜一直处于过量状态，使反应器输出的水蒸气的纯度高于99％，反应室中的氧化铜颗粒质量不小于其每分钟消耗量的500倍，其具体的质量要根据水蒸气发生所要求的具体连续时间来决定。以实施例1为例，在该水蒸气发生条件下，每分钟消耗的氧化铜为0.08g，确保氧化铜处于大过量状态的条件为反应室内的氧化铜颗粒质量不低于40g，即一次加载1000g氧化铜颗粒可以满足在接近200小时内实现0.001mol/min水蒸气的连续稳定发生。
氢气与金属氧化物发生氧化还原反应生成流量受控制的水蒸气是在反应器温度保持恒定下进行的。实施例1和2中，反应器中氧化铜与氢气发生氧化还原反应的温度为800℃，这主要是出于加快氧化还原反应速率的目的。常压条件下，氧化铜与氢气反应生成水蒸气的温度约为250℃，因此，只要反应器的温度不低于250℃就能生成水蒸气。
关于氧化铜与氢气氧化还原反应的速率，有文献研究了氢气还原氧化铜的反应动力学参数，得出的该反应氢气转化率随时间变化的计算公式如下：
根据上述公式，氢气转化率达到99％所需要的反应时间受温度的影响，500℃条件下需要5.15s，600℃条件下需要1.79s，700℃条件下需要0.77s，800℃条件下需要0.39s。因此，为了进一步提高水蒸气发生的效果，保证完全反应，反应温度可以为500℃以上、或者600℃以上，温度越高反应越彻底。
另一方面，反应器中氧化铜的高度(与反应器中氧化铜的量相对应)越高，反应刚开始发生时，氢气也越易充分反应。氢气通过氧化铜层的时间可通过下面的公式估算：t＝h/(q/S)，其中h为氧化铜层的高度，q为氢气流量，S为流化床或固定床反应区横截面积。实施例1和2中的氧化铜的高度约为60mm，标准状态下22.4ml/min的氢气在1.013×105Pa、800℃条件下通过氧化铜颗粒层的时间约为116s，大大高于800℃下氢气转化率达到99％所需的时间，可见，实施例1和2中的氢气与氧化铜往往能充分反应。为保证氢气的充分反应，一方面要确保另一反应原料氧化铜的含量(不考虑其高度)，另一方面也要使氢气充分反应所需的反应时间小于氢气与氧化铜在反应器内接触的时间。氢气充分反应所需的反应时间越小，越有利于反应的充分进行；而反应温度是氢化的反应转化率(即氢气能否充分反应)的关键因素，反应的温度越高，氢气充分反应所需的反应时间越少，氢气的反应充分就越容易。
实施例1和2中的氧化铜颗粒还可以用其他金属氧化物颗粒替代，这些金属氧化物颗粒中的金属阳离子的氧化性强于氢离子，如三氧化二铁(在温度高于510℃时其Fe3+的氧化性强于H+)等，而由于各个金属氧化物与氢气发生氧化还原反应生成水蒸气所需的温度不同，因此，要根据情况调整反应器的温度。往往反应器的温度越高，氢气的反应转化率也越高，反应越充分。一般当反应器的温度不低于800℃时，氢气的反应转化率能够达到使用需求。
本发明中输出水蒸气的流量可以通过调整输入氢气的流量进行控制，根据水蒸气流量的需求，通过气体质量流量计控制氢气的质量流量(每1mol/min的水蒸气需求1mol/min的氢气)。另外，若反应器采用流化床反应器，则进入反应室的氢气不仅可以与氧化铜颗粒发生强烈的氧化还原反应生成连续的水蒸气，而且还可以实现对氧化铜颗粒的流化，强化气体与固体颗粒表面的传热、传质及化学反应过程，使氧化还原反应更易充分发生。
由于实施例1和2中的氧化铜颗粒相对氢气来说是大过量的(每1g的氧化铜可氧化280ml的氢气)，微型流化床或固定床反应器可实现对氧化铜对氢气的完全氧化，在一定范围时间内实现连续微量水蒸气的稳定发生。连续生成的微量水蒸气与固体颗粒在气固分离板10的作用下实现气固分离，水蒸气稳定输出至水蒸气输出管道，实现连续微量水蒸气的稳定发生。
通过采用本发明中的水蒸气发生方法，氢气与氧化铜颗粒反应速率很快，且反应属于不可逆反应，氢气可被完全氧化，可连续产生浓度接近100％的高纯水蒸气。氢气与氧化铜反应生成水蒸气的过程中前后状态没有压力变化，且整个反应阶段不涉及相变过程，可保证水蒸气的压力和流量稳定。
另外，本发明的水蒸气流量可更加精确的进行控制。以测量精度在标准状态下为0.1mL/min的气体流量计为例，对应的水蒸气流量控制精度可达到4.464×10-6mol/min(在1.013×105Pa，100℃条件下约为0.137mL/min)。而以精度为0.1ml/min水泵控制的传统液态水发生水蒸气的发生方法为例，该方法生成的水蒸气流量控制精度为5.556×10-3mol/L(在1.013×105Pa，100℃条件下约为170mL/min)。可见，本发明中的水蒸气发生方法及装置能大大提高控制水蒸气流量的精度。
水蒸气输出管道的温度要不低于水蒸气的饱和温度，水蒸气的饱和温度是气液临界温度，在大气压环境下(即常压下)，水蒸气的饱和温度是100℃。实施例1中水蒸气输出管道的温度为110℃，这一温度还可以设置为不低于100℃。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
一种控制流量的水蒸气发生方法及装置专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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