[实用新型]一种水蒸汽压可控的饱和水蒸汽发生装置

说明书

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，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。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)，厂为温度(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：