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蒸氣流量控制

日常生活中,我們周圍充滿了水蒸氣。在我們的日常生活中,我們周圍都充滿了水蒸氣。 我們吸入它,并且透過視覺或觸覺感覺到它的存在。 另一個深刻的例子是我們家中空氣中的水蒸氣。 如果空氣遇到較冷的表面(例如窗戶),則會很明顯。 所含的水蒸氣可能會凝結在窗玻璃上,並成為可見且可觸摸的液體。

同樣在工業和實驗室製程中,蒸氣也確實發揮有用的作用。 是時候解釋一下:什麼是蒸氣,它們在哪裡使用,以及如何以受控方式將它們輸送到這些製程?

 

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什麽是蒸氣?

蒸氣與氣體非常相似,氣體是物質的基本狀態,就像固體和液體一樣。 氣體和蒸氣由作為自由粒子移動的單獨分子組成。 然而,氣體和蒸氣之間存在本質差異。 如果一種化合物在室溫(約 20 °C)和常壓(1 大氣壓)下為液體,那麼我們將該化合物的「汽態」形式稱為蒸氣。 這就是為什麼我們將「汽態」形式的水稱為蒸氣,而汽態形式的氧氣則稱為氣體,因為氧氣在常溫常壓下仍然是氣體。

如何產生蒸氣?

當升高溫度或降低壓力時,液體會蒸發並轉化為蒸氣。 在分子層面上,在液體表面的任何溫度下,總是有分子以足夠的速度離開液體。 因此,在液體上方總是存在著同一種液體的蒸氣。 蒸發發生在任何溫度下,而不僅僅是在液體的沸騰溫度下。 這個沸騰溫度只是一個定義:它是液體的蒸氣壓等於環境壓力的點。

利用溫度和壓力是控制蒸氣壓以及因此控制蒸氣量或(在動態情況下)蒸氣流量的兩種方法。 控制蒸氣壓(實際上是降低蒸氣壓)的第三種方法是稀釋蒸氣,例如在蒸氣中添加惰性氣體(例如氮氣)。

爲什麽要使用蒸氣?

在某些情況下,您可能希望以受控方式將蒸氣添加到製程中。 例如,燃料電池 - PEMFC - 其電解質需要處於水合狀態(濕潤)以保持高電導率,從而保持最佳性能。閲讀我們的應用故事。 或者,您可能希望為濕度感測器的校準和認證提供準確的水蒸氣濃度,以便這些設備顯示正確的濕度值。

另一種類型的蒸氣輸送是將金屬有機蒸汽受控供應至反應器。 這些蒸汽化合物可作為化學氣相沉積反應中的前驅物,以在物體上沉積薄層,例如沉積半導體薄膜。 這裡需要精確的蒸氣供應,以精確控制薄膜生長 - 即使在複雜形狀的物體上 - 並避免溢出昂貴的金屬有機前驅物。

使用bubbler的傳統蒸氣流量控制

將蒸氣輸送到客戶製程的傳統方法是使用bubbler系統。 在這裡,氣流氣泡通過充滿液體化合物的加熱容器。 此carrier gas完全或部分被化合物蒸氣飽和,且該蒸氣流進一步由carrier gas引導至客戶的製程。 儘管這是一個非常簡單且用途廣泛的設置,但也存在一些缺點。 製程條件的微小變化可能會導致蒸汽流量發生較大變化,使其成為相對不準確且長期穩定性較差的輸送技術。 由於蒸汽壓在很大程度上取決於容器溫度,溫度的微小變化就會導致蒸汽壓和蒸汽流量的較大偏差。 此外,總壓力和載氣流量需要穩定才能提供穩定的蒸汽流。 此蒸汽流解決方案強烈依賴溫度和壓力。

Vapor process
Carrier gas through the liquid
Vapor flow solution
Vapor flow solution

通過受控蒸發和混合改進蒸氣流解決方案

克服上述障礙的一種方法是使用 CEM(Controlled Evaporation Mixing)系統進行蒸汽輸送。 在此蒸汽系統中,氣體質量流量控制器(例如 EL-FLOW Select )提供精確控制的載氣流量,而液體流量計(例如mini CORI-FLOW 或 LIQUI-FLOW)則測量待蒸發液體的流量,例如來自於室溫加壓液體容器中抽取。

液體控制閥也可用作三通執行器,其任務是將微小液滴與載氣混合。

隨後,混合控制閥允許將液流的微小液滴注入載氣流中,載氣流進入加熱的溫控混合和蒸發室,液體在其中完全立刻蒸發,並產生均匀蒸汽/氣體混合物。

完整的 CEM 系統可以透過外部讀取/控制單元(包括電源)或使用 Bronkhorst Flowsuite 等 Bronkhorst 軟體來監控 CEM 系統組件的操作。CEM 系統是一種簡單的蒸汽輸送模組,在許多方面都優於bubbler。 這個過程與壓力和溫度無關,因為氣體和液體流量是使用質量流量控制器控制的,由於質量流量儀器的精度和可重複性,確保了摩爾比的精確控制。 這種精確的質量流量控制使蒸發器的蒸汽輸出具有顯著的穩定性。將液體流直接注入載氣流中可以使液體分子更好地分散在氣體中,並顯著縮短反應時間。

蒸發室設計有內部幾何形狀,可產生湍流,進而增強氣液混合物的均勻性。 此外,它還可以加熱引入氣流中的細小液滴,促進其蒸發。

使用線上 Fluidat on the Net 應用程式可以輕鬆確定液體的質量流量。此外,還可以計算相對濕度(%RH)和摩爾濃度,從而方便Bronkhorst的CEM蒸發系統的利用。

對於蒸氣流應用:避免冷凝

透過增加壓力或降低溫度,蒸氣可以相對容易地轉回液體,而一般乾燥氣體不太會。 使用蒸汽的一項重大挑戰是防止冷凝,因為它可能會產生液滴,從而擾亂或損害正在進行的製程。

因此,在不改變系統壓力的情況下,保持 CEM 外部的溫度始終高於 CEM 內部的溫度且高於露點溫度。 或者,在不改變溫度的情況下,保持 CEM 外部的壓力始終低於 CEM 內部的壓力。

蒸氣流應用範例

使用 CEM 系統進行蒸汽輸送通常發生在表面處理、食品和飲料行業、製藥應用、材料研究和測試以及環境研究等應用。

  • 例如,CEM 系統用於無菌包裝的滅菌過程。 閱讀客戶故事
  • 此外,CEM還用於為汽車行業的燃料電池測試台提供模擬控制環境相對濕度。 了解有關此應用的更多資訊。

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