CN110550678A - 在超纯蒸汽生产中除去痕量杂质的方法 - Google Patents

Abstract

一种从具有痕量杂质的纯化水中产生没有痕量杂质的超纯蒸汽的方法，包括：将具有痕量杂质的纯化水导入蒸汽发生器的腔室的进水套管中，腔室包括由熔融石英制成的腔室外壁和腔室内壁以及将腔室分隔成下腔室区和上腔室区的加热多孔熔融石英件。将多孔熔融石英件加热至蒸汽形成温度并且将从下腔室导引通过熔融石英件的含杂质的纯化水转化成具有减少的痕量杂质的蒸汽。从上腔室将蒸汽递送至蒸汽饱和壳体。

Description

在超纯蒸汽生产中除去痕量杂质的方法

技术领域

本发明涉及蒸汽发生，并且尤其涉及在超纯蒸汽生产中除去痕量杂质的方法。

背景技术

在由Jonathan L.Stone转让给大学研究玻璃器皿公司(University ResearchGlassware Corporation)的美国专利号9,631,807中公开了一种用于生产超纯蒸汽的蒸汽发生器。其描述了由对水和蒸汽惰性的玻璃材料制成的烧结玻璃，例如烧结硼硅酸盐(有时以派莱克斯Pyrex商标出售)，用于在腔室中的烧结耐火玻璃板的相对两侧上将注入的纯水转化成纯蒸汽。烧结玻璃件或板将形成在腔室内的增压室分成下腔室区和上腔室区。喷嘴将纯化水供给至烧结玻璃件，该烧结玻璃件通过包围腔室外侧上的玻璃件的电加热线圈来加热。公开了纯化水通过烧结玻璃板中的间隙向上迁移，由于玻璃件的温度升高而蒸发。蒸发水移入上腔室区，蒸发水在该上腔室区处被导引至腔室的、连接至饱和壳体的蒸汽排出套管。增压空气在蒸汽排出套管中形成朝向饱和壳体的蒸汽递送口的超纯蒸汽射流。所有接触水和蒸汽的部件都由高温玻璃制成，基本上是化学惰性材料，使纯水通过喷水嘴输入而产生没有颗粒和杂质的纯蒸汽。

然而，′807专利的蒸汽发生器擅于生产蒸汽，但问题是所产生的蒸汽并非如所需的或所期望那样是超纯的，至少在纯化水和产生的蒸汽中发现痕量钠和钾杂质。

需要一种在超纯蒸汽生产中除去痕量杂质的方法和装置，以供科学或医学实验室应用。

发明内容

本发明是一种用于在超纯蒸汽生产中除去痕量杂质的方法。本发明的方法采用特定构造，而非美国专利号9,631,807蒸汽发生器的蒸汽室的预先设想的构造。

在本发明的方法中，纯化水或去离子水被注入蒸汽发生器腔室中，该蒸汽发生器具有采用熔融石英的特殊构造。本发明的方法中所用的腔室包括将形成在腔室中的增压室分成下腔室区和上腔室区的烧结熔融石英件或板。此外，腔室还包括由熔融石英制成的用于接触纯化水和蒸汽的内壁和由熔融石英制成的靠近电加热线圈或镍铬线的外壁。在本发明的方法中，喷嘴将纯化水供给到具有用于生产超纯蒸汽的烧结熔融石英件的熔融石英腔室中，纯化水通常具有包含钠和钾的痕量杂质。在该方法中，烧结熔融石英件通过围绕腔室外侧上的熔融石英件的电加热线圈来加热。纯化水经由烧结熔融石英板中的空隙向上移动，由于熔融石英件的升高温度而蒸发。此时，具有减少的或除去的痕量杂质的蒸发水进入上腔室区，蒸发水在该上腔室区处被导引至连接至饱和壳体的腔室的蒸汽排出套管。饱和壳体具有吹进壳体经过蒸汽排出套管的增压空气，在蒸汽排出套管处通过冷凝蒸汽使气体变得饱和并且防止在壁表面上冷凝。加压空气形成朝向饱和壳体的蒸汽递送口的蒸汽射流。产生的蒸汽射流包含具有降低的或完全除去的包含钠和钾的痕量杂质的超纯蒸汽。腔室的纯化水中钠和钾的痕量杂质量和腔室所产生的蒸汽中的钠和钾的痕量量杂质都小于注入的纯化水中发现的钠和钾的痕量杂质量。

本发明的惊奇发现是使用与内部和外部熔融石英腔室联接的烧结熔融石英板可将注入的具有痕量杂质的纯水在烧结熔融石英板的相对两侧转换成去杂质的水和超纯去杂质的蒸汽。该发现显示出相比于现有技术的腔室水和产生的超纯产生蒸汽而言，采用本发明的方法在超纯蒸汽和腔室水中存在较小数量级的钠和钾杂质。现有技术蒸汽发生器使用任意构造的高温和不含杂质的玻璃材料，例如硼硅酸盐。相反地，没人发现在具有硼硅酸盐内壁的腔室内的烧结熔融石英板可减少钠和钾杂质。烧结熔融石英板和熔融石英室内、外壁的组合公开在本发明的方法中。

先前预期所公开的用于制造烧结玻璃板和内腔室的所有高温、水和蒸汽惰性的玻璃材料对于生产的超纯蒸汽而言将产生相同或相似的痕量杂质结果。但是，事实并非如此。尽管先前公开的玻璃材料是由被认作是水和蒸汽惰性材料例如硼硅酸盐制成，并且供给进烧结硼硅酸盐玻璃件的水被纯化，但是纯化水和产生的蒸汽不利地包含痕量钠和钾。

附图说明

图1是用于本发明方法中的具有特定蒸汽腔室构造的蒸汽发生器的主视图。

具体实施方式

一种去除去离子水或纯化水以及由去离子水产生的超纯蒸汽中的痕量杂质(即钠和钾)的方法，包括将通常具有痕量杂质(包含钠和钾)的纯化水注入图1的蒸汽发生器11的特定构造的蒸汽室中。蒸汽发生器11的蒸汽室的构造包括熔融石英外壁19、熔融石英内壁21和与腔室中的水和蒸汽相接合的烧结熔融石英板/件23。熔融石英壁和烧结熔融石英件的组合是独特的，因为与现有公开的蒸汽室构造、材料和材料组合相比更不可能将杂质引入正在产生的蒸汽中，并且实际上除去或减少了注入的去离子水或纯化水中发现的痕量钠和钾杂质。

参照图1，蒸汽发生器11具有由熔融石英制成的水和蒸汽接触部件。可见，熔融石英蒸汽室11被看作圆柱形，其具有对称轴和位于下端的轴向进水套管13以及位于上端的轴向蒸汽排出套管15。可使用1.5毫米壁厚的熔融石英。每根套管可成形为鲁尔连接件，即具有轻微锥度以通过压紧配合容纳管。腔室具有圆柱形熔融石英外室壁19和圆柱形熔融石英内室壁21。

腔室11的中央部分是增压室17，该增压室由烧结熔融石英板件23分成下腔室区25和上腔室区27。烧结熔融石英板件23是盘形或板形，其被模制成横跨腔室11的内圆周，除了如下所述之外阻挡从下腔室区到上腔室区的流体连通。熔融石英件23并非熔接至腔室而是楔入腔室内壁止动件之间以得到机械支撑。该构件具有源***结工艺的固有的微孔和足够的孔密度以允许水蒸气通过熔融石英件23从朝向下腔室的一侧向上连通至朝向上腔室的一侧。孔隙在170至200微米之间。熔融石英熔块具有大量表面区域以允许其保留更多热并作为吸热器工作。

电加热线圈29在烧结熔融石英件23附近围绕腔室外壁19，其靠近熔融石英件的圆周边缘并且具有紧密的传热关系。加热线圈由镍铬线的螺旋线圈制成，类似于电烤箱中的导线。具有高电阻的该导线具有间隔开的线圈，并且在DC电流(直流电)通过时红热发光，以及通过导热和热辐射至附近的烧结熔融石英件23而将不变的热传递给熔块。热从加热器线圈径向向内地流向熔融石英件的中心。注入烧结熔融石英件的孔中的水趋于蒸发并且通过熔融石英件的间隙与上腔室区27连通。蒸发的水中钠和钾痕量杂质的量明显减小。经由加热器线圈输入的能量约为2400焦耳/毫升水。导线可以在熔融石英熔块23的区域周围更紧地盘绕以确保供应足够的热来充分地加热熔块。

在一个示例中，熔融石英管遍及地安装在镍铬导线上。管的内径略大于导线缠绕的熔融石英室的外径。这导致在加热导线和管之间存在小空隙，防止导线接触管36。少量空隙防止来自导线的热传导至陶瓷套管而非腔室。在没有管的情况下热更可能传导至陶瓷套管，其中在一些情况下，陶瓷套管可加热饱和壳体41以使在其中也产生一些蒸汽。优选地，蒸汽应该仅被递送至饱和腔室但不在其中产生蒸汽。

由可浇铸或可模制的石英陶瓷制成的陶瓷护套31包围了腔室11以提供外部绝热并保持蒸汽发生器内部的热。陶瓷护套具有圆柱形死区33即气体空隙，其位于加热线圈29的径向向外处且与加热线圈轴向同延以部分地阻挡热通过导热传至陶瓷护套。死区的径向范围仅有1毫米或者也许几毫米，但死区使热引导至熔融石英件23，从而允许几厘米厚的陶瓷护套的外侧足够凉，以便握持护套的外侧而免受伤害。陶瓷护套被应用至整个蒸汽室的外部以提供绝缘。陶瓷护套具有高燃烧温度并且耐用。它比其他类型绝缘体比如玻璃纤维带或织物更安全。不同于玻璃纤维带或织物会外露至镍铬线，陶瓷护套例如为永久的、不可除去的涂层。玻璃纤维带或织物无法提供充分的绝缘并且采用玻璃纤维带或织物的表面仍会变得很热并且存在潜在的燃烧风险。

喷水嘴35是具有管状进水管51和水射流55的精密喷射泵，该水射流从水嘴朝熔融石英件23延伸入进水套管13。水射流55将以半球形穿过烧结熔融石英件23，最短的水路径是向前的，较长的路径是部分径向的。进水流速约为12.8毫升/小时。注意，由于靠近加热线圈29，径向区更热。熔融石英件的径向向外区域的较高温度有利于更大的蒸发，但是较长的流动路径减小了水量。另一方面，较短向前路径位于熔融石英件的较冷区，所以蒸发速度较低，但短流动路径有利于增加水量。最终结果是可为特定腔室选择熔融石英件的厚度，该特定腔室在阻挡件的上表面具有大致均匀的蒸发。通过步进电机38调节流入喷嘴35的水以便水持续地流向熔融石英件23。在熔融石英件附近没有形成水层。可能存在***性沸腾的风险。过量的水自进水套管13流出。校准可确定进水流量，从而得到通过蒸汽排出套管15的期望连续蒸汽输出。

蒸汽排出套管15中的蒸汽进入蒸汽排放管37，蒸汽排放管具有延伸进玻璃饱和壳体41的孔口39。饱和壳体可通过支撑臂53而由蒸汽室11机械地支撑，并且具有空气输入口43，其中通过由风扇建立的流速和压力引导空气流45。气流流速足以允许蒸汽在空气中冷凝，但防止了蒸汽在饱和壳体内的表面上冷凝，而优选用蒸汽使气流饱和。气流流量与注入水水量的通常比率是14，063毫升气体比1毫升水。孔口39成形并位于气流中，使得低压通过伯努利效应将蒸汽抽出蒸汽排放管37，避免在排气管的尖端处冷凝。气流中的蒸汽从蒸汽递送口49被递送，蒸汽递送口可成形为鲁尔连接。蒸汽递送由箭头A表示。

本发明预想可通过校准水输入和蒸汽输出的连续流动来确定进水流速。接触腔室中的水和蒸汽的所有部件，即熔块和腔室内壁都由熔融石英制成，而所有其它与水和蒸汽接触的部件由高温玻璃比如派莱克斯玻璃制成，使得其中通常具有痕量杂质的纯水通过喷水嘴35输入而得到不含颗粒以及尤其是不含钠和钾或痕量杂质的纯蒸汽。

Claims (8)

1.一种产生已除去痕量杂质的蒸汽的方法，包括：

将具有痕量杂质的纯化水导入蒸汽发生器的腔室的进水套管中，所述腔室包括由熔融石英制成的腔室内壁和腔室外壁和多孔熔融石英件，所述多孔熔融石英件将所述腔室分隔成下腔室区和上腔室区；

加热所述多孔熔融石英件至蒸汽形成温度；

导引所述纯化水通过已加热的所述多孔熔融石英件，从而由所述纯化水产生蒸汽，其中产生的蒸汽已经除去了痕量杂质；以及

将产生的已除去痕量杂质的蒸汽导引至蒸汽饱和壳体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，除去的痕量杂质是钠和钾。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述多孔熔融石英件是烧结玻璃。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征是，将水导入进水套管包括持续地将水供给至水注射器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述腔室呈圆柱形，所述多孔熔融石英材料呈盘形。

6.一种从用于超纯蒸汽制备的纯化水中除去杂质的方法，包括：

提供蒸汽发生器，其包括：

腔室，该腔室带有纯化水输入套管、蒸汽排出套管和位于两者间的增压室、由熔融石英制成的腔室内壁和腔室外壁以及将所述增压室分隔成下腔室区和上腔室区的加热多孔熔融石英件；

围绕该增压室的熔融石英的腔室外壁的一部分的且向该多孔熔融石英件传热的电加热线圈；

以绝热方式包围所述电加热线圈和熔融石英的腔室外壁的陶瓷护套；

通过腔室进水套管将纯化水供入已加热的多孔熔融石英件中的喷嘴；

饱和壳体；

连接至该腔室蒸汽排出套管以将产生的蒸汽收入该饱和壳体中的孔口；和

蒸汽递送口；

将具有痕量杂质的纯化水注入蒸汽发生器腔室的下腔室区；

加热所述多孔熔融石英件至蒸汽形成温度；

将注入的纯化水导入下腔室区的已加热的多孔熔融石英件中并到达上腔室区，由此通过该多孔熔融石英件将纯化水转化成蒸汽，所产生的蒸汽已除去了痕量杂质；以及

将蒸汽从第一腔室的上腔室区导入蒸汽饱和壳体。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，已除去的痕量杂质是钠和钾。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述腔室还包括熔融石英管，该熔融石英管包围所述线圈并将所述线圈与所述陶瓷护套隔开，从而减少从所述线圈至所述护套的传热。