在反应容器中控制溶解氧的装置及方法

1.一种在反应容器中控制溶解氧的装置，包括具有顶盖的溶液筒，其特征在于，还包括具有液相取样阀和气相取样阀的高压反应釜，所述气相取样阀连接到用于储存惰性气体的储气瓶，所述溶液筒内设有溶氧探头、由搅拌器控制的搅拌叶片和用于连接储存惰性气体的储气瓶的进气管，所述溶氧探头与所述搅拌器均连接入控制器，所述溶液筒的底部通过三通阀与液相取样阀连接，所述顶盖的外表面设有与溶液筒内部相通的限压阀、安全阀、进液阀和排气阀，所述进液阀的顶部高于所述排气阀的顶部，所述进气管上设有进气阀，所述顶盖通过密封垫圈密封连接于所述溶液筒的顶部，所述三通阀的第一连接头连接于所述溶液筒的底部侧面，第二连接头连接所述液相取样阀，第三连接头连接与大气相通的导管。
2.根据权利要求1所述的在反应容器中控制溶解氧的装置，其特征在于，所述溶液筒是具有刻度的容器。
3.根据权利要求1所述的在反应容器中控制溶解氧的装置，其特征在于，所述安全阀为弹簧式安全阀。
4.根据权利要求1所述的在反应容器中控制溶解氧的装置，其特征在于，所述进气阀设于所述顶盖的上方。
5.根据权利要求1所述的在反应容器中控制溶解氧的装置，其特征在于，所述控制器上设有显示装置。
6.一种在反应容器中控制溶解氧的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.向高压反应釜内注满水或其他液体，再将高压反应釜内的水或液体用惰性气体排出，使高压反应釜内为无氧环境；
b.将待除氧的反应溶液注入无氧的溶液筒中，向溶液筒中通入惰性气体并保持溶液筒内正压环境对反应溶液进行除氧，控制其达到设定值即完成除氧；
c.将已经除氧的反应溶液在不接触氧的环境下通入高压反应釜内；
其中，步骤a包括以下步骤：
向溶液筒内充满水或其他液体，再向溶液筒中通入惰性气体使水或液体压出至高压反应釜釜体内；
待高压反应釜釜体内注满水或其他液体后，停止向溶液筒中通入惰性气体；
打开三通阀使高压反应釜釜体与大气相连，向高压反应釜釜体内通入惰性气体使高压反应釜釜体内的水或其他液体排出，直到高压反应釜釜体内为无氧的惰性气体空间；
其中，步骤b包括以下步骤：
打开三通阀，向溶液筒内通入惰性气体排出溶液筒内的全部液体，直至溶液筒内为无氧的惰性气体空间；
将待除氧的反应溶液注入溶液筒内，搅拌溶液，并向溶液筒内注入惰性气体，当溶液筒内的压力增大时，对溶液筒泄压及排气；
控制溶液筒内的溶解氧的值达到设定时停止通入惰性气体，将溶液筒内的压力降至大气压，停止搅拌反应溶液，即完成除氧操作。

在反应容器中控制溶解氧的装置及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及溶解氧的技术领域，特别是涉及一种在反应容器中控制溶解氧的装置及方法。\n背景技术\n[0002] 现有的在工业锅炉、电站锅炉和反应堆等热力设备中，通常是低氧的高温高压水或蒸汽的工作环境。在实验室中，为了模拟这种高温高压条件下设计了多种类型的高温高压反应釜。对高压釜的基本要求是密闭性好，不能渗漏液体和气体；高压釜内壁因与试样处于同样的腐蚀环境中，因此必须耐腐蚀；应当有足够的强度，承受长期的高压作用；为试验安全和满足多种实验要求，应附设一些必要的装置，如温度和压力控制装置，安全装置和电化学测量接口等。\n[0003] 然而，仅仅能够保证高温高压反应釜的一些基本条件和溶液中溶质的浓度还不能与实际热力设备的运行工况相同，特别是在实际的实验和研究过程中很难对水中的溶解氧含量进行有效、准确的控制，以至于由于无法达到确定浓度的氧含量条件而造成实验及研究结果失真。即使向反应容器中通入大量惰性气体，控制反应容器及反应溶液在低氧含量也十分不易。在实际生产中，对于不同参数的锅炉，其氧含量控制指标不同。例如，GB/T1576-2008《工业锅炉水质》中规定，额定蒸汽压力小于等于1MPa的锅炉及大于1.0MPa小于等于1.6MPa给水采用软化水的锅炉，给水溶解氧含量小于等于0.1mg/L；额定蒸汽压力大于1.6MPa小于3.8MPa的锅炉以及大于1.0MPa小于等于1.6MPa给水采用除盐水的锅炉，给水氧含量控制小于等于0.05mg/L。在GB/T12145-2008《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》中规定3.8-5.8MPa的汽包锅炉给水溶解氧含量小于等于15μg/L，压力大于5.9MPa的汽包锅炉给水溶解氧控制小于等于7μg/L；加氧处理溶解氧控制含量为\n30-150μg/L。在核电站中，各种用水中的溶解氧含量也有严格的控制指标。在很多实验及研究中，由于很难控制溶液中的氧含量，因此做到模拟低氧高温高压工况与实际工况相同或相近同样十分困难。\n[0004] 目前，在高温高压反应釜及其他反应容器中进行的模拟实验及研究中，通常对于溶液中氧含量的控制是通过向高压反应釜或反应容器中反应溶液通入一定流量的N2或其它惰性气体对溶液进行除氧操作。但是，水溶液中氧含量受到温度的影响，不同温度下饱和氧含量不同，一般温度越低氧含量也越高。通惰性气体除氧时，还要受到待除氧的溶液体积、进气流量、体系压力等多种因素的影响，单纯的通过控制进气流量无法保证待除氧溶液的氧含量达到实验和研究要求。高压反应釜或其他反应容器在加入溶液后，由于反应容器内液面上方仍为空气。计空气中氧气的体积分数为21%，氧气摩尔质量为32g/mol，气体摩尔体积为22.4L/mol，则100mL空气中含有氧气100mL×21%×32g/mol/（22400mL/mol）=0.03g=30mg，将100mL空气用9900mL惰性气体稀释，氧浓度则为0.3mg/100mL气体。若需要保证气体中含氧量小于等于30μg/100mL时，需要99900mL（99.9L）惰性气体，因此惰性气体消耗量很大，且不能准确控制反应容器中溶液的氧含量。部分反应容器（如高压釜）是高温压力容器，加装高温溶解氧电极费用昂贵，且在狭小的反应空间内部也难以加装。另外，加装高温溶解氧电极也可能造成金属材料的产生应力，影响其使用寿命。\n[0005] 对于其他控制溶液中溶解氧含量的实验或研究，也是先将溶液置于反应容器中，再通过向反应容器中通入惰性气体对溶液进行除氧。这样的除氧方式虽然能够除去溶液中大量的氧，但是同样由于反应容器上部存在一定空间，导致在溶液除氧结束后，溶液上部残存的氧气继续溶于水中，这使得除氧过程并没有完全的将氧的影响降低到最低程度。且对于容积较小的反应容器，更难控制。若氧气对于整个研究结果有很大影响时，仍然造成数据失真。\n[0006] 因此，通过向反应容器中直接通入惰性气体以及在高温高压反应釜中加装高温溶解氧电极以准确控制高温高压反应釜中溶液氧含量是不经济且不可靠的（溶液中氧含量降低至规定值时，溶液上层空间的影响仍忽略）。直接向高压釜等反应容器中通入惰性气体也不能准确的控制溶液的氧含量。\n发明内容\n[0007] 基于此，针对现有问题，有必要提出一种在反应容器中控制溶解氧的装置及方法，能够准确的控制溶液的氧含量。\n[0008] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种在反应容器中控制溶解氧的装置，包括具有顶盖的溶液筒，还包括具有液相取样阀和气相取样阀的高压反应釜，所述气相取样阀连接到用于储存惰性气体的储气瓶，所述溶液筒内设有溶氧探头、由搅拌器控制的搅拌叶片和用于连接储存惰性气体的储气瓶的进气管，所述溶氧探头与所述搅拌器均连接入控制器，所述溶液筒的底部通过三通阀与液相取样阀连接，所述顶盖的外表面设有与溶液筒内部相通的限压阀、安全阀、进液阀和排气阀，所述进液阀的顶部高于所述排气阀的顶部，所述进气管上设有进气阀。\n[0009] 本技术方案中，限压阀置于顶盖外表面以保持筒内压力恒定；进气阀置于顶盖上部并上下连接进气管，顶盖上部进气管与气源相连，下部进气管置于溶液筒内，使进气通入溶液底部；溶氧探头置于顶盖下部，顶盖安装于溶液筒上后溶氧探头置于溶液中；搅拌器安装于顶盖上，用以保证溶液的均匀；控制器与溶氧探头及搅拌器相连接，以显示和记录溶解氧的数值并控制搅拌速度；安全阀在限压阀失效时保证溶液筒内压力安全；进液阀用以向筒内加药；排气阀置于顶盖，在其打开时使筒内压力与大气压相同。限压阀在溶液筒密封后压力过大的情况下释放气体以保证溶液筒内的压力恒定，同时防止空气进入溶液筒内；\n进气阀用来控制惰性气体进入溶液筒内；溶氧探头置于溶液中测定溶液中氧含量；搅拌器在通气除氧时，用以保证溶液的均匀性，达到均匀除氧的目的；三通阀用导出已除氧的溶液，并可进行筒内液体的取样及排液；控制器用来显示和记录溶解氧量，观察溶液中氧含量是否达到要求并调整搅拌器旋转速度；安全阀用于限压阀失效时，保证溶液筒安全；进液阀用于向溶液筒内加入药剂；排气阀在加药时保证溶液筒内压力等于大气压，且用于排出气体。\n[0010] 在优选的实施例中，所述顶盖通过密封垫圈密封连接于所述溶液筒的顶部。目的是保证整个系统的气密性。\n[0011] 在优选的实施例中，所述溶液筒是具有刻度的容器。目的是限定导入溶液的体积。\n[0012] 在优选的实施例中，所述安全阀为弹簧式安全阀。目的是保证安全阀能够很好地使用。\n[0013] 在优选的实施例中，所述进气阀设于所述顶盖的上方。目的是保证能够顺利操作和调整进气阀。\n[0014] 在优选的实施例中，所述控制器上设有显示装置。目的是便于观察控制的数值。\n[0015] 在优选的实施例中，所述三通阀的第一连接头连接于所述溶液筒的底部侧面，第二连接头连接所述液相取样阀，第三连接头连接与大气相通的导管。目的是保证三通阀能够顺利实现发明目的。\n[0016] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种在反应容器中控制溶解氧的方法，包括以下步骤：\n[0017] a.向高压反应釜内注满水或其他液体，再将高压反应釜内的水或液体用惰性气体排出，使高压反应釜内为无氧环境；\n[0018] b.将待除氧的反应溶液注入无氧的溶液筒中，向溶液筒中通入惰性气体并保持溶液筒内正压环境对反应溶液进行除氧，控制其达到设定值即完成除氧；\n[0019] c.将已经除氧的反应溶液在不接触氧的环境下通入高压反应釜内。\n[0020] 在优选的实施例中，步骤a包括以下步骤：\n[0021] 向溶液筒内充满水或其他液体，再向溶液筒中通入惰性气体使水或液体压出至高压反应釜釜体内；\n[0022] 待高压反应釜釜体内注满水或其他液体后，停止向溶液筒中通入惰性气体；\n[0023] 打开三通阀使高压反应釜釜体与大气相连，向高压反应釜釜体内通入惰性气体使高压反应釜釜体内的水或其他液体排出，直到高压反应釜釜体内为无氧的惰性气体空间；\n[0024] 在优选的实施例中，步骤b包括以下步骤：\n[0025] 打开三通阀，向溶液筒内通入惰性气体排出溶液筒内的全部液体，直至溶液筒内为无氧的惰性气体空间；\n[0026] 将待除氧的反应溶液注入溶液筒内，搅拌溶液，并向溶液筒内注入惰性气体，当溶液筒内的压力增大时，对溶液筒泄压及排气；\n[0027] 控制溶液筒内的溶解氧的值达到设定时停止通入惰性气体，将溶液筒内的压力降至大气压，停止搅拌反应溶液，即完成除氧操作。\n[0028] 本发明的有益效果是：能够精确控制溶液的氧含量，将高压反应釜控制在无氧状态，并在无氧状态下将已除氧的反应溶液注入高压反应釜中，很好地解决了精确控制溶液氧含量的问题。\n附图说明\n[0029] 图1是本发明实施例所述在反应容器中控制溶解氧的装置的结构示意图；\n[0030] 附图标记说明：\n[0031] 1-溶液筒，2-顶盖，3-液相取样阀，4-气相取样阀，5-高压反应釜釜体，6-储气瓶，7-溶氧探头，8-搅拌器，9-搅拌叶片，10-进气管，11-控制器，12-三通阀，13-限压阀，\n14-安全阀，15-进液阀，16-排气阀，17-进气阀。\n具体实施方式\n[0032] 下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。\n[0033] 实施例：\n[0034] 如图1所示，一种在反应容器中控制溶解氧的装置，包括具有顶盖2的溶液筒1、具有液相取样阀3和气相取样阀4的高压反应釜。所述气相取样阀4连接到用于储存惰性气体的储气瓶6，所述溶液筒1内设有溶氧探头7、由搅拌器8控制的搅拌叶片9和用于连接储存惰性气体的储气瓶6的进气管10。所述溶氧探头7与所述搅拌器8均连接入控制器\n11，所述溶液筒1的底部通过三通阀12与液相取样阀3连接。所述顶盖2的外表面设有与溶液筒1内部相通的限压阀13、安全阀14、进液阀15和排气阀16，所述进液阀15的顶部高于所述排气阀16的顶部，所述进气管10上设有进气阀17。\n[0035] 本实施例中，所述顶盖2通过密封垫圈密封连接于所述溶液筒1的顶部，目的是保证整个系统的气密性。所述溶液筒1是具有刻度的容器，目的是限定导入溶液的体积。所述安全阀14为弹簧式安全阀，目的是保证安全阀14能够很好地使用。所述进气阀17设于所述顶盖2的上方，目的是保证能够顺利操作和调整进气阀17。所述控制器11上设有显示装置，目的是便于观察控制的数值。\n[0036] 本实施例中，所述三通阀12的第一连接头连接于所述溶液筒1的底部侧面，第二连接头连接所述液相取样阀3，第三连接头连接与大气相通的导管。\n[0037] 本实施例中，限压阀13置于顶盖2外表面以保持筒内压力恒定；进气阀17置于顶盖2上部并上下连接进气管10，顶盖2上部进气管10与气源相连，下部进气管10置于溶液筒1内，使进气通入溶液底部；溶氧探头7置于顶盖2下部，顶盖2安装于溶液筒1上后溶氧探头7置于溶液中；搅拌器8安装于顶盖2上，用以保证溶液的均匀；控制器11与溶氧探头7及搅拌器8相连接，以显示和记录溶解氧的数值并控制搅拌速度；安全阀14在限压阀13失效时保证溶液筒1内压力安全；进液阀15用以向筒内加药；排气阀16置于顶盖\n2，在其打开时使筒内压力与大气压相同。限压阀13在溶液筒1密封后压力过大的情况下释放气体以保证溶液筒1内的压力恒定，同时防止空气进入溶液筒1内；进气阀17用来控制惰性气体进入溶液筒1内；溶氧探头7置于溶液中测定溶液中氧含量；搅拌器8在通气除氧时，用以保证溶液的均匀性，达到均匀除氧的目的；三通阀12用导出已除氧的溶液，并可进行筒内液体的取样及排液；控制器11用来显示和记录溶解氧量，观察溶液中氧含量是否达到要求并调整搅拌器8旋转速度；安全阀14用于限压阀13失效时，保证溶液筒1安全；\n进液阀15用于向溶液筒1内加入药剂；排气阀16在加药时保证溶液筒1内压力等于大气压，且用于排出气体。\n[0038] 针对上述实施例所述的装置，发明人还设计了一种在反应容器中控制溶解氧的方法，包括以下步骤：\n[0039] a.向高压反应釜内注满水或其他液体，再将高压反应釜内的水或液体用惰性气体排出，使高压反应釜内为无氧环境；\n[0040] 步骤a包括以下步骤：\n[0041] 向溶液筒1内充满水或其他液体，再向溶液筒1中通入惰性气体使水或液体压出至高压反应釜釜体5内；\n[0042] 待高压反应釜釜体5内注满水或其他液体后，停止向溶液筒1中通入惰性气体；\n[0043] 打开三通阀12使高压反应釜釜体5与大气相连，向高压反应釜釜体5内通入惰性气体使高压反应釜釜体5内的水或其他液体排出，直到高压反应釜釜体5内为无氧的惰性气体空间；\n[0044] b.将待除氧的反应溶液注入无氧的溶液筒1中，向溶液筒1中通入惰性气体并保持溶液筒1内正压环境对反应溶液进行除氧，控制其达到设定值即完成除氧；\n[0045] 步骤b包括以下步骤：\n[0046] 打开三通阀12，向溶液筒1内通入惰性气体排出溶液筒1内的全部液体，直至溶液筒1内为无氧的惰性气体空间；\n[0047] 将待除氧的反应溶液注入溶液筒1内，搅拌溶液，并向溶液筒1内注入惰性气体，当溶液筒1内的压力增大时，对溶液筒1泄压及排气；\n[0048] 控制溶液筒1内的溶解氧的值达到设定时停止通入惰性气体，将溶液筒1内的压力降至大气压，停止搅拌反应溶液，即完成除氧操作。\n[0049] c.将已经除氧的反应溶液在不接触氧的环境下通入高压反应釜内。\n[0050] 发明人接下来通过具体的实例来进行说明：\n[0051] 本实例采用的技术路线为：将反应容器控制在无氧状态，并在无氧状态下将已除氧的反应溶液注入反应容器。\n[0052] 本实例的主要功能是：控制反应容器溶液中溶解氧量达到实验或研究所需要求，并在使用中可调整其它参数（如pH、离子浓度）。主要技术指标：溶解氧含量测量范围：\n0μg/L—100.0μg/L,0mg/L—20.0mg/L；容积：2L/5L。使用条件：电源电压：220V；电源频率50Hz；工作温度：0-60℃。\n[0053] 具体控制方法如下：\n[0054] 1、清洗高压反应釜，保持高压反应釜内清洁；\n[0055] 2、按照高压反应釜使用步骤将高压反应釜密封；\n[0056] 3、按照图1将进气阀17与储存惰性气体的气瓶相连，检查连接是否紧密，打开气瓶开关；\n[0057] 4、将三通阀12之一与高压反应釜的液相取样阀3相连；\n[0058] 5、打开排气阀16，从进液阀15将纯水注入溶液筒1内，至纯水由排气阀16排出（进液阀15端部高于排气阀16）。关闭进液阀15，关闭排气阀16，此时溶液筒1内注满纯水；\n[0059] 6、打开高压反应釜的液相取样阀3及气相取样阀4，打开三通阀12使高压反应釜的液相取样阀3与溶液筒1连通，打开进气阀17通入惰性气体；\n[0060] 7、当纯水由气相取样阀4流出时依次关闭进气阀17、三通阀12，此时高压反应釜釜体5内注满纯水；\n[0061] 8、将气相取样阀4与储存惰性气体的气瓶相连，打开三通阀12使高压反应釜釜体\n5和大气相连，打开气瓶，至高压反应釜液相取样阀3中只排出气体时，关闭气瓶，关闭气相取样阀4，关闭液相取样阀3，关闭三通阀12，此时高压反应釜釜体5内为无氧的惰性气体空间；\n[0062] 9、打开三通阀12使溶液筒1与大气相连，打开进气阀17，排出溶液筒1内全部液体后关闭进气阀17，关闭三通阀12，此时溶液筒1内为无氧的惰性气体空间；\n[0063] 10、打开进液阀15及排气阀16，由进液阀15将待除氧溶液注入溶液筒1中，关闭进液阀15及排气阀16；\n[0064] 11、打开控制器11的电源，调整搅拌器8的速度，开启进气阀17。压力增大时，依靠限压阀13对溶液筒1进行泄压及排气；\n[0065] 12、观察控制器11，至溶解氧显示值为控制要求值时关闭进气阀17，快速启合排气阀16使溶液筒1压力降至大气压，并在5分钟后观察控制器11的读数；\n[0066] 13、若溶液中溶解氧含量未达到要求，则继续打开进气阀17，直至溶解氧含量达到要求，且5分钟内不发生改变，进气阀17为关闭状态；\n[0067] 14、打开进气阀17，至限压阀13排出气体，关闭进气阀17，关闭搅拌器8；\n[0068] 15、依次打开液相取样阀3、气相取样阀4、三通阀12，使溶液筒1与高压反应釜釜体5相连；\n[0069] 16、将一定体积溶液压入高压反应釜釜体5中后，依次关闭三通阀12、高压反应釜液相取样阀3、气相取样阀4，关闭控制器11电源，解除液相取样阀3和三通阀12的连接，完成除氧操作。\n[0070] 以上操作中，有以下注意事项：\n[0071] （1）若除氧后溶液条件发生改变或向除氧溶液加药剂调整时，可打开进液阀15及排气阀16进行加药操作；\n[0072] （2）应防止溶氧探头7表面发生气体吸附，影响测量结果；\n[0073] （3）由三通阀12向高压反应釜通入一定体积的除氧反应溶液时，应关闭搅拌器8及进气阀17，以保证液面平稳；\n[0074] （4）为了检验溶液除氧后是否发生改变（如pH），可通过三通阀12大气一端进行取样分析；\n[0075] （5）经对GCF1型永磁旋转高压反应釜通入纯水，并由气相取样阀4导入N2将纯水排出后，发现釜体内所剩溶液较少，对高压反应釜釜体5所需导入溶液浓度及氧含量的改变可忽略不计；\n[0076] （6）应保持反应容器及的水平放置。\n[0077] 以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。