蒸汽流量控制技术详解：从理论到应用

蒸汽流量控制技术详解：从理论到应用

在工业和实验室环境中，蒸汽流量控制是一项关键的技术。本文将为您详细介绍蒸汽的产生、使用及其控制方法，重点介绍Bronkhorst的CEM（Controlled Evaporation Mixing）系统，该系统通过精确控制气体和液体流量来实现更稳定和精确的蒸汽输送。

日常生活当中，我们周围充满了水蒸气。我们吸入它，并通过视觉或触觉感觉到它的存在。另一个深刻的例子是我们家中空气中的水蒸气。如果空气遇到较冷的表面（例如窗户），则会很明显。所含的水蒸气可能会凝结在窗玻璃上，并成为可见且可触摸的液体。

同样在工业和实验室制程中，蒸汽也确实发挥有用的作用。是时候解释一下：什么是蒸汽，它们在哪里使用，以及如何以受控方式将它们输送到这些制程？

什么是蒸汽？

蒸汽与气体非常相似，气体是物质的基本状态，就像固体和液体一样。气体和蒸汽由作为自由粒子移动的单独分子组成。然而，气体和蒸汽之间存在本质差异。如果一种化合物在室温（约 20 °C）和常压（1 大气压）下为液态，那么我们将该化合物的「汽态」形式称为蒸汽。这也就是为什么我们将「汽态」形式的水称为蒸汽，而汽态形式的氧气则称为气体，因为氧气在常温常压下仍然是气体。

如何产生蒸汽？

当升高温度或降低压力时，液体会蒸发并转化为蒸汽。在分子层面上，在液体表面的任何温度下，总会有分子以足够的速度离开液体。因此，在液体上方总是存在着同一液体的蒸汽。蒸发发生在任何温度下，而不仅仅是液体的沸点温度。这个沸点温度只是一个定义：它是液体的蒸汽压等于环境压力的点。

利用温度和压力是控制蒸汽压以及因此控制蒸汽量或（在动态情况下）蒸汽流量的两种方法。控制蒸汽压（实际上是降低蒸汽压）的第三种方法是稀释蒸汽，例如在蒸汽中添加惰性气体（例如氮气）。

为什么要使用蒸汽？

在某些情况下，您可能希望以受控方式将蒸汽添加到制程中。例如，燃料电池 - PEMFC - 其电解质需要处于水合状态（湿润）以保持高电导率，从而保持最佳性能。或者，您可能希望为湿度传感器的校准和认证提供准确的水蒸气浓度，以便这些设备显示正确的湿度值。

另一种类型的蒸汽输送是将金属有机蒸汽受控供应至反应器。这些蒸汽化合物可作为化学气相沉积反应中的前驱物，以在物体上沉积薄膜，例如沉积半导体薄膜。这里需要精确的蒸汽供应，以精确控制薄膜生长 - 即使在复杂形状的物体上 - 并避免溢出昂贵的金属有机前驱物。

使用bubbler的传统蒸汽流量控制

将蒸汽输送到客户制程的传统方法是使用bubbler系统。在这里，气流气泡通过充满液态化合物的加热容器。此carrier gas完全或部分被化合物蒸汽饱和，且该蒸汽流进一步由carrier gas引导至客户的制程。尽管这是一个非常简单且用途广泛的设置，但也存在一些缺点。制程条件的微小变化可能会导致蒸汽流量发生较大变化，使其成为相对不准确且长期稳定性较差的输送技术。由于蒸汽压在很大程度上取决于容器温度，温度的微小变化就会导致蒸汽压和蒸汽流量的较大偏差。此外，总压力和载气流量需要稳定才能提供稳定的蒸汽流。此蒸汽流解决方案强烈依赖温度和压力。

Carrier gas through the liquid

Vapor flow solution

通过受控蒸发和混合改进蒸汽流解决方案

克服上述障碍的一种方法是使用CEM（Controlled Evaporation Mixing）系统进行蒸汽输送。在此蒸汽系统中，气体质量流量控制器（例如 EL-FLOW Select ）提供精确控制的载气流量，而液体流量计（例如mini CORI-FLOW 或 LIQUI-FLOW）则测量待蒸发液体的流量，例如来自室温加压液体容器中抽取。

液体控制阀也可用作三通执行器，其任务是将微小液滴与载气混合。

随后，混合控制阀允许将液流的微小液滴注入载气流中，载气流进入加热的温控混合和蒸发室，液体在其中完全立刻蒸发，并产生均匀蒸汽/气体混合物。

完整的 CEM 系统可以通过外部读取/控制单元（包括电源）或使用Bronkhorst Flowsuite等 Bronkhorst 软件来监控 CEM 系统组件的操作。CEM 系统是一种简单的蒸汽输送模块，在许多方面都优于bubbler。这个过程与压力和温度无关，因为气体和液体流量是使用质量流量控制器控制的，由于质量流量仪器的精度和可重复性，确保了摩尔比的精确控制。这种精确的质量流量控制使蒸发器的蒸汽输出具有显著的稳定性。将液体流直接注入载气流中可以使液体分子更好地分散在气体中，并显著缩短反应时间。

蒸发室设计有内部几何形状，可产生湍流，进而增强气液混合物的均匀性。此外，它还可以加热引入气流中的细小液滴，促进其蒸。

使用线上Fluidat on the Net应用程式可以轻松确定液體的质量流量。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。

对于蒸汽流应用：避免冷凝

通过增加压力或降低温度，蒸汽可以相对容易地转回液体，而一般干燥气体不太会。使用蒸汽的一项重大挑战是防止冷凝，因为这可能会产生液滴，从而扰乱或损害正在进行的制程。

因此，在不改变系统压力的情况下，保持 CEM 外部的温度始终高于 CEM 内部的温度且高于露点温度。或者，在不改变温度的情况下，保持 CEM 外部的压力始终低于 CEM 内部的压力。

蒸汽流应用范例

使用 CEM 系统进行蒸汽输送通常发生在表面处理、食品和饮料行业、制药应用、材料研究和测试以及环境研究等应用。

• 例如，CEM 系统用于无菌包装的灭菌过程。
• 此外，CEM还用于为汽车行业的燃料电池测试台提供模拟控制环境相对湿度。