一种高温钠燃烧反应实验装置

摘要

本发明属于化学反应装置技术领域，涉及一种高温钠燃烧反应实验装置。所述的实验装置包括密封的手套箱、气体接入口、反应容器、钠导入口、加热板、电源、天平、气溶胶收集容器、气溶胶采集容器、气溶胶采集管路、气溶胶采集口、抽气泵、气体收集管路、气体采集口、气体收集袋。本发明的高温钠燃烧反应实验装置能够更好的用于高温钠燃烧反应的实验研究。

权利要求

1.一种高温钠燃烧反应实验装置，其特征在于：所述的实验装置包括密封的手套箱、气体接入口、反应容器、钠导入口、加热板、电源、天平、气溶胶收集容器、气溶胶采集容器、气溶胶采集管路、气溶胶采集口、抽气泵、气体收集管路、气体采集口、气体收集袋，所述的反应容器、加热板、天平、气溶胶收集容器、气溶胶采集容器设置在所述的手套箱内；

通过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的气体接入口向所述的反应容器内通入含氧气的气体，通过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的钠导入口向所述的反应容器内通入钠，以在所述的反应容器内实现高温钠燃烧反应；

所述的加热板在所述的电源供电下实现对所述的反应容器的加热；

所述的天平用于称量所述的反应容器中物质的总重量，从而监测钠喷射量；

所述的气溶胶收集容器用于钠燃烧反应中所述的手套箱内沉降的气溶胶的收集；

所述的气溶胶采集容器用于钠燃烧反应中采集所述的手套箱内漂浮的气溶胶；

所述的气溶胶采集管路穿过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的气溶胶采集口，两端分别连接所述的气溶胶采集容器与所述的手套箱外的所述的抽气泵；

所述的气体收集管路穿过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的气体采集口，两端分别连接所述的手套箱内气体空间与所述的手套箱外的所述的抽气泵；

所述的抽气泵用于在钠燃烧反应中通过抽气将所述的手套箱内的气溶胶定量收集到所述的气溶胶采集容器，或用于将所述的手套箱内气体通过所述的气体收集管路抽气给所述的手套箱外的所述的气体收集袋，所述的实验装置的所有接口均采取焊接或螺纹连接的密封措施。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的天平为电子天平。

3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的含氧气的气体为空气或氧气与惰性气体的混合气体。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括钠喷射罐、钠喷射管，设置在所述的手套箱外的所述的钠喷射罐中储存的钠通过穿过所述的钠导入口的所述的钠喷射管通入所述的反应容器中。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括热电偶，用于测量所述的钠喷射罐中钠的温度。

6.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括温控加热器，用于控温加热所述的钠喷射罐中的钠至目标温度。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括红外热像仪、红外观察窗，

所述的红外热像仪位于所述的红外观察窗的外侧，用于对钠燃烧反应的燃烧温度进行监测；

所述的红外观察窗设置在所述的手套箱的外壁上，用于为所述的红外热像仪提供观察窗口。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括设置在所述的手套箱的外壁上的视觉观察窗，用于为所述的手套箱内的常规操作及视觉观察提供观察窗口。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述的实验装置还包括压力表，用于实时监测所述的手套箱内的压力。

说明书

一种高温钠燃烧反应实验装置

技术领域

[0001] 本发明属于化学反应装置技术领域，涉及一种高温钠燃烧反应实验装置。

背景技术

[0002] 金属钠是钠冷快中子反应堆的冷却剂，在核电领域有重要应用。钠冷快堆中有众多含钠设备长期在高温状态运行，这些设备(尤其是钠回路管道和钠阀门等)包覆有保温棉
以保证系统的正常运行。在钠冷快堆发生钠泄漏事故时，设备管道外层保温棉可能会与高
温钠发生直接接触，甚至引发保温棉与高温钠的燃烧反应，如何避免这样的燃烧反应对于
保证设备管道的正常运行，保障运行维护人员安全等具有重要意义。因此，开展相关条件下
高温钠与保温材料等的相容性研究是必要且必须的，通过该研究获得高温钠与保温棉燃烧
时的温度参数，观察燃烧的现象，分析燃烧后反应的产物，评估保温材料与高温钠的相容性
能。

[0003] 金属钠在大气中的燃烧反应具有如下特殊的性质及现象：

[0004] (1)暴露于大气中的金属钠迅速发生化学反应，表面失去金属光泽，极易吸氧、吸水；

[0005] (2)150℃‑250℃的钠在大气中可发生直接燃烧，同时产生大量气溶胶，气溶胶会迅速向周围环境扩散，并充满空间；

[0006] (3)钠燃烧的温度可达到600℃‑800℃，同时释放大量热量。

[0007] 开展金属钠燃烧反应相关实验研究的时候，因钠具有极强的化学活泼性，在大气中与其它物质发生反应而燃烧时温度较高，燃烧过程激烈，并产生大量对人体有害的气体
及气溶胶，因此需要采用特殊的密闭实验装置。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种高温钠燃烧反应实验装置，以能够更好的用于高温钠燃烧反应的实验研究。

[0009] 为实现此目的，在基础的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，所述的实验装置包括密封的手套箱、气体接入口、反应容器、钠导入口、加热板、电源、天平、
气溶胶收集容器、气溶胶采集容器、气溶胶采集管路、气溶胶采集口、抽气泵、气体收集管
路、气体采集口、气体收集袋，

[0010] 所述的反应容器、加热板、天平、气溶胶收集容器、气溶胶采集容器设置在所述的手套箱内；

[0011] 通过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的气体接入口向所述的反应容器内通入含氧气的气体，通过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的钠导入口向所述的反应容器
内通入钠，以在所述的反应容器内实现高温钠燃烧反应；

[0012] 所述的加热板在所述的电源供电下实现对所述的反应容器的加热；

[0013] 所述的天平用于称量所述的反应容器中物质的总重量，从而监测钠喷射量；

[0014] 所述的气溶胶收集容器用于钠燃烧反应中所述的手套箱内沉降的气溶胶的收集；

[0015] 所述的气溶胶采集容器用于钠燃烧反应中采集所述的手套箱内漂浮的气溶胶；

[0016] 所述的气溶胶采集管路穿过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的气溶胶采集口，两端分别连接所述的气溶胶采集容器与所述的手套箱外的所述的抽气泵；

[0017] 所述的气体收集管路穿过在所述的手套箱的外壁上开有的所述的气体采集口，两端分别连接所述的手套箱内气体空间与所述的手套箱外的所述的抽气泵；

[0018] 所述的抽气泵用于在钠燃烧反应中通过抽气将所述的手套箱内的气溶胶定量收集到所述的气溶胶采集容器，或用于将所述的手套箱内气体通过所述的气体收集管路抽气
给所述的手套箱外的所述的气体收集袋。

[0019] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的天平为电子天平。

[0020] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的含氧气的气体为空气或氧气与惰性气体的混合气体。

[0021] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置还包括钠喷射罐、钠喷射管，设置在所述的手套箱外的所述的钠喷射罐中储存
的钠通过穿过所述的钠导入口的所述的钠喷射管通入所述的反应容器中。

[0022] 在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置还包括热电偶，用于测量所述的钠喷射罐中钠的温度。

[0023] 在一种更加优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置还包括温控加热器，用于控温加热所述的钠喷射罐中的钠至目标温度。

[0024] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置还包括红外热像仪、红外观察窗，

[0025] 所述的红外热像仪位于所述的红外观察窗的外侧，用于对钠燃烧反应的燃烧温度进行监测；

[0026] 所述的红外观察窗设置在所述的手套箱的外壁上，用于为所述的红外热像仪提供观察窗口。

[0027] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置还包括设置在所述的手套箱的外壁上的视觉观察窗，用于为所述的手套箱内的
常规操作及视觉观察提供观察窗口。

[0028] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置还包括压力表，用于实时监测所述的手套箱内的压力。

[0029] 在一种优选的实施方案中，本发明提供一种高温钠燃烧反应实验装置，其中所述的实验装置的所有接口均采取焊接或螺纹连接的密封措施。

[0030] 本发明的有益效果在于，本发明的高温钠燃烧反应实验装置能够更好的用于高温钠燃烧反应的实验研究。

[0031] 本发明的实验装置可用于开展高温钠在大气等环境中与高温棉燃烧的实验，可控制喷射钠的量和温度，可控制燃烧环境内气氛中的氧含量，可监测反应过程中的燃烧温度，
可收集反应过程产生的气溶胶等产物，可收集反应后的气溶胶产物，因此可较为容易地实
现温度检测、环境氧含量控制、观察燃烧现象、收集反应产物等功能要求。因此，本发明的实
验装置为开展保温棉与高温钠的相容性研究不可或缺的实验设备，可为保温棉在快堆领域
的应用提供可靠数据支持与使用依据。

[0032] 本发明的有益效果具体体现在：

[0033] (1)针对喷射罐钠加热的问题，本发明的实验装置配备喷射罐加热丝，热电偶及温控器，实现精确控温加热；

[0034] (2)针对喷射罐高密封要求，本发明的实验装置对所有接口均采取焊接、螺纹连接等密封措施；

[0035] (3)针对液态金属钠高温下易氧化，燃烧温度高，会产生大量气溶胶等危险性问题，本发明的实验装置依托密封性高的手套箱进行实验操作；

[0036] (4)针对钠喷射量监测的问题，本发明的实验装置用手套箱内电子天平实现检测；

[0037] (5)针对钠及保温棉燃烧时温度监测的问题，本发明的实验装置可通过红外热成像仪实现检测；

[0038] (6)针对保温棉加热保温及定量钠加热燃烧的问题，本发明的实验装置可通过手套箱内放置加热板加热实现；

[0039] (7)针对钠与保温棉燃烧过程中气体供应的问题，本发明的实验装置可通过连接手套箱的气路系统实现供给空气或特定比例的氧气等；

[0040] (8)针对钠与保温棉燃烧过程中气溶胶收集的问题，本发明的实验装置可通过抽气泵连通手套箱内气溶胶采集容器实现；

[0041] (9)针对钠与保温棉燃烧过程中气体收集的问题，本发明的实验装置可通过抽气泵连接手套箱气体采集管路实现；

[0042] (10)针对钠燃烧反应后气溶胶收集的问题，本发明的实验装置可通过在手套箱内放置收集容器采集实现。

附图说明

[0043] 图1为第一种示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的组成结构图。

[0044] 图2为第二种示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的组成结构图。

具体实施方式

[0045] 第一种示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的组成结构如图1所示，包括钠喷射罐1、钠喷射管、热电偶2、温控加热器3、钠导入口4、气体接入口5、密封的手套箱6、红
外观察窗7、红外热像仪8、天平9(为电子天平)、加热板10、装有保温棉的反应容器11(不锈
钢材质)、电源12、气溶胶收集容器13、气溶胶采集容器14、视觉观察窗15、气体收集管路、气
体采集口16、气溶胶采集管路、气溶胶采集口17、气体收集袋18、抽气泵19、压力表20。

[0046] 反应容器11、加热板10、天平9、气溶胶收集容器13、气溶胶采集容器14设置在手套箱6内。

[0047] 通过在手套箱6的外壁上开有的气体接入口5向反应容器11内通入含氧气的气体，通过在手套箱6的外壁上开有的钠导入口4向反应容器11内通入钠，以在反应容器11内实现
高温钠燃烧反应。

[0048] 设置在手套箱6外的钠喷射罐1中储存的钠通过穿过钠导入口4的钠喷射管通入反应容器11中。热电偶2用于测量钠喷射罐1中钠的温度。温控加热器3用于控温加热钠喷射罐
1中的钠至目标温度。

[0049] 加热板10在电源12供电下实现对反应容器11的加热。

[0050] 天平9用于称量反应容器11中物质的总重量，从而监测钠喷射量。

[0051] 气溶胶收集容器13用于钠燃烧反应中手套箱6内沉降的气溶胶的收集。

[0052] 气溶胶采集容器14用于采集钠燃烧反应中产生的漂浮气溶胶。

[0053] 气溶胶采集管路穿过在手套箱6的外壁上开有的气溶胶采集口17，两端分别连接气溶胶采集容器14与手套箱6外的抽气泵19。

[0054] 气体收集管路穿过在手套箱6的外壁上开有的气体采集口16，两端分别连接手套箱6内气体空间与手套箱6外的抽气泵19。

[0055] 抽气泵19用于在钠燃烧反应中通过抽气将手套箱6内的气溶胶定量收集到气溶胶采集容器14中，或用于将手套箱6内气体通过气体收集管路抽气给手套箱6外的气体收集袋
18供气。

[0056] 红外热像仪8位于红外观察窗7的外侧，用于对钠燃烧反应的燃烧温度进行监测。红外观察窗7设置在手套箱6的外壁上，用于为红外热像仪8提供观察窗口。设置在手套箱6
的外壁上的视觉观察窗15用于为手套箱6内的常规操作及视觉观察提供观察窗口。压力表
20用于实时监测手套箱6内的压力。

[0057] 此外，该实验装置的所有接口均采取焊接或螺纹连接的密封措施。

[0058] 上述示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的示例性的操作方法包括如下步骤：

[0059] 1)将钠喷射罐1从手套箱6的钠导入口4接入并固定好；

[0060] 2)在手套箱6内布置天平9、加热板10、反应容器11、气溶胶收集容器13、气溶胶采集容器14；

[0061] 3)连接加热板10与电源12，连接气溶胶采集容器14与抽气泵19接口，连接抽气泵19与气体收集管路及气体收集袋18接口，连接供应气体与气体接入口5；

[0062] 4)设置钠喷射罐1加热目标值505℃，开启加热；

[0063] 5)将含有保温棉的不锈钢反应容器11放置于手套箱6内加热板10上，设定加热板10加热目标值505℃，开启加热板10加热；

[0064] 6)钠喷射罐1及不锈钢反应容器11达目标温度，开启天平9，密封手套箱6各接口，打开气体接入口5，通入纯氧气；

[0065] 7)开启钠喷射罐1阀门，向不锈钢反应容器11内喷入适量核级钠，记录钠量；

[0066] 8)开启红外热像仪8，记录钠与保温棉燃烧反应温度变化；

[0067] 9)钠燃烧2分钟后，开启抽气泵19，对气溶胶采集容器14进行定量采集；

[0068] 10)钠完全燃烧结束后，等待气溶胶完全沉降完毕，打开手套箱6观察窗玻璃，取出气溶胶收集容器13、不锈钢反应容器11，收集反应产物待分析。

[0069] 第二种示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的组成结构如图2所示，包括钠导入口4、气体接入口5、密封的手套箱6、红外观察窗7、红外热像仪8、天平9(为电子天
平)、加热板10、装有保温棉和钠的反应容器11(不锈钢材质)、电源12、气溶胶收集容器13、
气溶胶采集容器14、视觉观察窗15、气体收集管路、气体采集口16、气溶胶采集管路、气溶胶
采集口17、气体收集袋18、抽气泵19、压力表20。

[0070] 反应容器11、加热板10、天平9、气溶胶收集容器13、气溶胶采集容器14设置在手套箱6内。

[0071] 通过在手套箱6的外壁上开有的气体接入口5向反应容器11内通入含氧气的气体。

[0072] 加热板10在电源12供电下实现对反应容器11的加热。

[0073] 天平9用于称量反应容器11中物质的总重量，从而监测钠喷射量。

[0074] 气溶胶收集容器13用于钠燃烧反应中手套箱6内沉降的气溶胶的收集。

[0075] 气溶胶采集容器14用于采集钠燃烧反应中产生的漂浮气溶胶。

[0076] 气溶胶采集管路穿过在手套箱6的外壁上开有的气溶胶采集口17，两端分别连接气溶胶采集容器14与手套箱6外的抽气泵19。

[0077] 气体收集管路穿过在手套箱6的外壁上开有的气体采集口16，两端分别连接手套箱6内气体空间与手套箱6外的抽气泵19。

[0078] 抽气泵19用于在钠燃烧反应中通过抽气将手套箱6内的气溶胶定量收集到气溶胶采集容器14中，或用于将手套箱6内气体通过气体收集管路抽气给手套箱6外的气体收集袋
18供气。

[0079] 红外热像仪8位于红外观察窗7的外侧，用于对钠燃烧反应的燃烧温度进行监测。红外观察窗7设置在手套箱6的外壁上，用于为红外热像仪8提供观察窗口。设置在手套箱6
的外壁上的视觉观察窗15用于为手套箱6内的常规操作及视觉观察提供观察窗口。压力表
20用于实时监测手套箱6内的压力。

[0080] 此外，该实验装置的所有接口均采取焊接或螺纹连接的密封措施。

[0081] 上述示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的第一种示例性的操作方法包括如下步骤：

[0082] 1)将手套箱6的钠导入口4封闭；

[0083] 2)在手套箱6内布置天平9、加热板10、反应容器11、气溶胶收集容器13、气溶胶采集容器14；

[0084] 3)连接加热板10与电源12，连接气溶胶采集容器14与抽气泵19接口，连接抽气泵19与气体收集管路及气体收集袋18接口，连接供应气体与气体接入口5；

[0085] 4)将含有50g定量核级固态钠及保温棉的不锈钢反应容器11放置于手套箱6内加热板10上，设定加热板10加热目标值250℃，开启加热板10加热；

[0086] 5)密封手套箱6各接口，打开气体接入口5，通入空气；

[0087] 6)待不锈钢反应容器11内钠开始燃烧后，开启红外热像仪8，记录钠与保温棉燃烧反应温度变化；

[0088] 7)钠燃烧2分钟后，开启抽气泵19，对气溶胶采集容器14进行定量采集；

[0089] 8)钠完全燃烧结束后，等待气溶胶完全沉降完毕，打开手套箱6观察窗玻璃，取出气溶胶收集容器13、不锈钢反应容器11，收集反应产物待分析。

[0090] 上述示例性的本发明的高温钠燃烧反应实验装置的第二种示例性的操作方法包括如下步骤：

[0091] 1)在手套箱6内布置天平9、加热板10、反应容器11、气溶胶收集容器13、气溶胶采集容器14；

[0092] 2)连接加热板10与电源12，连接气溶胶采集容器14与抽气泵19接口，连接抽气泵19与气体收集管路及气体收集袋18接口，连接供应气体与气体接入口5；

[0093] 3)将含有50g定量核级固态钠及保温棉的不锈钢反应容器11放置于手套箱6内加热板10上；

[0094] 4)通过气体接入口5向手套箱6内持续以1L/min的流量通入5％O2‑95％Ar(v/v)30分钟，停止通入气体，将手套箱6的钠导入口4封闭；

[0095] 5)设定加热板10加热目标值300℃，开启加热板10加热；

[0096] 6)待不锈钢反应容器11内钠开始燃烧后，开启红外热像仪8，记录钠与保温棉燃烧反应温度变化；

[0097] 7)钠燃烧2分钟后，开启抽气泵19，对气溶胶采集容器14进行定量采集；

[0098] 8)钠完全燃烧结束后，等待气溶胶完全沉降完毕，打开手套箱6观察窗玻璃，取出气溶胶收集容器13、不锈钢反应容器11，收集反应产物待分析。

[0099] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范
围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。上述实施例或实施方式只是对本发明
的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的
要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本
发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含
在本发明的范围内。