中北大学化学工程与工艺专业实验讲义

1、化学工程与工艺专业专业实验讲义中北大学化工与环境学院2013/12/9实验 1 聚醋酸乙烯酯及其衍生物的制备实验 1-1 聚醋酸乙烯酯的制备、实验目的通过醋酸乙烯酯溶液聚合，增强对溶液聚合的感性认识，进一步掌握溶液聚合的反应特点；二、实验基本原理及特点溶液聚合是单体、引发剂在适当的溶剂中进行的聚合反应。根据聚合物在溶剂中溶解与否，溶液聚合又分为均相溶液聚合和非均相溶液聚合 （沉淀聚合） 。 自由基聚合、 离子聚合和缩聚反应均可采用溶液聚合。溶液聚合的一个突出特点就是在聚合过程中存在链转移问题。高分子链自由基向溶剂分子的链转移可 在不同程度上使产物的分子量降低。聚合温度也很重要，随着温度的升高，

2、反应速度要加快，相对分子质量要降低。当其他条件固定时，随着温度升高，链转移反应速度也要增加，所以选择合适的温度，对保证聚合物的质量是很有意义的。实验后的附表中列出了甲醇在醋酸乙烯酯自由基聚合时，在不同反应温度下 的链转移常数值。单体转化率对相对分子质量及相对分子质量分布也有一定影响，因为随着转化率的不同，影响相对分子质量的因素，如引发剂、单体、溶剂及生成的大分子等的浓度均发生了变化，所以在不同时期里，生成的高聚物相对分子质量也不同。转化率越高，相对分子质量分布也就越宽。在溶剂浓度较小的醋酸乙烯酯聚合反应中，一般随转化率增加，反应速度逐渐增加。这说明有自动加速现象存在。当转化率达50%左右时，反

3、应速度开始急剧下降。在这种条件下，要达到高转化率，聚合时间就要加长。因此，在工业生产中，转化率一般控制在50%左右。三、实验仪器及试剂三口瓶1个回流冷凝管1个电动搅拌器1套恒温水浴1套量筒（10mL ）1 个烧杯（50mL 、 250mL）各 1 个温度计（ 0100 ） 1 支醋酸乙烯酯30ml偶氮二异丁腈若干甲醇30ml四、实验步骤1 . 在装有搅拌器的、回流冷凝管、温度计的干燥洁净的250ml 三口瓶中依次加入新精制过的醋酸乙烯20 ml（VAC 密度为 0.9342）， 0.04 g 偶氮二异丁腈和 10 ml 甲醇 （密度为 0.7928）， 在搅拌下水浴加热（为了便于观察用 100

4、0ml 大烧杯做水浴），使其回流（水浴温度控制在 70 ） ，反应温度控制在 65 。2 .当反应物变粘稠时加入20 ml 甲醇，使反应瓶中反应物稀释，冷却到室温。五、 思考题1 . 试以醋酸乙烯溶液聚合为例，说明溶液聚合的特点，并分析影响溶液聚合反应的因素。2 .写出合成聚醋酸乙烯酯的化学反应式。实验 1-2 聚醋酸乙烯酯的醇解1、 实验目的掌握聚乙烯醇制备的一般方法和高分子反应的基本原理。二、实验基本原理由于乙烯醇”极不稳定，极易异构化而生成乙醛或环氧乙烷，所以聚乙烯醇（ PVA）不能由 匕烯醇来聚合，通常都是讲聚醋酸乙烯酯醇解后得到聚乙烯醇。聚乙烯醇的醇解可以在酸性或碱性条件下进行。酸性

5、春节时， 残留的酸可加速PVA 的脱水作用，使产物变黄或不溶于水。目前， 工业上都采用碱性醇解法。本实验用甲醇为醇解剂， NaOH 为催化剂。一般， NaOH/PV A 的摩尔比为0.12.。由于 PVAc 可溶于甲醇而PVA 不溶于甲醇，因此在反应过程中会发生形变。在实验室中醇解进行的好坏的关键在于体系中刚出现胶冻时，必须用强烈搅拌将其打碎，才能保证醇解较完全地进行。三、实验仪器及试剂三口瓶1个回流冷凝管1个电动搅拌器1套恒温水浴1套量筒（ 10mL ）1 个烧杯 （ 50mL 、 250mL）各 1 个温度计（0100 ）1 支聚醋酸乙烯酯若干甲醇若干NaOH若干四、实验步骤1 .将聚醋酸

6、乙烯溶液升温至30， 加入 2ml 5% 的 NaOH- 甲醇溶液， 控制反应温度在45。当醇解度大60% 左右时，大分子从溶解状态变为不溶状态，出现胶团。此时立即强烈打碎。2 . 出现胶团后在继续发硬0.5h ，打碎胶冻，在加入 2ml NaOH- 甲醇溶液，仍控制反应温度在 45，反应0.5h。升温至65C,反应1h。3 .冷却，将反应液倒出，抽滤。用甲醇仔细的洗涤，烘干。五、 思考题1. 写出醇解反应式。2.为什么会出现胶冻现象？对实验结果有何影响？实验 1-3 聚乙烯醇缩甲醛（胶水 ） 的制备一、实验目的了解聚乙烯醇缩甲醛化学反应的原理，并制备胶水。2、 实验原理聚乙烯醇缩甲醛是利用聚

7、乙烯醇与甲醛在盐酸催化作用下而制得的。聚乙烯醇是水溶性的高聚物，如果用甲醛将它进行部分缩醛化，随着缩醛度的增加，水溶液愈差，作为维尼纶纤维用的聚乙烯醇缩甲醛其缩醛度控制在35%左右，它不溶于水，是性能优良的合成纤维。本实验是合成水溶性的聚乙烯醇缩甲醛。反应过程中需要控制较低的缩醛度以保持产物的水溶性，若反应过于剧烈，则会造成局部缩醛度过高，导致不溶于水的物质存在，影响胶水质量。因此在反应过程中，特别注意要严格控制催化剂用量、反应温度、反应时间及反应物比例等因素。聚乙烯醇缩甲醛随缩醛化程度的不同，其性质和用途各有所不同，它能溶于甲酸、乙酸、二氧六环、氯化烃（二氯乙烷、氯仿、二氯甲烷）、乙醇-甲苯

8、混合物（30:70） 、乙醇-甲苯混合物（40:60） 以及 60%的含水乙醇中。缩醛度为 75%85% 的聚乙烯醇缩甲醛其主要用途是制造绝缘漆和粘合剂。三、实验仪器及试剂三口瓶1 个电动搅拌器1 套温度计1 支恒温水浴1 套聚乙烯醇若干甲醛（37%40% ）46ml盐酸若干氢氧化钠若干去离子水（或蒸馏水）若干四、操作步骤1. 在 250 ml 三颈瓶中加入 90 ml 去离子水 （或蒸馏水 ）、 7 g 聚乙烯醇，在搅拌下升温溶解；2. 聚乙烯醇完全溶解后， 于 90左右加入4.5 ml 甲醛 （40%工业纯 ）， 搅拌 15 min ，再加入 1:4 盐酸，使溶液 pH 值为13 。保持反

9、应温度90 左右；3. 反应体系逐渐变稠，当体系中出现气泡或有絮状物产生时，立即迅速加入 1.5 ml 8% 的 NaOH 溶液，同时加入 35 ml 去离子水（或蒸馏水） 。调节体系的 pH 值为89。然后冷却降温出料，获得无色透明粘稠液体（ 即市售胶水） 。五、 思考题1. 写出缩醛化反应的化学反应式。2. 为什么缩醛度增加，水溶性下降，当达到一定的缩醛度以后，产物完全不溶于水参考文献1. 赵德仁著.高聚物合成工艺学.北京:化学工业出版社，19812. 清华大学工化系高分子教研室.高分子化学实验，19793. 王久芬 编.高分子化学实验.北京：兵器工业出版社，19984. 潘祖仁 编 .高

10、分子化学 .北京 :化学工业出版社，20035. .张兴英编 . 高分子科学实验，化学工业出版社， 20041实验2苯丙共聚乳液的制备及性能测试一、实验目的1 .掌握以苯乙烯、丙烯酸酯类为单体，针对目标产物进行聚合实验设计的基本原理。2 .进行不同聚合机理、聚合方法的选择及确定二、实验原理两种或两种以上的单体参加的聚合反应称为共聚。共聚是增加聚合物品种，改善聚合物性能的主要手 段之一。两单体共聚时，由于两单体竞聚率乘积的不同聚合反应可分为理想共聚、交替共聚、非理想共聚 合和 嵌段”共聚。不同的共聚反应类型，共聚物组成的控制各有不同。对有恒比共聚点的体系，在恒比共聚 点投料，控制转化率可合成出组

11、成恒定的共聚乳液。根据要合成的共聚乳液的组成选择补加单体的投料方 法也可合成出组成恒定的共聚乳液。苯乙烯和丙烯酸丁酯共聚60c时r i = 0.698, r 2=0.164 。苯乙烯、丙烯酸丁酯都是按照连锁聚合中的自由基聚合机理进行聚合的。聚合方法可根据需要采用本 体聚合、溶液聚合、悬浮聚合和乳液聚合。三、主要试剂及主要仪器3 乙烯，已精制；丙烯酸丁酯，已精制；OP-10;十二烷基苯磺酸钠；去离子水250 ml三口瓶；冷凝管；量筒；烧杯；玻璃片；试管；恒温水浴；搅拌器；精密电子天平；烘箱；离 心机。四、共聚乳液制备实验设计目标产物：组成基本恒定的苯丙共聚乳液提示：1 .聚合机理及聚合方法自由基

12、共聚乳液聚合2 .聚合配方水单比 2:1 ,引发剂为单体质量的 0.2%0.3%乳化剂为单体质量的 2%3%3 .聚合工艺反应温度:7580c反应时间：3h实验前完成：1 .示意写出共聚物结构。2 .确定聚合机理及聚合方法，写出聚合反应的基元反应。3 .确定聚合反应类型，计算出具体配方。（去离子水用量为 30mL）4 .确定聚合装置及主要仪器，画出聚合装置简图。5 .确定加料方式。6 . 确定工艺流程，并写出实验步骤。五、性能测试以下性能测试项目 1 、 2 为必做，3、 4 项选做一项， 5、 6、 7 项选做一项即可。测试标准GB/T11175-2002 合成树脂乳液试验方法 。1. 乳液

13、外观将 3mL 乳液置于试管中，目测乳液颜色、均一性、透明度，有无分层、有无沉淀；将乳液涂在玻璃板上，目测检查有无粒子和异物。 （试管中的乳液可直接用于稀释稳定性测定）2. 稀释稳定性在试管中加入 3mL 乳液，边搅拌边加入 10mL 去离子水，放置24h 后，观察是否分层或破乳。3. 离心稳定性在离心试管中加入半试管乳液，离心60min ，观察乳液是否分层。4. 钙离子稳定性在试管中加入3mL乳液，滴加0.5%的CaCl2溶液，直至破乳，记录CaC溶液用量。或在 3mL乳液中加1mL0.5%的CaC%溶液静置24h48h若不分层为合格。5. 乳液固含量测定将洁净干燥的培养皿在115 120

14、恒重后， 降至室温， 准确称重。 加入 2g 左右的乳液 （准确至0.0001g） ，加热 2h 恒重后，降至室温，准确称重。计算乳液的固含量。固含量计算公式为： （自己写出）符号表示：G固含量， % ；m1 空培养皿质量， g ；m2 干燥前培养皿和乳液的总质量， g；m3干燥后培养皿和乳液的总质量， g；6. 乳液成膜性和胶膜吸水率测定将洁净干燥的载玻片在80 恒重后，用玻璃棒将乳液涂覆在载玻片上，室温下成膜，观察是成膜性。在烘箱中烘干后降至室温后称重， 再将附有涂膜的载玻片置于水中浸泡24h， 取出后用滤纸吸干表面的水分后称量。涂抹吸水率计算公式为： （自己写出）符号表示： S 涂膜的吸

15、水率， %；m0 载玻片的质量， g ；m1干燥后的涂膜和载玻片的总质量，g ；m2吸水后的涂膜和载玻片的总质量，g 。1滴去离子水，观察7. 胶膜耐水性测定在洁净干燥的载玻片上均匀涂一层乳液，放到烘箱中烘干。在已干透的胶膜上滴 胶膜滴水后白浊化的时间。乳液性能表序号乳液检测项目测试结果1外观2稀释稳定性3离心稳定性(4000 r min-1)4钙离子稳定性5固含量/%6乳液成膜性胶膜吸水率/%7胶膜耐水性/s参考文献1 .赵德彳T著.高聚物合成工艺学.北京:化学工业出版社，19812 .王久芬 编.高分子化学实验.北京：兵器工业出版社，19983 .潘祖仁编.高分子化学.北京:化学工业出版社

16、，20034 .张兴英编.高分子科学实验，化学工业出版社，20045 . GB/T11175-2002合成树脂乳液试验方法实验 3 环氧树脂的制备及性能测试一、实验目的1. 通过双酚 A 型环氧树脂的制备，掌握一般缩聚反应的机理。2. 了解环氧树脂的固化机理及一般粘接及技术。二、实验原理凡分子内含有环氧基的树脂统称为环氧树脂。它是一种多品种、多用途的新型合成树脂，且性能很好，对金属、陶瓷、玻璃等许多材料具有优良的粘接能力，所以有万能胶之称，又因为它的电绝缘性能好、体积收缩小、化学稳定性高、机械强度大，所以广泛的被用作粘接剂，增强塑料（玻璃钢）电绝缘材料、铸型材料等，在国民经济建设中有很大作用。

17、双酚 A 型环氧树脂是环氧树脂中产量最大、使用最广的一个品种，它是由双酚A 和环氧氯丙烷在氢氧化钠存在下反应生成的。从环氧树脂的结构来看，线型环氧树脂的两端带有活泼的环氧基，链中间有羟基，当加入固化剂时，线型高聚物就转变为体型高聚物，一般常用的固化剂有多元胺和酸酐类，如乙二胺、间苯二胺、三乙烯二胺和邻苯二甲酸酐等。固化反应可在室温或加热下进行。实验仪器及试剂三口瓶1个回流冷凝管1个减压蒸馏装置1套电动搅拌器1套恒温水浴1套分液漏斗1个滴液漏斗1个油浴1个量筒（ 10ml 、 50ml ）各 1 个烧杯 （ 50ml ）各 1 个温度计（ 0100 ） 1 支移滴管1 个苯60ml环氧氯丙烷若干

18、双酚A若干氢氧化钠若干邻苯二甲酸二丁酯若干乙二胺若干玻璃片若干螺旋夹若干四、实验步骤1. 双酚 A 型环氧树脂的制备将 12克双酚 A 和 14克环氧氯丙烷依次加入装有搅拌器、滴液漏斗和温度计的 250mL 三口瓶中。用水浴加热，并开动搅拌器，使双酚A 完全溶解，当温度升至55时，开始滴加20mL20% 的 NaOH 溶液（滴加速度要慢） ，约 0.5h 滴加完毕。此时温度不断升高，必要时可用冷水冷却，保持反应温度5560 滴加完毕后， 继续保持 5560， 反应 3h 。此时溶液呈乳黄色。 直接在前面反应制备的乳黄色的溶液中接入苯30mL ，搅拌，使树脂溶解后移入分液漏斗，静置后分去水层，再

19、用水洗两次，将上层苯溶液倒入加压蒸馏装置中。2. 环氧树脂的提纯将上述减压蒸馏装置中的混合物先在常压下蒸去苯，然后在减压下蒸馏以除去所有挥发物，直到油浴的温度达到 130 而没有馏出物时为止，趁热将树脂倒出，冷却后得琥珀色透明粘稠的环氧树脂。3. 粘接技术将玻璃片用铬酸洗液浸泡1015min ，洗干后烘干，称取5 克环氧树脂，加入 23 滴邻苯二甲酸二丁酯和一定量的（按过量10%计算）乙二胺于小烧杯中，用玻璃棒搅匀后，在玻璃片上涂一薄层，然后将玻璃片用螺旋夹夹紧，在室温下放置48小时后，在105c烘箱内烘1h或4080c烘箱中烘3h,用于测试粘接强 度。五、 思考题1. 写出双酚 A 型环氧树

20、脂制备过程的化学反应式。2. 用反应方程式表述环氧树脂的固化反应机理（固化剂用乙二胺固化） 。参考文献1. 潘祖仁 编 . 高分子化学.北京: 化学工业出版社， 20032. 王久芬 编.高分子化学实验.北京:兵器工业出版社， 1998实验4液体常用工程物性参数的测定液体的粘度、浊度、表面张力、气液平衡常数是常用的液体工程物性参数。该综合实验要求学生掌握 多种液体常用工程物性参数的测定技能，了解表面张力仪、浊度仪、粘度计、气液平衡仪等多种仪器使用 方法，培养学生进行数据采集，数据分析，数据处理，误差分析和线性回归等处理能力和分析能力。实验4.1液体粘度的测定一、 实验目的掌握旋转法测定液体粘度

21、的原理和旋转粘度计使用方法。二、实验原理采用旋转粘度计测定流体的粘度，将被测液体放于烧杯中，用温度计测定液体温度，然后将被测液体 放置在同轴套筒的环隙。其基本原理是外筒静止，内筒在同步马达的驱动下以恒定的角速度旋转，由于液 体的粘性作用，产生和旋转方向相反的剪切应力作用在内筒的表面上，通过弹簧的偏离就可以测量作用在 内筒上的力矩，该力矩被电位计检测，通过刻度盘读数或电位数值，计算出液体粘度，显示板上数字即为 被测液体粘度。三、实验装置旋转粘度计仪器结构简图如图1-1所示。主要分为两部分测试系统又包括同轴套筒和锥板。测试系统和读数系统本仪器为精密仪器，测定时要注意以下几点：（i）内筒是精密零件，

22、不允许有任何变形，表面不能有任何刻痕。因此在搬动时要轻拿轻放；在测试时， 安装以及取下外简要沿垂直方向运动与内筒摩擦或碰撞。图4-1旋转粘度计测试装置1-测试系统；2-读数系统；3-内筒；4-恒温水浴槽；5-外筒：6- 扭矩转换开关； 7- 马达转速显示盘；8-马达转速控制杆；9-马达转速转换开关； 10-读数盘；11-马达启动开关；12-读数开关( 2)测试时要严格遵照操作规程。测量时，先选好马达转速，启动马达待稳定后，启动读数开关。关闭时相反，先关闭读数开关，再停止马达运转。若要测定同一样品在不同剪切速率的粘度(如测非牛顿流体粘度 )，必须先停止马达运转，然后选择马达转速，再启动马达；切不

23、可在马达未停止转动的情况下，直接拨动马达转速控制杆。( 3)选择合适测试系统的原则：尽量让测试时指针所指示的刻度越大越好，因为此时液体粘度的相对误差较小。但要注意指针不能超过满刻度，若超过满刻度，必须马上停止马达运转，将扭矩转换开关由I转向n。不准在运转的条件下直接拨动扭矩转换开关。( 4)测试完后，倒掉测试溶液，将内、外筒清洗干净，清洗时注意不要让内、外筒表面受损。保持整个仪器于净、整洁。四、实验步骤(1) 估计被测液体的粘度，按仪器提供的技术参数选择合适的测试系统。(2) 接通恒温水浴电源，使恒温水浴运转并将循环水接入保温筒内。(3) 根据所选系统，确定待测某一浓度的甘油溶液(牛顿流体)的

24、量并加入外筒中，然后将外筒置于保温水浴中。(4) 固定扭矩转换开关6 和马达转速转换开关9，通过控制杆8 选择马达转速，然后按下马达启动开关11，此时内筒旋转，待系统稳定(约 5min) 后，按下读数开关12，记下刻度盘上的读数。再关闭读数开关12，关闭马达旋转开关11。(5) 改变恒温水浴温度，重复上述操作。(6) 配制浓度为 0.1-0.5的聚乙烯醇溶液(非牛顿流体 )，重复上述操作。(7) 用同一浓度的聚乙烯醇溶液测定不同温度下的粘度。五、数据处理记录不同温度下被测定液体的粘度值，每个温度测定五次，并进行误差分析，最后进行线性分析，作粘度-温度图。六、思考题(1) 列出至少三个工程计算应

25、用粘度数据的实例。(2) 粘度测定中的误差来源主要有哪些?实验 4.2表面张力的测定一、实验目的掌握拉环法测定液体表面张力的原理和表面张力仪的使用方法。2、 实验原理被测液体置于玻璃皿中，金属环放在液面上与润湿该金属环的液体相接触，则把金属环从该液体拉出所需的拉力 P， 是由液体的表面张力， 环的内径及环的外径所决定的。 设环被拉起时它带着一个液体的圆柱，将环拉出液面所需之总拉力等于液柱的重量：mg=2Tt b R' +2兀 b (R' +2r)=4 兀 <r (R' +2r)= 4 兀 (rR其中，m为液柱之质量；b是液体的表面张力；R'是环的内半径；r

26、为环丝半径；R是环的平均半径， 即 R=R+R 。实际上，上式是理想的情况，与实际情况有一定差别，因为被环拉起的液体并非是圆柱形。实验证明，环所拉起的液体之形状是R3/V 和 R/r 的函数，同时也是表面张力的函数。因此，必须乘上校正因子 F 才能得到正确结果。校正方程为：(r=PF/ 4 ttR3、 实验步骤JZ-200A 自动界面张力仪是用物理方法代替化学方法测试液体的表面和界面张力的仪器， 本仪器主要有机壳、测试室、试样杯、升降机构及控制系统、微力传感器及张力测量显示系统等组成。实验步骤如下：(1) 先取两个 100ml 容量瓶，配制O.80、 0.50mol/l 正丁醇水溶液。然后再取

27、6 个 50ml 容量瓶，用已配制的溶液，按逐次稀释方法配制 0.40、 0.30、 0.20、 0.10、 0.05、 0.02mol/l 。正丁醇水溶液。(2) 把铂金环和玻璃杯进行很好的冲洗。先在石油醚清洗铂丝圆环，接着用丙酮漂洗，然后烘干铂丝圆环。在处理铂丝圆环时要特别小心，以免铂金环变形。然后将铂金环挂在测试室的小钩上。(3) 仪器放在平稳的台面上，调节螺旋仪器至水平。将电源插头插在具有可靠接地的外部电源插座上，打开电源开关，稳定15 分钟,调零。(4) 铂金环浸入到液体中 5-7mm 处，按 “” 停止，此时若需要峰值保持则可按 “峰值 ”键，再按 “ 键，” 显示值将逐渐增大，最

28、终保持在最大值，该最大值就是液体的实测表面张力值P,然后按“喊停止，最大值被记录后按 “复位 ”键。(5) “调零 ”旋钮 ,准备工作完毕后在开始试验前，应将显示调为 “ 00 0” ，对于同一试样在短时间内连续做多次试验，其间勿需调零(试验前调一次) 。因为铂金环一旦沾上液体，质量就发生变化，不能调出实际零点。对于界面张力测定，每次试验前都必须对铂金环进行净化、烘干处理。无论是表面张力还是界面张力测定，调零时拉环需要经过净化处理。(6) 更换另一浓度的溶液，按上述方法测定表面张力。(7) 记录测定时的室温。(8) 测定完毕后，取下铂丝环，清洗干净，玻璃杯也要洗干净。 四、思考题(1) 常用测

29、定表面张力有哪些方法 ?(2) 本实验测定数据的精度取决于哪些因素 ?(3) 拉环法测表面张力有什么优缺点 ? 五、 实验数据( 1)求校正因子F=0.7250+0.01452PL2 ：00.045341.679R r式中P 刻度盘的读数;L 环的周长，cm ;0溶液密度(25C时)，g/cm3 ; R 环的内半径，cm；r _钳丝的半径，cm °d。cZ(2)绘出 c图，在曲线上选取 68点作切线求出斜率 Z= dc值。由= RT计算不同浓度溶液 的表面吸附量值，并作rc图。(3)比较不同浓度下 仃及的变化实验4.3二元系统汽液平衡数据的测定许多体系平衡数据从资料找查，但这往往是在

30、特定温度和压力下的数据。随着新产品，新工艺的开发, 许多系统的平衡数据还未有前人测定过，这都需要通过实验测定以满足工程计算的需要。此外，在溶液理 论研究中提出了各种各样描述溶液内部分子间相互作用的模型，准确的平衡数据是对这些模型的可靠性进 行检验的重要依据。图4-2循环法测定气液实验目的(1) 了解和掌握用双循环汽液平衡器测定二元汽液平衡数据的方法。(2) 了解缔合系统汽-液平衡数据的关联方法，从实验测得的T- p-x-y数据计算各组分的活度系数。(3)学会二元汽液平衡相图的绘制。实验原理a、b容器中的组成不随时间而变化，这时从以循环法测定汽液平衡数据的平衡器类型很多，但基本原理一致，如图4-

31、2所示。当体系达到平衡时,a和b两容器中取样分析，可得到一组汽液平衡实验数据。三、实验装置本实验采用改进的日lis汽液两相双循环型蒸储器，其结构如图4-3所示。改进的日lis蒸储器测定汽液平衡数据较准确，操作也较简便，但仅适用于液相和气相冷凝液都是均相 的系统。温度测量用分度为0.1 C的水银温度计。本实验装置的平衡釜加热部分的下方，有一个磁力搅拌器,电加热时用以搅拌液体。在平衡釜蛇管处的外层与汽相温度计插入部分的外层设有上下两部分电热丝保温。 另还有一个电子控制装置，用以调节加热电压及上下两组电热丝保温的加热电压。分析测试汽液相组成时，用化学滴定法。每一实验组配有2个取样瓶，2个lmL的针筒

32、及配套的针头,配有1个碱式滴定管及1架分析天平。实验室中有大气压力测定仪。 四、实验步骤(1)加料，从加料口注入配制好醋酸 -水二元溶液。图4-3改进的曰lisi汽液循环蒸储器1-蒸储釜；2-电加热丝；3-蛇管；4-液体取样口； 5-进样口； 6-平衡温度计；7-气相温度计；8-蒸气导管；9, 10-冷凝器； 11-冷凝液回路；12-贮器；13-气相凝液取样口； 14-放料口(2)加热，接通加热电源，调节加热电压约在 150-200V左右，开启磁力搅拌器，调节合适的搅拌速度。缓慢升温加热至釜液沸腾时，分别接通上、下保温电源，其电压调节在10-15V左右。(3)温控，溶液沸腾，气相冷凝液出现，直

33、到冷凝回流。起初，平衡温度计读数不断变化，调节加热 量，使冷凝液控制在每分钟60滴左右。调节上下保温的热量，最终使平衡温度逐渐稳定，气相温度控制在比平衡温度高 0.5C1C左右。保温的目的在于防止气相部分冷凝。平衡的主要标志由平衡温度的稳定加 以判断。(4)取样，整个实验过程中必须注意蒸储速度、平衡温度和气相温度的数值，不断加以调整，经0.5h1h稳定后，记录平衡温度及气相温度读数。迅速取约8mL的气相冷凝液及液相读取大气压力计的大气压力。于干燥、洁净的取样瓶中。(5)分析，用化学分析法分析气、液两相组成，每一组分析两次，分析误差应小于0.5%,得到WHAcg及Whacl两相质量百分组成。(6

34、)实验结束后，先把加热及保温电压逐步降低到零，切断电源，待釜内温度降至室温，关冷却水，整 理实验仪器及实验台。五、实验数据(1)平衡温度校正测定实际温度与读数温度的校正：(4-5)t实际观+0.00016 n(t观-t室)t观：温度计指示值t室：室温 n：温度计暴露出部分的读数沸点校正：(4-6)tP = t 实际 +0.000125(t+273)(760 -Pa)tP：换算到标准大气压(0.1MPa)下的沸点。Pa:实验时大气压力(换算为mmHg, lmmHg=133 Pa)(2)将tP, WhAc气，WHAC液输入计算机，计算表中参数。表4-1计算数据一览表0Pa0 nB0 nAnA1nA

35、2nBYA(3)在二元汽液平衡相图中，将本实验附录中给出的醋酸一水二元系的汽液平衡数据作成光滑的曲线,并将本次实验的数据标绘在相图上。六、预习与思考(1)为什么即使在常压、低压下，醋酸蒸气也不能当作理想气体看待？(2)本实验中汽液两相达到平衡的判据是什么？(3)设计用0.1mol/L NaOH标准液测定汽液两相组成的分析步骤、并推导平衡组成计算式。(4)如何计算醋酸-水二元系的活度系数？(5)为什么要对平衡温度作压力校正？(6)本实验装置如何防止汽液平衡釜闪蒸、精储现象发生？如何防止暴沸现象发生 ？七、结果及讨论(1)计算实验数据的误差，分析误差的来源。(2)为何液相中HAc的浓度大于气相？(

36、3)若改变实验压力，汽液平衡相图将作如何变化，试用简图表明。(4)用本实验装置，设计作出本系统汽液平衡相图操作步骤。八、主要符号说明n一组分的摩尔分数；L-活度系数；p压力；"-气相中组分的真正摩尔分数。0p 饱和蒸汽压；t 摄氏温度；x 液相摩尔分数；y-气相摩尔分数。下标：A1、A2 混合平衡气相中单分子和双分子醋酸；A、B 分别表示醋酸与水。附录1醋酸-水二元系汽液平衡数据的关联表4-2醋酸-水二元系汽液平衡数据表Not/CXHAcY HAcNot/CX HAcY HAcNot/CX HAcY HAc1118.11.001.005107.40.700.5479102.20.30

37、0.1992115.20.950.906105.70.600.45210101.40.200.3163113.10.900.8127104.30.500.35611100.30.050.0374109.70.800.6648103.20.400.2741210000附录2醋酸-水二元系汽液平衡数据的关联在处理含有醋酸 一水的二元汽液平衡问题时，若忽略了汽相缔合计算活度，关联往往失败，此时活度系数接近于1,恰似一个理想的体系，但它却不能满足热力学一致性。如果考虑在醋酸的气相中有单分子、两分子和三分子的缔合体共存，而液相中仅考虑单分子体的存在，在此基础上用缔合平衡常数对表观蒸气 组成的蒸气压修正后

38、，计算出液相的活度系数就能符合热力学一致性，并且能将实验数据进行关联。为了便于计算，我们介绍一种简化的计算方法。首先，考虑纯醋酸的气相缔合。认为醋酸在气相部分发生二聚而忽略三聚。因此，气相中实际上是单分子体与二聚体共存，它们之间有一个反应平衡关系，即2HA (=(HAc)2缔合平衡常数P22K2= pi；"；(4-7)其中VI、叮：为气相醋酸的单分子体和二聚体的真正摩尔分数，由于液相不存在二聚体，所以气体的压力是单体和二聚体的总压，而醋酸的逸度则是指单分子的逸度，气相中单体的摩尔分数为时,而醋酸逸度是校正压力，应为ffA= p 1(4-8)?与n1、n2的关系如下:n11, (n1

39、- n2)(4-9)现在考虑醋酸 一水的二元溶液，不计入H2。与HAc的交叉缔合，则气相就有三个组成:HAc(HAc%？。所以(4-10)11 (n1n2 nH2O)气相的表观组成和真实组成之间有下列关系:(n12n2) n总n1 2n2(4-11)yA _ (n +2n2 +nH2o),；n总 _ n十 2n2 +nH2。将n1 +n2 +nH2。=1的关系代人上式，得2 2(4-12)、A=1 =2利用(1-11)和(1-12)经整理后得:K2p 12(2 7a)1 7a =0(4-13)二次方程解法求出1 ,便可求得 2和H2O=K2p 12H2O1-( 12)(4-14)醋酸的缔合平衡

40、常数与温度 T的关系如下:(4-15)lgK2 = - 10.4205 + 3166 T由组分逸度的定义得:fA_ pyA?A, p 1对于纯醋酸,?a =1 yA?H2O =H2O. yH2OyA =1.0 _0A 一 1 ；因低压下的水蒸气可视作理想气体，故(4-16)'0 c = 1.0H2O，其中1可根据纯物质的缔合平衡关系求出:=0 p ( 10)210 - 2-1(4-17)K2pA ( 10)210 -1 = 0二次方程可得10(4-18)(4-19)(4-20)(4-21)利用汽液平衡时组分在气液二相的逸度相等的原理，可求出活度系数HAc=P i = P0 0为 i P

41、 jPHac I"'H2O = P H2O. Ph2O XH2O 00饱和蒸汽式中压PHAc, PH2O可由下面二式得：1416.7log pHac =7.1881-t 211°1636.909log PH2O =7.9187t 224.92实验 5 搅拌混合及固液分离实验实验目的1 . 熟悉固、液混合及过滤设备的结构。2 .掌握混合、过滤整个过程的操作及混合、过滤方法的选用。3 .培养学生观察问题、分析问题、解决问题的能力。二、实验基本原理1 . 混合、过滤基本原理：混合主要采用机械搅拌操作，即搅拌器在电机带动下，在液体中作旋转运动的过程，搅拌器的作用和泵的叶轮相

42、同，也是向液体提供能量，促使液体流动。搅拌是在搅拌釜中进行的，所以液体只能在釜内作某种循环运动。若流体处于湍流状态， 则除总体流动外， 微观上还有无数多个 “流体团 ” ， 质点在作杂乱无章的不规则运动，也即湍流运动，虽然总体流动的方向是一致向前的，而组成总体流动质点的湍流运动大小、方向是不断变化的。湍流是由大量的旋涡组成的，在搅拌作用下高度湍流中高速旋转的旋涡与液体微团之间会产生很大的相对运动和剪切力，在这种剪切力的作用下，液团被粉碎的更加细小。液体的破碎并不是搅拌器直接打击的结果，搅拌器的作用，只是将机械能传给液体，造成一个高度湍流的总体流动，液体的破碎不是发生在搅拌器的浆液上，主要发生在

43、搅拌釜内高度湍流的区域。过滤是以某种多孔性物质为介质来处理悬浮液使固、液分离的操作。在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道，而固体颗粒被截留下来，从而实现固、液分离。过滤介质是滤饼的支承物，它是过滤机的主要组成部分，整个过滤系统的性能取决于过滤介质的性质及它与流入物料之间的相互作用。介质的过滤特性在于其渗透性和阻挡性，没有过滤介质不可能进行过滤操作。在过滤过程中，由于固体颗粒不断被截留，在介质表面上，形成滤饼，随着滤饼厚度增加，流体流过固体颗粒之间的孔道加长，而使流体阻力增大，故在恒压过滤时过滤速度不断下降，由于滤饼也起到了过滤介质的作用，过滤效果提高。2 . 搅拌器的分类：液体搅拌是在容

44、器（搅拌釜）中，通过搅拌器实现的。 搅械包括 ：搅拌器、传动装置减速；搅拌器主要有叶轮式、涡轮式、锚式等。3 . 过滤的分类：过滤分恒压过滤和恒速过滤，上面讲的是恒压过滤，过滤压力不变，过滤速度下降，另一种是恒速过滤，即保持过滤速度不变，必须不断增加滤饼两侧的压差。4 .影响搅拌效果的主要因素流动状态因素：如流动类型、对流循环、湍流扩散、剪切流等。物性因素：粘度或粘度差、密度或密度差、分子扩散系数、粒径、表面张力、比导热系数、非 牛顿流体的流变性等。操作条件：叶轮形式、转速、溶质加入量、加入速度、分散状况和加入位置等。几何因素：连续式或间歇式、溶质加入方式、叶轮及槽内构件集合形状，相对尺寸和安

45、装方式 等。5 .过滤介质的选择过滤介质选择时，主要考虑滤液的澄清度、过滤速率、化学稳定性及工作寿命，其次考虑其经济性。卜表给出各类介质所能截留的最小颗粒及物化性质数据，供选用参考。表5-1各类介质所能截留的最小颗粒举例截留的最小颗粒直径滤布天然及人造纤维编织滤布10滤网金属编织滤网75非编造纤维介质纤维素为材料的纸5玻璃纤维为材料的纸2毛毡10多孔性塑料薄膜0.005表5-2各种纤维的物理、化学性质名称破裂伸长抵抗磨损耐最局温度K耐酸 性耐碱 性耐氧化性耐溶剂性棉36可366不良可优38优394可优可优丙烯1.83良422良可良优羊毛1.6可366可不不不玻璃纤维36不580优不优良6 .搅

46、拌功率与泵相同，搅拌器所消耗的功率用于向液体提供能量。影响搅拌功率的因素很复杂，大致可分为几何因素与物理因素。几何因素：1搅拌器直径d;2搅拌器叶片数、形状 及叶片长度l以及宽度B；3容器直径D;4容器中所装液体的高度 ho5搅拌器距容器底部的距离hl；6挡板的数目及宽度 b.影响搅拌的物理因素也很多，均相密度p粘度心装速n。N = K：n3d5用实验可以测得K值与搅拌雷诺数的关系，把它们绘在双对数坐标纸上标绘所得曲线成功率曲线曲坡看曲蝴b三£h2.5-6 jum 左仲5 W5 ICH 5肥.廿中'M图39典型慢摔器的功率曲线f至指板条件）7 .过滤万程式过滤方程式的一般形式

47、为：dV A2 pJdu -r°C（V Ve）式中：V滤液量，m3；0过滤日间,s;A P过滤压力降，Pa;A过滤面积,m3;科一一滤液粘度，PaS;C滤饼体积与相应的滤液体积之比，m3滤饼/m3滤液;r0单位压力差下滤饼比阻，1/m3;一、 1；3表不为： 二-2KS（1 - ；）2Ve过虑介质的当量滤液体积，m3;S滤饼压缩指数。恒压过滤时，对上式积分可得:（a）（q+qe 2 =K（e ）式中：q 单位过滤面积的滤液量，m3/m2;qe单位过滤面积的虚拟滤液量，m3/m 2;、一一得到滤液体积 Ve ,相应的过滤时间，s;K过滤常数，m2/s,由物料特性及过滤压差所决定，表示为

48、1K =2k P12尸1，r0cs滤饼压缩指数。由恒压过滤方程可以计算在过滤设备、过滤条件一定时，过滤一定滤液量所需要的时间，或者在过 滤时间、过滤条件一定时为了完成一定生产任务，所需要的过滤设备大小。利用恒压过滤方程计算时，首 先需要知道K、q、Oe等过滤常数，它们只有通过实验才能确定。在一定压差下进行过滤操作，测定过滤时 间及相应的滤液量，再进行如下处理：（1）将式（a）微分并整理，可得：di222（q+qe）dq=Kde 即石=Kq+Kq将上式改变为差分式:22二一q -qKK方程的形式，在普通坐标纸上用AH/Aq为纵坐标，q为横坐标作图，可以得到一直线，其斜率为2/K ,截距为2qe/

49、K,由此可求得K、qe,再由q2 =K9求出0（2）将（a）式变成如下形式：qe由此式可知，在普通坐标纸上，9/q- q为一条直线，其斜率为 1/K,截距为2q/K ,由直线的斜率和截距即可求得K及qe。若把在恒压过滤前的时间骨已通过单位过滤面积的滤液为q1 ,则由（a）式可得：（q +qe 2 = K（4） 并与（a）联立得:1 - Fq -qi1 /、2(q qi) qeKK上式表明（q+qD与 吐旦为直线关系，从而能方便地求出过滤常数K和qe。q - qi改变实验所用的过滤压差AP,可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数，得：lgK=（1-s）lg P+lg（2k）当k为常数时，在双对

50、数坐标纸上标绘出K与H应是一条直线，直线的斜率为（i-s）,截距为（2k）,从而求得s和k.三、实验装置板框过滤实验装置如下图:图5-1混合、过滤实验装置1水槽2水泵3真空罐4量杯5混合槽6搅拌电机7调速器8气液分离器9真空表10水流真空泵混合、过滤实验装置如图 5-1,由真空系统、滤浆混合槽、过滤器、滤液计量筒等组成，可进行固液混 合、真空过滤操作过程。碳酸钙悬浮液（可用其它物质）在滤浆桶内按一定比例配制后，用电动搅拌器搅拌，搅拌时可用不同 搅拌器，以不同转速、不同角度、不同位置对料浆进行搅拌，以保证料浆混合均匀并防止碳酸钙沉淀，打 开真空系统的水泵，使真空系统有一定的真空，滤浆在大气压力作

51、用下进入过滤器，碳酸钙颗粒截留在滤 布上形成小饼，滤液通过气液分离器流入计量筒中。过滤完毕后，滤饼可用水洗涤和空气吹干。所用设备及仪器规格如下：1 .水泵 n=2800rpm,N=120w2 .搅拌电机Hp1.5;3 .真空表 精度0.4级 量程00.16Mpa精度1.5级 量程00.4Mpa4 .滤浆槽 D=300mm5 .水 槽 直径 D=125mm ,高 h=450mm6 .过滤器 直径D=60mm7 .秒表。四、实验步骤1、配制滤浆，用碳酸钙粉末配制滤浆，配制一桶，比重约在1.058左右，使用前搅拌以防止沉淀，并观察不同搅拌条件下的搅拌效果，包括不同搅拌器、不同位置（上、下、左、右）

52、、不同角度、不同转速等。8 、安装好过滤器。9 、打开真空系统循环水泵，当真空过到一定数值后进行过滤。10 调好过滤真空并维持恒压，即开始进行过滤，待滤液流出时，用两只秒表交替地测量流出一定体积滤液所需时间（一般是清液每增加1cm,记录一次时间），实验过程中要使压力稳定在5X 104Pa左右。11 当滤液量很少，滤渣已充满滤框后，过滤阶段结束；12 若需洗涤或要求洗涤速率和过滤最终速率的关系时，可将过滤器通入水槽中洗涤，并记录下洗涤水量和时间；13 若需吹干滤饼，则取出过滤器，继续抽滤，通入空气；14 拆开过滤器，取出滤饼。五、实验报告要求1 .以 丝q或Qq作图，求过滤常数K、q、A也可利用

53、最小二乘法计算过滤常数； :qq2 .写出完整的恒压过滤方程式；3 .求出洗涤速率并与过滤终了时速率比较。4 .计算搅拌功率。六、思考题1 .过滤开始时，为什么滤液浑浊？2 .过滤介质选择有什么原则？恒压过滤时，要提高过滤效率，可采取哪些措施？3 .当操作压力增加一倍时，其 K值是否增加一倍？要得到同样的滤液量，其过滤时间是否缩短一半。4 .混合中搅拌器如何选择？不同位置、不同角度等条件变化，搅拌有作用有什么不同？5 .加压过滤和真空过滤有什么不同？实验 6 减压蒸馏装置计算机仿真1、 实验目的1. 了解石油炼制常压减压蒸馏装置、工艺流程及操作工艺参数；2. 掌握化工工业中生产的一般工艺过程和工艺流程；3. 通过实验学习了解化工生产中的一些相关参数的确定；4. 掌握石油炼制常压减压蒸馏的原理；5. 学习掌握化工生产的一些操作规则和操作要领。2、 装置概述及工艺流程说明1 . 装置概述装置主要设备有30 台，各类设备参数如下。(1) 加热炉2 台常压炉：1 台，138 160 000kJ/h减压炉：1 台，75