實(shí)驗(yàn)1　水飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)的測定

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1.測定水在不同溫度下飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)。

2.運(yùn)用經(jīng)典的蒸氣壓計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，對比實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值之間的差異，對不同的經(jīng)驗(yàn)公式有一定了解，方便以后選用合理的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

3.通過實(shí)驗(yàn)，了解高壓釜的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)原理

對于很多專業(yè)的工程技術(shù)人員來說，進(jìn)行蒸汽平衡計(jì)算是經(jīng)常碰到的事情。尤其在石油化工廠的新建、擴(kuò)建和改建工程中，對于單套裝置或全廠的蒸汽進(jìn)行平衡計(jì)算，是技術(shù)人員應(yīng)該具備的基本素養(yǎng)。目前的蒸汽平衡計(jì)算主要以利用計(jì)算機(jī)軟件輔以手工計(jì)算為主，因此，有必要對蒸汽平衡計(jì)算的思路加以說明。

石油化工廠的生產(chǎn)工藝在熱能利用方面有以下特點(diǎn)：

①需要蒸汽來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、泵或風(fēng)機(jī)。

②需要不同等級的蒸汽來加（伴）熱和作為生產(chǎn)原料。

③可以回收大量余熱，用以產(chǎn)生副產(chǎn)蒸汽或加熱給水。

④可以回收大量的蒸汽冷凝水。

⑤一些大型石油化工廠還設(shè)有自備電站，滿足裝置部分用電。

石油化工廠的蒸汽系統(tǒng)一般包括以下部分：母管、鍋爐、余熱鍋爐、汽輪機(jī)、除氧器、閃蒸罐、減溫減壓器、工藝蒸汽用戶、放空消聲器等。

在進(jìn)行蒸汽平衡計(jì)算時(shí)，由于習(xí)慣不同，一般采用蒸汽平衡表或蒸汽平衡圖，將蒸汽系統(tǒng)中的各部分表示出來。在蒸汽平衡表中，按照不同蒸汽等級的產(chǎn)汽設(shè)備、用汽設(shè)備，分別列出其產(chǎn)汽量、用汽量，各等級蒸汽的產(chǎn)、用汽量必須相等。在蒸汽平衡圖中，需按蒸汽等級畫出各級蒸汽母管，再按照蒸汽系統(tǒng)中的各主要部件所產(chǎn)生或消耗的蒸汽參數(shù)，在相應(yīng)的蒸汽母管下畫出這些主要部件，然后經(jīng)過計(jì)算調(diào)整，使各級蒸汽母管的進(jìn)、出蒸汽量相等。

蒸汽平衡計(jì)算過程參見圖3-1。在計(jì)算過程中，經(jīng)常會(huì)遇到蒸汽溫度、壓力之間的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)主要通過實(shí)驗(yàn)研究飽和蒸汽溫度、壓力之間的關(guān)系，并將之與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，增進(jìn)學(xué)生對不同經(jīng)驗(yàn)公式的認(rèn)識(shí)，方便以后選用合理的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

以下介紹幾種常用的經(jīng)驗(yàn)公式。

（1）克拉佩龍-克勞修斯方程

該方程是以理論概念為基礎(chǔ)，表示物質(zhì)相平衡的關(guān)系式，它把飽和蒸氣壓隨溫度的變化、體積的變化和過程的熱效應(yīng)三者聯(lián)系起來，方程如下：

　　 （3-1） 　　

式中　T——循環(huán)的溫度；

dT——循環(huán)的溫差；

——從相態(tài)α到相態(tài)β的相變熱；

——從相態(tài)α到相態(tài)β比容的變化量；

p——飽和蒸氣壓。

該方程不但適用于水的汽化，也適用于冰的升華。

（2）卡末林-昂尼斯方程

實(shí)際的蒸汽和理想氣體不同，原因在于氣體分子本身具有體積，分子間存在吸引力?？┝?昂尼斯氣體狀態(tài)方程考慮了這種力的影響。卡末林-昂尼斯于1901年提出了狀態(tài)方程的維里表達(dá)式：

pV=RT（1+B'p+C'p2+D'p3+…）　?。?-2）

這些維里系數(shù)都可以通過實(shí)驗(yàn)測定，其中的第二和第三維里系數(shù)都已經(jīng)有了普遍的計(jì)算公式。

一般在我們所討論的溫度范圍內(nèi)，第四維里系數(shù)可以不予考慮。

（3）Goff-Grattch飽和蒸氣壓公式

從1947年起，世界氣象組織就推薦使用Goff-Grattch蒸氣壓方程。該方程是以后多年世界公認(rèn)的最準(zhǔn)確的公式。它包括兩個(gè)公式，一個(gè)用于液-汽平衡，另一個(gè)用于固-汽平衡。

對于水平面上的飽和蒸氣壓：

　　 （3-3） 　　

式中　T0——水三相點(diǎn)溫度，273.16K。

對于冰面上的飽和蒸氣壓：

lgpi=9.096936（1-T0/T）-3.56654lg（T0/T）+0.87682（1-T/T0）+0.78614　　（3-4）

式（3-3）、式（3-4）為1966年世界氣象組織發(fā)布的國際氣象用表所采用。

（4）Wexler-Greenspan蒸氣壓公式

1971年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的Wexler和Greenspan根據(jù)25～100℃范圍水面上飽和蒸氣壓的精確測量數(shù)據(jù)，以克拉佩龍-克勞修斯方程為基礎(chǔ)，結(jié)合卡末林-昂尼斯方程，經(jīng)過簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算并參照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作了部分修正，導(dǎo)出0～100℃范圍水面上飽和蒸氣壓的計(jì)算公式，該式的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本符合。

　　 （3-5） 　　

式中常數(shù)項(xiàng)的個(gè)數(shù)n一般取4～8，例如n為4時(shí)，各項(xiàng)系數(shù)為：

C0=-0.60436117×104；C1=0.1893292601×102；C2=-0.28244925×10-1；

C3=0.17250331×10-4；C4=0.2858487×10

（5）飽和蒸氣壓的簡化公式

上述的飽和蒸氣壓公式均比較繁雜，為了適應(yīng)大多數(shù)工程實(shí)踐需要，特別是利用計(jì)算機(jī)、微處理器編程的需要，總結(jié)了一組簡化飽和蒸氣壓公式。對于水面飽和蒸氣壓：

lnpw=（10.286T-2148.4909）/（T-35.85）　?。?-6）

對于冰面飽和蒸氣壓：

lnpi=12.5633-2670.59/T　?。?-7）

上式與Goff-Grattch公式和Wexler-Greenspan公式的最大相對偏差小于0.2％。

（6）安托因（Antoine）方程

一般的化工計(jì)算中，也常用安托因方程計(jì)算飽和蒸氣壓：

　　 （3-8） 　　

式中，對水而言，A=17.4285，B=3816.44，C=227.02，該式適用溫度范圍為284～441K。

三、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過程中可采用不銹鋼釜式反應(yīng)器（見圖3-2）測定不同溫度下水的飽和蒸氣壓。

不銹鋼釜式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、加工方便；具有耐高溫、耐腐蝕、生產(chǎn)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，釜內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，釜外常設(shè)傳熱夾套，傳質(zhì)和傳熱效率均較高；在攪拌良好的情況下，釜式反應(yīng)器可近似看成理想混合反應(yīng)器，釜內(nèi)濃度、溫度均一，化學(xué)反應(yīng)速度處處相等；釜式反應(yīng)器操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，便于控制和改變反應(yīng)條件，尤其適用于小批量、多品種生產(chǎn)。因此，不銹鋼釜式反應(yīng)器在醫(yī)藥、飲料、化工、顏料、樹脂等工業(yè)部門有著廣泛的應(yīng)用。

不銹鋼反應(yīng)釜通常由釜體、釜蓋、攪拌器、加熱夾套、加熱（冷卻）蛇管、支承及傳動(dòng)裝置、軸封裝置等組成。釜體、釜蓋、攪拌器、軸封等通常均由不銹鋼制作。

釜體與釜蓋由法蘭密封連接，釜體下部設(shè)有放料口，釜內(nèi)有攪拌器，釜蓋上開設(shè)進(jìn)料口、攪拌觀察口、測溫測壓口、蒸汽引出分餾口、安全放空等工藝接口。

釜蓋上部設(shè)置支架，其上安裝攪拌電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)，驅(qū)動(dòng)釜內(nèi)攪拌器完成攪拌功能。在攪拌軸與釜蓋之間通過機(jī)械密封達(dá)到軸封的目的。

【設(shè)備參數(shù)】

（1）不銹鋼高壓釜

體積：V=2.0L。

最高允許操作壓力：pmax=9.8MPa。

最高使用溫度：300℃。

攪拌轉(zhuǎn)數(shù)：0～750r/min。

電動(dòng)機(jī)功率：600W。

加熱功率：1.5kW。

控溫精度：0.5％FS。

（2）氣體背壓閥

入口壓力：pmax=15.0MPa。

出口壓力：p=0.3～10.0MPa。

工作溫度：≤100℃。

接管外徑：ф3mm。

使用介質(zhì)：純凈氣體、液體。

（3）AI人工智能調(diào)節(jié)器

測量精度：0.5％FS。

（4）BT300S蠕動(dòng)泵

流量范圍：0.006～1340mL/min。

轉(zhuǎn)速范圍：350r/min。

轉(zhuǎn)速分辨率：0.1r/min。

功率：<50W。

外控輸入電平：12V。

外控模擬量：0～5V。

【流程圖】

飽和蒸氣壓數(shù)據(jù)測定流程如圖3-3所示。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.向水槽中加入去離子水至刻線（約5L）。

2.檢查管路，打開高壓釜進(jìn)料閥、排空閥。

3.開啟蠕動(dòng)泵，向高壓釜內(nèi)注入去離子水1L。

4.關(guān)閉高壓釜進(jìn)料閥，打開冷凝器水閥，打開加熱系統(tǒng)開始加熱。

5.溫度達(dá)到100℃左右時(shí)，等釜內(nèi)空氣完全排盡后，關(guān)閉排空閥，控制加熱速率，開始記錄溫度、壓力。

6.溫度超過180℃時(shí)，停止加熱，打開蛇管冷卻水閥降溫。

7.高壓釜內(nèi)溫度降低至接近室溫后，關(guān)閉蛇管冷卻水閥。

8.打開高壓釜底放盡閥，排出高壓釜內(nèi)液體。

9.記錄大氣壓力、室溫。

五、注意事項(xiàng)

1.如需要打開高壓釜蓋，應(yīng)注意不能碰傷釜蓋與釜體的密封面；安裝時(shí)要用力矩扳手均勻擰緊螺母，裝好后要用N2試壓。

2.升溫過程要控制升溫速率，加熱電流不能超過1.5A。

3.一定要等釜內(nèi)溫度降至室溫時(shí)，才能打開放盡閥放出物料。

4.處理數(shù)據(jù)時(shí)要注意表壓與絕壓的關(guān)系。

六、數(shù)據(jù)記錄

實(shí)驗(yàn)1數(shù)據(jù)記錄樣表見表3-1。

七、報(bào)告要求

1.在坐標(biāo)紙上描出水蒸氣溫度與壓力的關(guān)系曲線。

2.按安托因方程形式用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸參數(shù)，并將其與經(jīng)典數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、討論。

八、思考題

1.處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，壓力應(yīng)該用絕壓還是表壓？

2.開始記錄數(shù)據(jù)前，釜內(nèi)的空氣為什么要排盡？