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2013/12/91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一、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，反应
2、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，反应速
3、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11.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
4、观察用 1000ml 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一、 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“ 乙烯醇”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
5、件下进行。酸性春节时，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/PVA 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
6、干四、实验步骤1.将聚醋酸乙烯溶液升温至 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 65，反应 1h。13.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。二、 实验原理聚乙烯
7、醇缩甲醛是利用聚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、
8、二氯甲烷 )、乙醇-甲苯混合物(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
9、 pH 值为 13。保持反应温度 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1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，19
10、984. 潘祖仁 编.高分子化学.北京:化学工业出版社，2003 5 .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
11、可合成出组成恒定的共聚乳液。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 60时 0.698， 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苯乙烯，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 自由基共聚 乳液聚
12、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：7580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。15.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.乳液外观 将 3mL 乳液置于试管
13、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 CaCl2 溶液用量。或在 3mL 乳液中加 1mL0.5%的 CaCl2 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 1151
14、20 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 涂膜的吸水率，% ；m0载
15、玻片的质量，g；m1干燥后的涂膜和载玻片的总质量， g；1m2吸水后的涂膜和载玻片的总质量， g。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 1 滴去离子水，观察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 rmin -1)4 钙离子稳定性5 固含量/%乳液成膜性6胶膜吸水率/%7 胶膜耐水性/s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. 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1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。三、 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
18、 1 个苯 60ml环氧氯丙烷 若干1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
19、，搅拌，使树脂溶解后移入分液漏斗，静置后分去水层，再用水洗两次，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 105烘箱内烘 1h 或 4080烘箱中烘 3
20、h，用于测试粘接强度。五、 思考题1. 写出双酚 A 型环氧树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，19981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
21、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
22、器为精密仪器，测定时要注意以下几点：(1)内筒是精密零件，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。1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
23、须先停止马达运转，然后选择马达转速，再启动马达；切不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，将扭矩转换开关由转向。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
24、系统，确定待测某一浓度的甘油溶液( 牛顿流体) 的量并加入外筒中，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
25、分析，作粘度- 温度图。六、思考题(1) 列出至少三个工程计算应用粘度数据的实例。(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 1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。二、 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=2R+2(R+2r)=4(R+2r)= 4R其中， m 为液柱之质量； 是液体的表面张力；R是环的内半径；r 为环丝半径；R 是环的
26、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：=PF/ 4R三、 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 6 个 50ml 容量瓶，用已配
27、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，最终保持在最大值，该最大值就是液体的实测表面张力值 P，
28、然后按“”键停止，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“000” ，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) 常用测定表面张力有哪些方法? (2) 本实验测定数据的精度取决
29、于哪些因素? (3) 拉环法测表面张力有什么优缺点?1五、 实验数据（1）求校正因子 F=0.7250+ rRLP679.10453.012. 式中 刻度盘的读数； 环的周长， ；PLcm溶液密度(25时)， ； 环的内半径， ；3cmg铂丝的半径， 。r(2) 绘出 c 图，在曲线上选取 68 点作切线求出斜率 Z= 值。由 = 计算不同浓度溶液dcRTcZ的表面吸附量 值，并作 c 图。(3) 比较不同浓度下 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
30、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。一、 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。二、 实验原理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 4-2 所示。当体系达到平衡时，图 4-2 循环法测定气液平衡数据的原理示意图1a、b 容器中的组成不随时间而变化，这时从 a 和 b 两容器中
31、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 Ellis 汽液两相双循环型蒸馏器，其结构如图 4-3 所示。改进的 Ellis 蒸馏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 的针筒及配套的针头，配有
32、 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 Ellisi 汽液循环蒸馏器1-蒸馏釜；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-l5V 左右。(3）温控，溶液沸腾，气相冷凝液
33、出现，直到冷凝回流。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 0.51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馏速度、平衡温度和气相温度的数值，不断加以调整，经10.5h1h稳定后，记录平衡温度及气相温度读数。读取大气压力计的大气压力。迅速取约8mL的气相冷凝液及液相于干燥、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W HAcg及WHAcL两相质量百
34、分组成。(6) 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：= +0.00016 （4-5 ）实 际t观 )(室观 tn：温度计指示值 ：室温 n：温度计暴露出部分的读数观 室t沸点校正：= +0.000125 （4-6） Pt实 际 )760)(23apt：换算到标准大气压(0.1MPa)下的沸点。：实验时大气压力(换算为 mmHg，lmmHg=133 )ap aP(2)将 ， ， 输入计算机，计算表中参数。Pt气HAcW液C表4-1 计算数据一览表0Ap0Bn01A1
35、An 2A Bn A B(3)在二元汽液平衡相图中，将本实验附录中给出的醋酸 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、精馏现象发生?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)
36、 为何液相中 HAc 的浓度大于气相? (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。1八、 主要符号说明组分的摩尔分数； -活度系数； 压力； -气相中组分的真正摩尔分数。np饱和蒸汽压； 摄氏温度； 液相摩尔分数； -气相摩尔分数。0ptxy下标：、 混合平衡气相中单分子和双分子醋酸；1A2、 分别表示醋酸与水。B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No t/ XHAc YHAc No t/ XHAc YHAc No t/ XHAc YHAc1 118.1 1.00 1
37、.00 5 107.4 0.70 0.547 9 102.2 0.30 0.1992 115.2 0.95 0.90 6 105.7 0.60 0.452 10 101.4 0.20 0.3163 113.1 0.90 0.812 7 104.3 0.50 0.356 11 100.3 0.05 0.0374 109.7 0.80 0.664 8 103.2 0.40 0.274 12 100 0 0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致性。如果考
38、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，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 =HAc22)(缔合平衡常数= = （4-7）2K1p2其中 Vl、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
39、单体的摩尔分数为 ，而醋酸逸1度是校正压力，应为= （4-8）Af1p1与 、 的关系如下：1n2= （4-9）1)(2n现在考虑醋酸水的二元溶液，不计入 与 的交叉缔合，则气相就有三个组成： ，OHAc HAc, ，所以2)(HAcO= （4-10 ）1)(21nn气相的表观组成和真实组成之间有下列关系：= = （4-11 ）Ay总总 nnOH)2(21OHn21将 的关系代人上式，得21OHn= （4-12） Ay21利用(1-11) 和 (1-12)经整理后得：(4-13)0)(121AAypK用一元二次方程解法求出 ，便可求得 和2OH22121- (4-14)OH)(醋酸的缔合平衡常
40、数与温度 T 的关系如下：= - 10.4205 + (4-15)2lgKT316由组分逸度的定义得：= =Afpy11(4-16)OHOH222对于纯醋酸， ； ；因低压下的水蒸气可视作理想气体，故 ，其中 可根据Ay01 102OH01纯物质的缔合平衡关系求出：2K201)(p01(4-17)0122A解一元二次方程可得01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 i1即 = (4-18)HAcipiix0HAcxp011(4-19)O2 OH22饱和蒸汽式中压 ， 可由下面二式得：0Ac=7.1881- (4-20)0logHcp17.46t=7.9187- (4-2
41、1)2O92.03t1实验 5 搅拌混合及固液分离实验一、 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
42、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
43、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
44、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。1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。下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类型 举例 截留的最小颗粒直径 m滤 布 天然及人造纤维
45、编织滤布 10滤 网 金属编织滤网 75纤维素为材料的纸 5玻璃纤维为材料的纸 2非编造纤维介质毛毡 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%抵抗磨损耐最高温度 K耐酸性耐碱性耐氧化性耐溶剂性棉 36 可 366 不 良 可 优尼龙 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
46、 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 h。5 搅拌器距容器底部的距离 h1;6 挡板的数目及宽度 b.1影响搅拌的物理因素也很多，均相密度 ,粘度 ,转速 n。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;7.过滤方程式过滤方程式的一般形式为： )(012esVCrPAd式中：V滤液量，m 3;过滤时间,s;P过滤压力降 ,Pa;A过滤面积,m 3;滤液粘度，PaS;C滤饼体积与相应的滤液体积之比，m 3 滤饼/m 3 滤液；r0单位压力差下滤饼比阻，1/m 3;表示为： 23)1(KSVe 过虑介质的当量滤液体积，m 3;S滤饼压缩指数。53dnNmndC)(21恒压过滤时，对上式积分可得：（a）eeKq2式中：q单位过滤面积的滤液量，m 3/m2;qe单位过滤面积的虚拟滤液量, m 3/m2;e 得到滤液体积 Ve ，相应的过滤时间，s;K过滤常数，m 2/s,由物料特性及过滤压
