实验1　水饱和蒸气压数据的测定

一、实验目的

1.测定水在不同温度下饱和蒸气压数据。

2.运用经典的蒸气压计算公式进行计算，对比实验值与计算值之间的差异，对不同的经验公式有一定了解，方便以后选用合理的经验公式进行计算。

3.通过实验，了解高压釜的结构和特点。

二、实验原理

对于很多专业的工程技术人员来说，进行蒸汽平衡计算是经常碰到的事情。尤其在石油化工厂的新建、扩建和改建工程中，对于单套装置或全厂的蒸汽进行平衡计算，是技术人员应该具备的基本素养。目前的蒸汽平衡计算主要以利用计算机软件辅以手工计算为主，因此，有必要对蒸汽平衡计算的思路加以说明。

石油化工厂的生产工艺在热能利用方面有以下特点：

①需要蒸汽来驱动发电机、压缩机、泵或风机。

②需要不同等级的蒸汽来加（伴）热和作为生产原料。

③可以回收大量余热，用以产生副产蒸汽或加热给水。

④可以回收大量的蒸汽冷凝水。

⑤一些大型石油化工厂还设有自备电站，满足装置部分用电。

石油化工厂的蒸汽系统一般包括以下部分：母管、锅炉、余热锅炉、汽轮机、除氧器、闪蒸罐、减温减压器、工艺蒸汽用户、放空消声器等。

在进行蒸汽平衡计算时，由于习惯不同，一般采用蒸汽平衡表或蒸汽平衡图，将蒸汽系统中的各部分表示出来。在蒸汽平衡表中，按照不同蒸汽等级的产汽设备、用汽设备，分别列出其产汽量、用汽量，各等级蒸汽的产、用汽量必须相等。在蒸汽平衡图中，需按蒸汽等级画出各级蒸汽母管，再按照蒸汽系统中的各主要部件所产生或消耗的蒸汽参数，在相应的蒸汽母管下画出这些主要部件，然后经过计算调整，使各级蒸汽母管的进、出蒸汽量相等。

蒸汽平衡计算过程参见图3-1。在计算过程中，经常会遇到蒸汽温度、压力之间的关系。本实验主要通过实验研究饱和蒸汽温度、压力之间的关系，并将之与经验公式的计算结果进行比较，增进学生对不同经验公式的认识，方便以后选用合理的经验公式进行计算。

以下介绍几种常用的经验公式。

（1）克拉佩龙-克劳修斯方程

该方程是以理论概念为基础，表示物质相平衡的关系式，它把饱和蒸气压随温度的变化、体积的变化和过程的热效应三者联系起来，方程如下：

　　 （3-1） 　　

式中　T——循环的温度；

dT——循环的温差；

——从相态α到相态β的相变热；

——从相态α到相态β比容的变化量；

p——饱和蒸气压。

该方程不但适用于水的汽化，也适用于冰的升华。

（2）卡末林-昂尼斯方程

实际的蒸汽和理想气体不同，原因在于气体分子本身具有体积，分子间存在吸引力。卡末林-昂尼斯气体状态方程考虑了这种力的影响。卡末林-昂尼斯于1901年提出了状态方程的维里表达式：

pV=RT（1+B'p+C'p2+D'p3+…）　　（3-2）

这些维里系数都可以通过实验测定，其中的第二和第三维里系数都已经有了普遍的计算公式。

一般在我们所讨论的温度范围内，第四维里系数可以不予考虑。

（3）Goff-Grattch饱和蒸气压公式

从1947年起，世界气象组织就推荐使用Goff-Grattch蒸气压方程。该方程是以后多年世界公认的最准确的公式。它包括两个公式，一个用于液-汽平衡，另一个用于固-汽平衡。

对于水平面上的饱和蒸气压：

　　 （3-3） 　　

式中　T0——水三相点温度，273.16K。

对于冰面上的饱和蒸气压：

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）为1966年世界气象组织发布的国际气象用表所采用。

（4）Wexler-Greenspan蒸气压公式

1971年，美国国家标准局的Wexler和Greenspan根据25～100℃范围水面上饱和蒸气压的精确测量数据，以克拉佩龙-克劳修斯方程为基础，结合卡末林-昂尼斯方程，经过简单的数学运算并参照实验数据作了部分修正，导出0～100℃范围水面上饱和蒸气压的计算公式，该式的计算值与实验值基本符合。

　　 （3-5） 　　

式中常数项的个数n一般取4～8，例如n为4时，各项系数为：

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

C3=0.17250331×10-4；C4=0.2858487×10

（5）饱和蒸气压的简化公式

上述的饱和蒸气压公式均比较繁杂，为了适应大多数工程实践需要，特别是利用计算机、微处理器编程的需要，总结了一组简化饱和蒸气压公式。对于水面饱和蒸气压：

lnpw=（10.286T-2148.4909）/（T-35.85）　　（3-6）

对于冰面饱和蒸气压：

lnpi=12.5633-2670.59/T　　（3-7）

上式与Goff-Grattch公式和Wexler-Greenspan公式的最大相对偏差小于0.2％。

（6）安托因（Antoine）方程

一般的化工计算中，也常用安托因方程计算饱和蒸气压：

　　 （3-8） 　　

式中，对水而言，A=17.4285，B=3816.44，C=227.02，该式适用温度范围为284～441K。

三、实验装置

实验过程中可采用不锈钢釜式反应器（见图3-2）测定不同温度下水的饱和蒸气压。

不锈钢釜式反应器结构简单、加工方便；具有耐高温、耐腐蚀、生产能力强等优点，釜内设有搅拌装置，釜外常设传热夹套，传质和传热效率均较高；在搅拌良好的情况下，釜式反应器可近似看成理想混合反应器，釜内浓度、温度均一，化学反应速度处处相等；釜式反应器操作灵活，适应性强，便于控制和改变反应条件，尤其适用于小批量、多品种生产。因此，不锈钢釜式反应器在医药、饮料、化工、颜料、树脂等工业部门有着广泛的应用。

不锈钢反应釜通常由釜体、釜盖、搅拌器、加热夹套、加热（冷却）蛇管、支承及传动装置、轴封装置等组成。釜体、釜盖、搅拌器、轴封等通常均由不锈钢制作。

釜体与釜盖由法兰密封连接，釜体下部设有放料口，釜内有搅拌器，釜盖上开设进料口、搅拌观察口、测温测压口、蒸汽引出分馏口、安全放空等工艺接口。

釜盖上部设置支架，其上安装搅拌电动机及减速机，驱动釜内搅拌器完成搅拌功能。在搅拌轴与釜盖之间通过机械密封达到轴封的目的。

【设备参数】

（1）不锈钢高压釜

体积：V=2.0L。

最高允许操作压力：pmax=9.8MPa。

最高使用温度：300℃。

搅拌转数：0～750r/min。

电动机功率：600W。

加热功率：1.5kW。

控温精度：0.5％FS。

（2）气体背压阀

入口压力：pmax=15.0MPa。

出口压力：p=0.3～10.0MPa。

工作温度：≤100℃。

接管外径：ф3mm。

使用介质：纯净气体、液体。

（3）AI人工智能调节器

测量精度：0.5％FS。

（4）BT300S蠕动泵

流量范围：0.006～1340mL/min。

转速范围：350r/min。

转速分辨率：0.1r/min。

功率：<50W。

外控输入电平：12V。

外控模拟量：0～5V。

【流程图】

饱和蒸气压数据测定流程如图3-3所示。

四、实验步骤

1.向水槽中加入去离子水至刻线（约5L）。

2.检查管路，打开高压釜进料阀、排空阀。

3.开启蠕动泵，向高压釜内注入去离子水1L。

4.关闭高压釜进料阀，打开冷凝器水阀，打开加热系统开始加热。

5.温度达到100℃左右时，等釜内空气完全排尽后，关闭排空阀，控制加热速率，开始记录温度、压力。

6.温度超过180℃时，停止加热，打开蛇管冷却水阀降温。

7.高压釜内温度降低至接近室温后，关闭蛇管冷却水阀。

8.打开高压釜底放尽阀，排出高压釜内液体。

9.记录大气压力、室温。

五、注意事项

1.如需要打开高压釜盖，应注意不能碰伤釜盖与釜体的密封面；安装时要用力矩扳手均匀拧紧螺母，装好后要用N2试压。

2.升温过程要控制升温速率，加热电流不能超过1.5A。

3.一定要等釜内温度降至室温时，才能打开放尽阀放出物料。

4.处理数据时要注意表压与绝压的关系。

六、数据记录

实验1数据记录样表见表3-1。

七、报告要求

1.在坐标纸上描出水蒸气温度与压力的关系曲线。

2.按安托因方程形式用实验数据回归参数，并将其与经典数据进行比较、讨论。

八、思考题

1.处理实验数据时，压力应该用绝压还是表压？

2.开始记录数据前，釜内的空气为什么要排尽？