标题：流动法实验
流动法实验概念
流体分为可压缩流体和不可压缩流体两类。流体的加料控制以及流量的测定在科学研究和工业生产上都有广泛应用。流动法所需设备和技术要求比较高；加料方式、加料的控制、流量的测定方法，也因实验的要求不一而有所不同，本部分内容仅就实验室流动体系的实验技术做简单的介绍。
流动法实验技术及仪器
（一）流体的加料方式实验室常用带压力的气源，一般借用高压钢瓶的压力把气体输送到反应体系内，如氢气、氧气、氮气、氨气和乙炔气等都可采用这种方式。有时用电解法制备氢气、氧气，或用启普发生器产生二氧化碳气或硫化氢气作为常压气源，这些气体也可经压缩泵提高气体压力输入反应体系内。
1．气体的加料方式
实验室常用带压力的气源，一般借用高压钢瓶的压力把气体输送到反应体系内，如氢气、氧气、氮气、氨气和乙炔气等都可采用这种方式。有时用电解法制备氢气、氧气，或用启普发生器产生二氧化碳气或硫化氢气作为常压气源，这些气体也可经压缩泵提高气体压力输入反应体系内。
2．液体的加料方式
（1）注射器加料法 
在催化反应的研究和用气相色谱研究的反应体系中，往往需加入微量或少量的液体，通常采用注射器加料。为了均匀的注入，可用同步电动机推动注射活塞均匀下降，如图1所示。这种加料方式设备简单，且不受体系压力的影响，但要防止易挥发性的液体从注射器磨口处挥发。因此，在磨口处不断滴入加料液体，以减少这种影响。　　柱式进料泵已有多种商品型号，图2为SY－04 A双柱塞微量泵工作原理示意图。控制器驱动步进电机运转，通过齿轮传动使丝杠反向转动，从而使左、右两柱塞分别上、下运动。当左柱塞向上运动时，挤压缸内液体，通过四通阀向排出口排出液体；与此同时，右柱塞向下运动，右缸内体积膨胀，形成负压，通过大气压力将液体吸入右缸内。当左缸排尽时正好右缸吸满，此时装在右柱塞导杠上的压片恰好压上行程控制开关，给出换向信号，使步进电机反转，左缸变成吸液，右缸变成排液。依此往复，使排出口有连续液体输出。该微量泵是通过改变控制步进电机的脉冲频率来调节步进电机的转速，从而实现对液体流量的控制。
（2）加料管和柱式进料泵 
加料管一般用滴液漏斗，调节漏斗活塞，控制加料速度。由于加料速度随着管内液面的高度变化而变化，因此在使用过程中，需经常调节活塞，维持恒定的加料速度。也可以在管内液面上加一恒定压力来稳定加料速度。
柱式计量泵适用于压力系统的流体进料，其工作原理如图3所示。通过电动机使柱塞反复来回进出B室，当柱塞向外拉时，使B室为负压，此时钢珠①上浮，而钢珠②紧贴上板孔，液体由A室被抽至B室，C室液体不能返流回B室。在柱塞推入时，钢珠①紧贴下板孔，阻止B室内液体返回A室，而钢珠②因B室增压而上浮，液体由B室流入C室。柱塞反复进出B室，形成一种脉冲式加料。如果用两台柱塞泵并联组合工作，则可得较平稳的连续进料。目前国内生产各种型号双柱塞微量计量泵，使两个柱塞分别正反向交替运动，四通换向阀与柱塞换向时同步动作，达到介质自动切换，完成液体连续输送的目的。
（3）挥发式加料器 
又称饱和器。此加料器可根据实验的要求自行设计。图4为一种类型的挥发式加料器示意图。该加料器可与超级恒温槽配套使用，使其夹套内水恒温。气体从a进入，由b处带走加料器内的液体蒸气。只要在恒温下控制通入气体的流速，所带走的蒸气量就恒定，可以控制进料量和气液比。蒸气从b管进入反应系统，达到了液体加料目的。这种加料器适用于蒸气压较大的液体，当反应物由气体和液体组成时，使用更方便。 
气液分子比的计算如下：假设通入气体的流速为V气（mL·min），气体经挥发器带走器内液体蒸气，流速增大至（V气+V液），V液为流速增值，系统压力为p0，实验恒温温度为T，液体在温度T时饱和蒸气压为ps，n为气液物质量之比。根据气体分压定律：
若需要控制一定的气液比，只要在一定系统压力p0时控制液体的饱和蒸气压ps，液体的饱和蒸气压与温度有关，因此控制液体的温度即可以控制气液比。
应用挥发式加料器要求使用的气体不溶于进料的液体。在实验时常要求检查挥发式加料器所控制的气液比是否与公式计算相符，其方法是将饱和器恒温后，通入一恒定流速的气体，使带出的液体蒸气进入已经预先称重的装有过量硅胶的吸附管。为了使吸附完全，用冰盐水冷却吸附管，并记录通气时间，经一定时间后再称量吸附管，其增量即为收集液体的质量。与计算值比较，二者相符证明饱和器符合要求，若低于理论计算值，说明液体蒸发未达饱和状态。通过提高气体的预热温度，增加饱和器的数量，增加液层高度或降低气体流速，增加气体与液体的接触时间等方法以改善饱和状态，使之与理论计算值相符。（二）流体的稳压和稳流1．稳压阀
稳压阀是实验室常用的稳压装置，其工作原理如图5所示，稳压阀的腔A与腔B通过连动杆与孔的间隙相通，右旋调节手柄至一定位置时，系统达到平衡。A进气压力有微小的上升时，则腔B的压力随之增加，波纹管向右伸张，压缩弹簧，阀针同时右移、减少了阀针与阀针座的间隙，气流阻力增大，则出口压力保持原有的平衡压力；同样进气口压力有微小下降时，系统也将自动恢复平衡状态，达到稳压效果。使用此阀时应注意进口压力一般不超过5.884×105Pa，出口压力一般在 9.807×104Pa～1.961×105Pa效果较好。使用的气源应干燥、无腐蚀性，气源压力应高于输出压力 4.903×104Pa。不能把气体进出口接反，以免损坏波纹管。在停止工作时应把调节手柄左旋，使阀处于关闭状态，防止弹簧失效。   
l．出气口；2．阀针座；3．阀针；4．进气口5．调节手柄；
6．压簧；7．波纹管；8．连动杆；9．腔A；10．腔B
2．针形阀
针形阀是一种调节气体流速、控制气体流量的微量调节阀，也可以用于液体流量的控制。其结构主要由阀针，阀体和调节螺旋组成。针形阀的工作原理如图6所示。阀针与阀体不能相对转动，只有调节螺旋与阀针或阀体可以相对转动。当调节螺旋右转时，阀针旋入进气孔道，则进气孔道的孔隙变小，气体阻力增大，流速减小。当调节螺旋左旋时，则进气孔道的孔隙增大，气体阻力减小，流速增大。
1．进气口；2．出气口；3．阀针；4．阀体；5．调节螺旋
3．稳压装置
实验室常用的最简单的气体稳压装置如图7所示。当低压气体流经针形阀调至一定流速后，一部分气体经稳压管的支管底部冒泡排空，另一部分经缓冲管和流速计进入系统。只要保持气体在稳压管底部均匀的冒泡，就可以使气体处于稳压状态，改变水准瓶的高低，可以调节气体流速大小。缓冲管是用内径小于1mm、长1.5m左右的玻璃毛细管弯曲而成，其作用是抵消在稳压管中气泡逸出时气体流速的波动，保持气流稳定。也可以用大的缓冲瓶代替。
4．稳流阀
稳流阀用以稳定载气或待测气体的流速。WLF型稳流阀的工作原理如图8所示。当输入压力为p时，在节流孔G1通过的压力是p，阀盖上的腔体压力也是p，这时调节计形阀杆为一定位置，则在节流扎G2处产生一个压力p1。该阀门中压缩弹簧本身有一向上作用力，膜片受p的作用，有一个向下的压力，由于p1克服膜片向下的压力，使密封橡胶与阀门间有一个不断振动的距离，这时在阀门中则有一个压力p2输出。由于膜片不断地振动，使出口处有一个恒定的流量输出。使用时压力为2 kg·cm，流量<150 mL·min。（三）各种流量计简介1．转子流量计 
转子流量计又称浮子流量计，是目前工业上或实验室常用的一种流量计。其结构如图9所示。它是由一根锥形的玻璃管和一个能上下移动的浮子所组成。当气体自下而上流经锥形管时，被浮子节流，在浮子上下端之间产生一个压差。浮子在压差作用下上升，当浮子上、下压差与其所受的粘性力之和等于浮子所受的重力时，浮子就处于某一高度的平衡位置，当流量增大时，浮子上升，浮子与锥形管间的环隙面积也随之增大，则浮子在更高位置上重新达到受力平衡。因此流体的流量可用浮子升起的高度表示。
这种流量计大多为市售的标准系列产品，规格型号很多，测量范围也很广。这些流量计用于测量哪一种流体，如气体或液体，是氮气或氢气，均有相应的说明，并附有某流体的浮子高度与流量的关系曲线。若改变所测流体的体系，可用皂膜流量计或湿式流量计另行标定。
使用转子流量计需注意：流量计应垂直安装；要缓慢开启控制阀；待浮子稳定后再读取流量；避免被测流体的温度、压力突然急剧变化；为确保计量的准确、可靠，使用前均需进行校正。
2．毛细管流量计 
毛细管流量计的外表形式很多，图10所示是其中的一种。它是根据流体力学原理制成的。当气体通过毛细管时，阻力增大，线速度（即动能）增大，而压力降低（即位能减小），这样气体在毛细管前后就产生压差，借流量计中两液面高度差（Δh）显示出来。当毛细管长度L与其半径之比等于或大于100时，气体流量V 与毛细管两端压差存在线性关系：  
式中， 为毛细管特征系数；r为毛细管半径；ρ为流量计所盛液体的密度；η为气体粘度系数。当流量计的毛细管和所盛液体一定时，气体流量V和压差Δh成直线关系。对不同的气体，V和Δh有不同的直线关系；对同一气体，更换毛细管后，V和Δh的直线关系也与原来不同。而流量与压差这一直线关系不是由计算得来的，而是通过实验标定，绘制出V～Δh的关系曲线。因此，绘出的这一关系曲线，必须说明使用的气体种类和对应的毛细管规格。
这种流量计多为自行装配，根据测量流速的范围，选用不同孔径的毛细管。流量计所盛的液体可以是水，液体石腊或水银等。在选择液体时，要考虑被测气体与该液体不互溶，也不起化学反应，同时对速度小的气体采用比重小的液体，对流速大的采用比重大的液体，在使用和标定过程中要保持流量计的清洁与干澡。
3．皂膜流量计 
这是实验室常用的构造十分简单的一种流量计，它可用滴定管改制而成。如图11所示。橡皮头内装有肥皂水，当待测气体经侧管流入后，用手将橡皮头一捏，气体就把肥皂水吹成一圈圈的薄膜，并沿管上升，用停表记录某一皂膜移动一定体积所需的时间，即可求出流量（体积/时间）。这种流量计的测量是间断式的，适用于尾气流量的测定，标定测量范围较小的流量计（约100mL·min以下），而且仅限于对气体流量的测定。
4．湿式流量计
湿式流量计也是实验室常用的一种流量计。它的构造主要由圆鼓形壳体、转鼓及传动计数装置所组成，如图12所示。
图12  湿式流量计结构简图
1．温度计；2．压差计；3．水平仪；4．排气管；
5．转鼓6．壳体；7．水位器；8．可调支脚；9．进气管
转鼓是圆筒及四个变曲形状的叶片所构成。四个叶片构成A，B，C，D四个体积相等的小室。鼓的下半部浸在水中，水位高低由水位器指示。气体从背部中间的进气管依次进入各室，并不断地由顶部排出，迫使转鼓不停地转动。气体流经流量计的体积由盘上的计数装置和指针显示，用停表记录流经某一体积所需的时间，便可求得气体流量。图12中所示位置，表示C室开始进气，B室正在进气，A室正在排气，D室排气将完毕。湿式流量计的测量是累积式的，它用于测量气体流量和标定流量计。湿式流量计事先应经标准容量瓶进行校准。
使用时注意：先调整湿式流量计的水平，使水平仪内气泡居中；流量计内注入蒸馏水，其水位高低应使水位器中液面与针尖接触被测气体应不溶于水且不腐蚀流量计；使用时，应记录流量计的温度。
5．质量流量控制器
质量流量控制器用于对气体的质量流量进行精密测量和控制，它在半导体和集成电路工业、特种材料学科、化学工业、石油工业、医药、环保和真空等多种领域的科研和生产中有着重要的应用。
质量流量控制器具有精度高、重复性好、流量量程宽、响应速度快、软启动、稳定可靠、工作压力范围宽等特点，其操作使用非常方便，可在任意位置安装，并便于与计算机连接实现自动控制。它也可以作为质量流量计使用，对气体的瞬时流量和累积流量进行精确计量。
流量控制器一般与流量显示仪等配套产品配合使用。
质量流量控制器由流量传感器、分流器通道、流量调节阀和放大控制电路等部件组成。流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量，具有温度压力自动补偿特性。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大；放大后的流量检测电压与设定电压进行比较，再将差值信号放大后去控制调节阀门，闭环控制流过通道的流量使之与设定的流量相等。分流器决定主通道的流量。与之配套流量显示仪上设置有稳压电源、三位半数字电压表、设定电位器、外设、内设转换和三位阀控开关等。本控制器与流量显示仪连接后的工作原理如图13所示。控制器输出的流量检测电压与流过通道的质量流量成正比，满刻度流量检测输出电压为+5V。
使用时主要操作在流量显示仪上进行。阀门控制开关及流量设定电位器在前面板上，流量设定的内部或外部信号选择开关一般在后面板上。当设定选择开关打到“内”时，用设定电器W设定流量；打到“外”时，由外部信号设定流量。
在显示面板上还设置有三个阀门控制开关，当置“关闭”位时，阀门关闭；当置“清洗”位时，阀门开到最大，以便气路清洗；当置于“阀控”时，自动控制流量。
先开电源，将阀开关置到“关闭”位，将设定值调到零，再开气，待预热至零点稳定后，再转“阀控”位，然后将设定流量调至需要值，则实际流量跟踪设定值而改变，无过冲，这是最佳操作方法。质量流量控制器显示出的流量读数，与使用气体的转换系数相乘，即得到该被测气体在标准状态下的质量流量。
6．流量计的校正
（1）湿式气体流量计的校正
湿式气体流量计一般用标准容量瓶进行校正，标准容量瓶的体积为V标，湿式流量计体积示值为V湿，两者差值为ΔV。当流量计指针旋转一周时，刻度盘上总体积为5 L。用1L容量瓶进行5次校正，流量计总体积示值为∑V湿，则平均校正系数为
因此经校正后，湿式气体流量计的实际体积流量Vs与流量计示值 之间关系为：
湿式流量计校正装置如图14所示。其校正步骤如下：开启三通活塞，使容量瓶和大气相通，而与湿式流量计断开。转动湿式流量计支脚螺丝，直至水平仪内气泡居中为止。向流量计内注入水，水的位置高低必须保持水位器中液面与针尖重合，向平衡瓶内注入水后，提高其位置，使容量瓶水面与上刻度线重合。此时可作校正试验，先转动三通活塞，使容量瓶与湿式流量计接通，缓慢放下平衡瓶，使容量瓶液面与下刻度线复合，气体体积恰好为IL。然后记下流量计的体积读数、温度和压力。    
湿式流量计指针旋转一圈为5L，故依次对每1L重复上述操作一次，共作5组数据，求其平均校正系数。