第四章 實驗步驟
4-1 乙醛樣品的純化
本實驗所使用的乙醛，濃度為99.5% （Sigma Aldrich 製造） ， 純化儀器配置如圖（4-1）。純化步驟首先將乙醛置入玻璃瓶 A，接著
利用液態氮搭配冷劑來純化樣品。玻璃瓶 B 先放上純化系統並且利
用幫浦抽真空至少 30 分鐘，之後將玻璃瓶開關關起來，使玻璃瓶維 持在真空狀態。乙醛的蒸氣壓對溫度關係圖如圖 (4-2)，為了避免在 純化過程中，低蒸汽壓的雜質隨著氣體移動，因此我們控制冷劑溫度 在-70℃附近，讓乙醛蒸汽壓可控制在 3mmHg 並慢慢的揮發，而在 本實驗裡我們選用的冷劑是由液態氮和乙酸乙酯混合而成。因此我們 先將兩玻璃瓶關閉並將管線中的空氣抽掉，利用液態氮凍住乙醛，等 乙醛凝固後，抽掉樣品上方的空氣，移除一部分的雜質。 A 瓶使用 冷劑控制溫度在適當範圍使乙醛能夠慢慢揮發至整個系統，在 B 瓶 使用液態氮來凍住純的乙醛。等到大部分乙醛由 A 瓶轉移至 B 瓶 後將 B 瓶開關關閉，用幫浦將 A 瓶及系統管線抽氣約 1 小時。接 著 A 瓶改用液態氮，B 瓶改用冷劑，並重複上述轉移步驟，使純的 乙醛再度回到 A 瓶，再將 A 瓶關上，將剩餘氣體抽掉。最後得到純 的乙醛樣品。利用此樣品來進行下一步氣體樣品的配置。
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4-2 異丁烷樣品的純化
本實驗室所使用的異丁烷純度為99.5%，純化方式類似前一節的 乙醛樣品純化方式。只是異丁烷常溫下為氣態存放在鋼瓶內，我們 必須先將異丁烷鋼瓶與我們的真空系統 (圖(4-4))的 V17 連接，打開 V17、 V1 以及 V14 閥，取出約 100 Torr 異丁烷氣體於 1 號鋼瓶後 關閉 V17 及 V1 閥並移除異丁烷鋼瓶。接著在 V17 閥連接至玻璃 瓶A 後並將其浸在液態氮裡，接著打開 V17 及 V1 閥，使氣態異 丁烷能夠轉移至玻璃瓶 A 並形成液態。放置約半小時使鋼瓶裡的異 丁烷氣體轉移至玻璃瓶 A 裡，之後將玻璃瓶 A 浸泡液態氮並連結 至樣品純化裝置 (圖 4-1)。根據 (圖 4-3)，必須控制異丁烷在適合的 溫度在-90℃附近，才能異丁烷蒸汽壓可控制在 5mmHg。在調配好 冷劑的溫度後，其他處理步驟就如同上一節乙醛樣品的純化。
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4-3 樣品配置系統
樣品配製系統如圖（4-2） 所示，由六個不鏽鋼樣品瓶及三個電 容式壓力計（MKS 722A14TCB2FC、626A13TEE、626B11TEE）所組 成。在加熱烘烤所有樣品瓶及不銹鋼管，並且利用渦輪分子泵浦對系 統抽氣。經過八小時後，真空度可達3.0×10-7 torr 左右。
在配製稀薄濃度之混合氣體時，我們採取逐次稀釋的方式。即先 配製一瓶濃度較高（通常是1000 ppm）的混合氣體，然後再利用此高
濃度的樣品稀釋成所需濃度之氣體樣品。配製樣品的步驟如下：在1
號鋼瓶中配製 3000 torr 的 1000ppm CH3CHO 為例，首先關閉除了 V14 號以外的閥，隨後打開 V1 與 V17 閥，將 30 torr 的 CH3CHO 灌 入鋼瓶1 中，關閉 V17 閥，靜置 30 分鐘左右後，打開 V10 閥，利用 真空幫浦將氣體抽掉，當真空度到達5.0×10-7 torr 時，關閉 V10 閥，
再次打開V17 閥，灌入 3 torr 的 CH3CHO 於 1 號鋼瓶中，待壓力到 達預定值後，關閉V1 與 V17 閥，並打開 V10 閥，將 1 號鋼瓶外區域 的氣體抽掉，接著關閉V10 與 V14 閥，打開 V19 閥，將約 4000 torr 高純度的 Ar 灌入不銹鋼管中，然後關 V19 閥，開 V1 閥，此時高壓 Ar 氣體，會向 1 號鋼瓶擴散，待壓力接近平衡時，關 V1 閥，再次打 開V19 閥將高壓 Ar 氣體灌入不銹鋼管中，並且重複上述步驟，如此
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反覆數次，值到 1 號鋼瓶的壓力到達 3000 torr 為止。最後關 V1 閥，
打開 V10 閥，先利用機械幫浦抽掉高壓氣體在利用輪分子泵浦對系 統抽氣。然後將1 號鋼瓶其加熱並靜置一晚，待其混合均勻，如此即 可得1000 ppm 的 CH3CHO 樣品。接下來我們可以利用上述步驟將 高濃度氣體樣品稀釋成所需的濃度。異丁烷的配置也是一樣的處理方 式。本實驗所使用的各類高純度氣體如下：Ar：99.9995 %，He：99.9995
%，H2：99.9995% 。(均為 AGA Specialty Gas 生產)。
4-4 反應溫度及濃度的計算
在衝擊波管的研究中，反應區的壓力、濃度與溫度皆由流體力學 相關方程式所換算求得，只要能正確的估計馬赫數的數值，就可以求 得壓力、濃度與溫度等物理量，而入射衝擊波的馬赫數就是入射衝擊 波速度μ1和聲速a1的比值。在衝擊波管的實驗中，聲速a1值由氣體 動力學理論求得：a1= (γRsT1) (1⁄2)
其中 γ = Cp/Cv ，因為本實驗係以 Ar 作為介質，故單原子分子 γ=5/3。
Rs 為單位重量(kg)的氣體常數，
A 的 Rs=8.314/0.039984=207.9 m2 s-2 K-1， 可得：a1 (Ar) ≅18.62× T10.5 ms -1
在298 K 時，利用上式求得以 Ar 為介質之聲速應為 18.62×2980.5=321
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ms-1 。
衝擊波的速度則由實驗直接量測，藉由計時器所偵測到的時間差，
我們可得知衝擊波在衝擊波管的行進速度 μ1，再依式 M1=μ1⁄a1 即可 求出入射衝擊波行進速率之馬赫值，再將馬赫值代入式 (2-9)至 (2-11) 便可求出反射衝擊波後，氣體分子的壓力 (P5) 及溫度 (T5)。我們只 要固定驅動區和被驅動區的壓力比例，就能使入射衝擊波的馬赫數恆 定，而達到控制溫度的效果。因此使用本實驗系統，我們可以讓反應 在特定的濃度和溫度下進行。
4-4 實驗條件
本次進行的乙醛和異丁烷熱解實驗條件如下:
乙醛:
高壓驅動區（P4）: 2360-2588 torr 低壓被驅動區（P1）: 41.5-60.7 torr 溫度範圍（T5）:1395-1800K
[CH3CHO]：(3.28.-6.32) 10 molecule/cm Ar ：(8.2-10.5) 10 molecule/cm
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異丁烷:
高壓驅動區（P4）: 2306-2595 torr 低壓被驅動區（P1）: 41.3-68 torr 溫度範圍（T5）:1297-1804K
[isobutnae]：(8.19-11.3) 10 molecule/cm Ar ：(8.19-11.3) 10 molecule/cm
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圖（4-1）樣品純化配置圖
利用此裝置將液態CH3CHO 樣品進行純化步驟
A、B 瓶外部根據純化步驟交互使用液態氮/乙酸乙酯混合的冷劑和液 態氮達到使CH3CHO 樣品凍住的效果。
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圖（4-2）CH3CHO 之蒸氣壓對溫度圖22
圖（4-3）isobutane 之蒸氣壓對溫度圖22
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圖（4-4）：真空系統中的氣體樣品配置圖。
樣品氣體
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