二元氣液平衡數(shù)據(jù)的測定

1、化工專業(yè)實驗報告實驗九 二元氣液平衡數(shù)據(jù)的測定一、實驗?zāi)康?測定苯正庚烷二元體系在常壓下的氣液平衡數(shù)據(jù)。2通過實驗了解平衡釜的結(jié)構(gòu)，掌握氣液平衡數(shù)據(jù)的測定方法和技能。3應(yīng)用Wilson 方程關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)。二、實驗原理氣液平衡數(shù)據(jù)是化學(xué)工業(yè)發(fā)展新產(chǎn)品、開發(fā)新工藝、減少能耗、進行三廢處理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一?；どa(chǎn)中的蒸餾和吸收等分離過程設(shè)備的改造與設(shè)計、挖潛與革新以及對最佳工藝條件的選擇，都需要精確可靠的氣液平衡數(shù)據(jù)。這是因為化工生產(chǎn)過程都要涉及相間的物質(zhì)傳遞，故這種數(shù)據(jù)的重要性是顯而易見的。隨著化工生產(chǎn)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有氣液平衡數(shù)據(jù)遠不能滿足需要。許多物系的平衡數(shù)據(jù)，很難由理論直接計算得到，必須

2、由實驗測定。 平衡數(shù)據(jù)實驗測定方法有兩類，即間接法和直接法。直接法中又有靜態(tài)法、流動法和循環(huán)法等。其中循環(huán)法應(yīng)用最為廣泛。若要測得準(zhǔn)確的氣液平衡數(shù)據(jù)，平衡釜是關(guān)鍵?，F(xiàn)已采用的平衡釜形式有多種，而且各有特點，應(yīng)根據(jù)待測物系的特征，選擇適當(dāng)?shù)母汀?用常規(guī)的平衡釜測定平衡數(shù)據(jù)，需樣品量多，測定時間長。本實驗用的小型平衡釜主要特點是釜外有真空夾套保溫，釜內(nèi)液體和氣體分別形成循環(huán)系統(tǒng)，可觀察釜內(nèi)的實驗現(xiàn)象，且樣品用量少，達到平衡速度快，因而實驗時間短。 以循環(huán)法測定氣液平衡數(shù)據(jù)的平衡釜類型雖多，但基本原理相同，如圖 1 所示。當(dāng)體系達到平衡時，兩個容器的組成不隨時間變化，這時從 A 和B 兩容器中取樣

3、分析，即可得到一組平衡數(shù)據(jù)。圖1 平衡法測定氣液平衡原理圖當(dāng)達到平衡時，除了兩相的壓力和溫度分別相等外，每一組分的化學(xué)位也相等，即逸度相等，其熱力學(xué)基本關(guān)系為：(1)常壓下，氣相可視為理想氣體，=1；再忽略壓力對液體逸度的影響，=從而得出低壓下氣液平衡關(guān)系式為：（2）式中，p體系壓力（總壓）； 純組分i在平衡溫度下飽和蒸氣壓，可用安托尼（Antoine）公式計算；、分別為組分i在液相和氣相中的摩爾分率；組分I的活度系數(shù)。由實驗測得等壓下氣液平衡數(shù)據(jù)，則可用（3）計算出不同組成下的活度系數(shù)。（4）本實驗中活度系數(shù)和組成關(guān)系采用 Wilson 方程關(guān)聯(lián)。Wilson 方程為：（5）Wilson方程

4、二元配偶參數(shù)12和21采用非線性最小二乘法，由二元氣液平衡數(shù)據(jù)回歸而得。目標(biāo)函數(shù)選為氣相組成誤差的平方和，即（6）三、實驗裝置和試劑1平衡釜一臺。平衡釜的選擇原則：易于建立平衡、樣品用量少、平衡溫度測定準(zhǔn)確、氣相中不夾帶液滴、液相不返混及不易爆沸等。本實驗用氣液雙循環(huán)的小平衡釜，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。2阿貝折射儀一臺。3超級恒溫槽一臺。450100十分之一的標(biāo)準(zhǔn)溫度計一支、050十分之一的標(biāo)準(zhǔn)溫度計一支。5所用試劑（苯、正庚烷）為優(yōu)級品。61mL 注射器十支、5mL 注射器三支。圖2 小氣液平衡釜示意圖1磨口；2氣相取樣口；3氣相儲液槽；4連通管；5緩沖球；6回流管；7平衡室；8鐘罩；9溫度計套

5、管；10液相取樣口；11液相儲液槽；12提升管；13沸騰室；14加熱套管；15真空套夾；15加料液面；四、實驗步驟1首先開啟超級恒溫槽，調(diào)節(jié)溫度至測定折射率所需溫度30。2測溫套管中道入甘油，將標(biāo)準(zhǔn)溫度計插入套管中，并在溫度計露出部分中間固定一支溫度計。因本實驗對溫度要求較嚴(yán)，需對溫度進行校正。3檢查整個系統(tǒng)的氣密性，因為我們這個系統(tǒng)都是密閉的。檢測方法是將100 毫升針筒與系統(tǒng)相連，并使系統(tǒng)與大氣隔絕，針筒緩緩抽出一點壓力，發(fā)現(xiàn)硅油 U 型管的兩個液柱差不變時（說明系統(tǒng)是密閉的），然后再通大氣。4我們做的是常壓下的氣液平衡，需讀出當(dāng)天實驗時的大氣壓值。5在平衡釜內(nèi)加入一定濃度的苯正庚烷混合液

6、約 2030ml ，使液體處在圖 2 中加料液面處，一般由實驗點數(shù)決定，通常取摩爾濃度在0.10.15 之間變化，故開始加入的濃度可使輕組分含量較多，然后慢慢增加重組分的濃度。打開冷卻水，安放好加熱器，接通電源。控制加熱電流，開始時給 0.1A ，5min后給0.2A ，慢慢調(diào)到 0.25A 左右即可，以平衡釜內(nèi)液體沸騰為準(zhǔn)。冷凝回流液控制在每秒23 滴。穩(wěn)定地回流 15min 左右，以建立平衡狀態(tài)。6達到平衡后，需要記錄下兩個溫度計的讀數(shù)，此溫度為平衡溫度，并用微量注射器分別取兩相樣品，通過阿貝折射儀測其組成。關(guān)掉電源，加熱器拿下，釜液停止沸騰。7用注射器從釜中取出 7-8ml 的混合液，然

7、后加入8-9ml的一種純物料，重新建立平衡。加哪一種純物料，根據(jù)你上一次的平衡溫度而定，以免各實驗點分配不均。8實驗完畢，關(guān)掉電源和水源。五、實驗數(shù)據(jù)處理方法 將實驗測得的平衡數(shù)據(jù)以表格形式列出；平衡溫度的計算方法如下：通過查精確溫度計的修正值得到；： k水銀在玻璃中的膨脹系數(shù)取 0.00016； n露出部分的溫度系數(shù)取 60；：在介質(zhì)中的溫度；： 露出水銀柱的平均溫度（輔助溫度計的讀數(shù)）Antoine（安托尼）公式：算出(t，； mmHg）純物料安托尼常數(shù)組分ABCt范圍（）苯6.879871196.76219.1611584正庚烷6.893861264.37216.643127用Wilso

8、n 方程求得配偶參數(shù)，再求出氣相組成，并與實驗進行比較。實驗值和計算值作出溫度組成圖（Txy）。溫度修正值溫度示值80859095100修正值+0.01+0.00+0.02+0.00-0.04六、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理1. 實驗記錄原始數(shù)據(jù)如下：表1 實驗數(shù)據(jù)記錄序號主溫度（t主）輔助溫度（ts）氣相液相折光率y1折光率x1183.9531.01.43590.6371.42140.552285.6031.01.42580.5571.41140.426387.5831.51.41710.4831.40290.320489.2532.01.40860.3901.39680.2432. 平衡溫度的計算以

9、第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下：校正溫度t校正值=knt主-ts=0.00016×60×83.95-31.0=0.51其中，k水銀在玻璃中的膨脹系數(shù)取0.00016；n露出部分的溫度系數(shù)取60；修正溫度的計算采用內(nèi)差法，t修正=0.0021平衡溫度t實際=t主+t修正+t校正值=83.95+0.0021+0.51=84.5其他數(shù)據(jù)的計算方法如上。表2 平衡溫度值序號主溫度（t主）輔助溫度（ts）修正值（t修正）校正溫度（t校正）平衡溫度（t實際）183.9531.00.0021 0.5184.5285.6031.00.00240.5286.1387.5831.50.01030

10、.5488.1489.2532.00.01700.5589.83. Pi0和活度系數(shù)的實驗值計算苯：以第一組數(shù)據(jù)的計算過程為例：lgP10=6.87987-1196.76219.161+84.5P10=10(6.87987-1196.76/(219.161+84.5)/760*101.3=115.8KPa 1=101.3×0.637115.8×0.552=1.0095表3 苯的Pi0和活度系數(shù)實驗值序號平衡溫度總壓KPa飽和蒸汽壓KPay1x11184.5101.3115.80.6370.5521.0095286.1101.3121.40.5570.4261.0910388

11、.1101.3128.70.4830.3201.1871489.8101.3135.30.3900.2431.2025正庚烷：以第一組為例進行計算：lgP10=6.89386-1264.37216.64+84.5P10=10(6.89386-11264.37/(216.64+84.5)/760*101.3=66.1KPa 2=101.3×0.36366.1×0.448=1.2418表4 正庚烷的Pi0和活度系數(shù)實驗值序號平衡溫度總壓KPa飽和蒸汽壓KPay2x22184.5101.366.10.3630.4481.2418286.1101.369.50.4430.5741.

12、1249388.1101.374.10.5170.681.0394489.8101.378.10.6100.7571.04524. 根據(jù)Wilson方程，調(diào)用EXCEL規(guī)劃求解模塊進行求解迭代，結(jié)果如表5。表5 Wilson方程關(guān)聯(lián)結(jié)果1實驗2實驗1計算2計算y1實驗y2實驗y1計算y2計算1221F1.00951.24181.03351.19310.6370.3630.652 0.349 0.16941.73890.0013491.09101.12491.07721.13310.5570.4430.550 0.446 1.18711.03941.15071.07310.4830.5170.4

13、68 0.534 1.20251.04521.24661.02400.3900.6100.4040.598 七、實驗結(jié)果與討論1. T-x-y 圖根據(jù)平衡溫度、氣液相組成以及純物質(zhì)的沸點數(shù)據(jù)（苯80.1，正庚烷98.4）作T-x-y圖，如圖所示。圖3 T-x-y圖2. 誤差分析表6 苯和正庚烷活度系數(shù)計算值和實驗值的比較序號平衡溫度實驗值計算值1212184.51.00951.24181.03351.1931286.11.09101.12491.07721.1331388.11.18711.03941.15071.0731489.81.20251.04521.24661.0240由上表中可以看出，實驗值和理論計算值相差不大，實驗結(jié)果較為精確，但也存在一定的誤差。誤差的可能來源有：溫度計精度不夠，讀數(shù)時也產(chǎn)生一定的誤差；利用阿貝斯折光儀測定折光率時產(chǎn)生的誤差；利用折光率查組成時產(chǎn)生一定的誤差；實驗測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算時有效數(shù)字的保留導(dǎo)致的