汽液平衡數(shù)據(jù)的測定

專業(yè)：專業(yè)：姓名：學號：日期：2015地點：裝訂線課程名稱：化工專業(yè)實驗指導教師：李勇成績：_________實驗名稱：氣液平衡數(shù)據(jù)的測定同組學生姓名：一、實驗目的和內容 二、實驗原理及數(shù)據(jù)處理依據(jù)三、實驗裝置與試劑四、操作方法和實驗步驟五、數(shù)據(jù)記錄及處理六、實驗結論及誤差分析七、分析和討論汽液平衡數(shù)據(jù)是最常用的化工根底數(shù)據(jù)。許多化工過程如精餾的設計、操作及過程控制等都離不開汽液平衡數(shù)據(jù)。在熱力學研究方面，新的熱力學模型的開發(fā)，各種熱力學模型的比擬篩選等也離不開大量精確的汽液平衡實測數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，各類化工雜志每年都有大量的汽液平衡數(shù)據(jù)及汽液平衡測定研究的文章發(fā)表。所以，汽液平衡數(shù)據(jù)的測定及研究深受化工界人士的重視。一、實驗目的和內容通過測定常壓下乙醇—水二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)的實驗，使同學們了解、掌握汽液平衡數(shù)據(jù)測定的方法和技能，熟悉有關儀器的使用方法，將課本上學到的熱力學理論知識與實際運用有機地聯(lián)系在一起。從而既加深對理論知識的理解和掌握，又提高了動手的能力。氣液平衡測定的種類：由于汽液平衡體系的復雜性及汽液平衡測定技術的不斷開展，汽液平衡測定也形成了特點各異的不同種類。按壓力分，有常減壓汽液平衡和高壓汽液平衡。高壓汽液平衡測定的技術相比照擬復雜，難度較大。常減壓汽液平衡測定那么相對較易。按形態(tài)分，有靜態(tài)法和動態(tài)法。靜態(tài)法技術相對要簡單一些，而動態(tài)法測定的技術要復雜一些但測定較快較準。在動態(tài)法里又有單循環(huán)法和雙循環(huán)法。雙循環(huán)法就是讓汽相和液相都循環(huán)，而單循環(huán)只讓其中一相〔一般是汽相〕循環(huán)。在一般情況下，常減壓汽液平衡都采用雙循環(huán)，而在高壓汽液平衡中，只讓汽相強制循環(huán)。循環(huán)的好處是易于平衡、易于取樣分析。根據(jù)對溫度及壓力的控制情況，有等溫法與等壓法之分。一般，靜態(tài)法采用等溫測定，動態(tài)法的高壓汽液平衡測定多采用等溫法。圖圖1循環(huán)法測定汽液平衡數(shù)據(jù)的根本原理示意圖本實驗采用的是常壓下〔等壓〕雙循環(huán)法測定乙醇—水的汽液平衡數(shù)據(jù)。二、實驗原理及數(shù)據(jù)處理依據(jù)以循環(huán)法測定汽液平衡數(shù)據(jù)的平衡器類型很多，但根本原理一致，如圖1所示，當體系到達平衡時，a、b容器中的組成不隨時間而變化，這時從a和b兩容器中取樣分析，可得到一組汽液平衡實驗數(shù)據(jù)。當?shù)竭_平衡時，除了兩相的壓力和溫度分別相等外，每一組分的化學位也相等，即逸度相等，其熱力學根本關系為：……….(1)常壓下，氣相可視為理想氣體，；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系為：……(2)式中p——體系壓力〔總壓〕；pi0——純組分I在平衡溫度下飽和蒸汽壓，可用安托尼〔Antoine〕公式計算；xi、yi——分別為組分I在液相和氣相中的摩爾分率；γi——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)，那么可用………………..…..(3)計算出不同組成下的活度系數(shù)。本實驗中活度系數(shù)和組成關系采用Wilson方程關聯(lián)。Wilson方程為： lnγ1=-ln………(4) lnγ2=-ln………(5) Wilson方程二元配偶參數(shù)和采用非線形最小二乘法,由二元氣液平衡數(shù)據(jù)回歸而得.目標函數(shù)選為氣相組成誤差的平方和,即F=…………………(6)三、實驗裝置與試劑實驗裝置見下列圖，其主體為改良的Rose平衡釜一汽液雙循環(huán)式平衡釜。樣品組成采用折光指數(shù)法分析。四、操作方法和實驗步驟1．用量筒量取140~150毫升去離子水，30~35毫升無水乙醇，從加料口參加平衡釜內；2．開冷卻水〔注意不要開得太大〕3．翻開加熱開關，調節(jié)調壓器使加熱電壓在200V，待釜液沸騰2~3分鐘左右后，慢慢地將電壓降低至90~130V左右〔視沸騰情況而定，以提升管內的汽泡能連續(xù)緩慢地上升為準，不可猛烈上沖，也不可斷斷續(xù)續(xù)〕；4．從氣壓計上讀出大氣壓數(shù)據(jù)記下；

5．調節(jié)阿貝折光儀的循環(huán)水溫至30℃；6．觀察平衡釜內汽液循環(huán)情況，注意平衡室溫度變化情況，假設溫度已連續(xù)15~20分鐘保持恒定不變，那么可以認為已達平衡〔為什么？〕可以取樣分析；7．將一個取樣瓶在天平上稱重〔記下重量G1〕，然后往瓶內參加半瓶左右的去離子水〔約3毫升〕稱重〔記下重量G2〕，該含水的取樣瓶用于取汽相樣品。另用一個空瓶〔注意不要加水〕取液相樣品；8．取樣前記下平衡溫度，并用一燒杯分別從二個取樣口放掉1~2毫升左右的液體；9．用準備好的二個取樣瓶同時取樣，取樣量約為容積的4/5左右。取好樣后，立即蓋上蓋子。然后將汽相樣品瓶在電光天平上稱重〔記下重量G3〕。液相不必稱重；10．取樣后，再向釜內參加15~20毫升的乙醇以改變釜內組成；11．將汽相樣品瓶搖晃，使瓶內樣品均勻，然后將二個樣品在阿貝折光儀上測出折光指數(shù)，通過n(30,D)-x標準曲線查出液相樣品的摩爾組成x，汽相稀釋樣品的組成y’；12．根據(jù)稱出的重量〔G1，G2，G3〕及汽相稀釋樣品的組成y’計算出汽相組成y實，計算公式為13．重復上述步驟6~步驟12，進行下一組數(shù)據(jù)的測定。要求每一小組測定4~5組平衡數(shù)據(jù)；14．結束實驗，整理好實驗室。五、數(shù)據(jù)記錄及處理〔1〕實驗條件記錄大氣壓力kPa系統(tǒng)壓力kPa室溫℃加熱電壓V100.18100.1824.4102〔2〕實驗數(shù)據(jù)記錄及處理序號平衡溫度℃氣相液相G1G2G3n(30,D)γ'1γn(30,D)x1x2191.413.18115.59718.8891.35170.1470.3061.33940.0480.952289.510.85713.77317.9871.35320.1610.331.34160.0620.938387.313.8916.14219.7521.35580.1730.3381.34470.0870.913G1—瓶重，G2—〔瓶+水〕重；G3—〔瓶+水+樣品〕重。γ計算過程例如：計算例如：以T=〔273.15+91.4〕=364.55K為例，組分1為乙醇，組分2為水。查附錄知：使用內插法可知：V1=63.01+(91.4-90)/(100-90)*(64.12-63.01)=63.1645ml/molV2=18.65+(91.4-90)/(100-90)*(18.78-18.65)=18.6682ml/mol有：0.217270.217270.849260.84926又x1=0.046，所以x2=1-x1=0.952有：=1.364即：r1〔計算〕=3.913又系統(tǒng)壓力為：P=100.18KPa=100.18/101.325*760mmHg=751.41mmHg3.0973.0971249.201mmHg所以y1〔計算〕=3.097*0.048*1249.201/751.41=0.2471又y1〔實驗〕=0.7915同理，可以得到2r的計算值和實驗值。用同樣方法可得如下數(shù)據(jù)表：T/K364.5500362.6500360.4500V1ml/mol63.165462.958062.7292V2ml/mol18.668218.643518.6149Λ120.21730.21730.2174Λ210.84930.84150.8326x10.04800.06200.0870Po?/mmHg1249.20101165.32001074.0750Po?/mmHg553.9138515.3409473.5146r1(計算)3.91333.64893.2460r1〔實驗〕3.09663.06643.0310y1〔計算〕0.24710.29480.3769y1〔實驗〕0.30630.32950.3376r2〔計算〕1.00741.01201.0222r2〔實驗〕2.74342.71212.6753y2〔計算〕0.09710.11530.1467〔3〕將所測數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)在x-y圖、T-x-y圖上畫出。x-y圖(兩圖分別為所測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的x1~y1圖)圖1

實驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的x1~y1圖比擬圖2乙醇-水標準x-y圖圖3T-x-y圖〔圖中曲線只是說明數(shù)據(jù)點的大致趨勢，并不準確〕三角形為計算值六、實驗結論及誤差分析通過以上數(shù)據(jù)表計較可知，實驗所測數(shù)據(jù)圖與計算數(shù)據(jù)差異很大，但總體趨勢相似。對實驗數(shù)據(jù)所作的y-x圖和標準的圖做比擬可以發(fā)現(xiàn)，Wilson理論計算出來的結果和實驗曲線接近度較高，而實驗測量出來的數(shù)據(jù)那么存在很大的誤差。尤其是87.3°C的點存在很大的誤差，該點氣相組成y值嚴重偏小，導致圖3中曲線向內偏，可能的原因是做實驗時在稀釋氣相組成時稱量或者使用阿貝折光儀時由于乙醇的揮發(fā)導致的誤差，也可能是因為排除非循環(huán)局部時排出的氣相物過多導致組成嚴重失衡。七、分析和討論〔1〕是怎樣判斷汽液二相平衡的？為什么？答：根據(jù)相律，在壓力恒定的情況下，有F=C-P+1，其中C=2，P=2，所以自由度F=2-2+1=1，當系統(tǒng)溫度恒定時，系統(tǒng)的自由度為0，系統(tǒng)可認為到達相平衡，可以取樣進行組成分析。溫度15分鐘內不發(fā)生變化即可認為其到達了恒定值。〔2〕你所測的數(shù)據(jù)可信嗎？為什么？有哪些因素〔主要的〕影響了你的數(shù)據(jù)的準確性？操作中哪些地方最值得注意？答：通過對圖像的分析可以知道，測量得到的數(shù)據(jù)在趨勢上和理論數(shù)據(jù)相吻合，而在88.4°C的數(shù)據(jù)測量存在問題。值得注意的問題有：1．本實驗中溫度測量是一個重點，因此對沸騰的氣液系統(tǒng)進行準確的溫度測量是實驗成功的關鍵，實驗要保證沸騰的液體剛好打到水銀泡上，這就要求熱量供應要足夠小心；2．實驗過程中逐漸增加乙醇的量來改變液體組成，并在不同組成下，測量其相平衡。也正是由于如此，在進行取樣的時候會存在量的要求。如果氣相取樣過多，而氣相中乙醇的量很多，就會導致乙醇大量被排出系統(tǒng)，使系統(tǒng)乙醇含量降低，而參加的乙醇會使乙醇含量增加。兩者之間存在一定矛盾關系，很可能幾次的取樣后，