二元气液平衡数据测定实验指导书.doc

1 化工专业实验报告化工专业实验报告 实验名称：实验名称：二元气液平衡数据的测定 实验人员：实验人员： 同组人：同组人： 实验地点：实验地点： 实验时间：实验时间： 班级：班级： 学号：学号： 指导教师：指导教师： 实验成绩：实验成绩： 2 二元气液平衡数据的测定二元气液平衡数据的测定 一、一、实验目的实验目的 1 测定苯正庚烷二元体系在常压下的气液平衡数据 2 通过实验了平衡釜的结构，掌握气液平衡数据的测定方法和技能 3 应用 Wilson 方程关联实验数据 二、二、实验原理实验原理 与循环法测定气液平衡数据的平衡釜基本原理相同，如下图所示，体系达到平衡 时，两个容器的组成不随时间变化，这时从 A 和 B 两容器中取样分析，可得到一组 平衡数据。 冷凝器 凝液 蒸气循环线 蒸气 加热 液体 液体循环线 图1 平衡法测定气液平衡原理图 B A 当达到平衡时，除了两相的压力和温度分别相等外，每一组分的化学位也相等，即逸 度相等，其热力学基本关系为： fiL=fiV.(1) ipyi=ifi0xi 常压下，气相可视为理想气体，再忽略压力对液体逸度的影响，fi=pi0从而得出低压下 气液平衡关系为： pyi=ipi0xi(2) 式中，p体系压力（总压） ； pi0纯组分 I 在平衡温度下饱和蒸汽压，可用安托尼（Antoine）公式计算； xi、yi分别为组分 I 在液相和气相中的摩尔分率； i组分 i 的活度系数。 由实验测得等压下气液平衡数据，则可用 (3) 0 ii i i px py 3 计算出不同组成下的活度系数。 本实验中活度系数和组成关系采用 Wilson 方程关联。Wilson 方程为： ln1=-ln(4) 22121 )(xxx)( 1 212 21 2121 12 x xxx ln2=-ln(5)()( 2121 12 1212 21 11212 xxxx xxx Wilson 方程二元配偶参数和采用非线形最小二乘法,由二元气液平衡数据回归 12 21 而得。 目标函数选为气相组成误差的平方和,即 F=(y1 实-y1 计)2j+(y2 实-y2 计)2j(6) m j 1 三、实验装置和试剂三、实验装置和试剂 1 平衡釜一台（平衡釜的选择原则：易于建立平衡、样品用量少、平衡温度测定准 确、气相中不夹带液滴、液相不返混及不易暴沸等。本实验采用气液双循环的小 平衡釜，其结构如图 2 所示） 2 阿贝折射仪一台 3 超级恒温槽一台 4 50-100 十分之一的标准温度计一支、0-50 十分之一的标准温度计一支 5 所用试剂（苯、正庚烷）为优级品。 6 1ml 注射器十支、5ml 注射器三支。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 图2小气液平衡釜示意图 1磨口；2气相取样口；3气相贮液槽；4连通管；5缓冲球；6回流管； 7平衡室；8钟罩；9温度计套管；10液相取样口；11液相贮液槽；12提升管； 13沸腾室；14加热套管；15真空夹套；16加料液面 四、实验步骤实验步骤 1.开启超级恒温槽，调温度至测定折射率所需温度 25或 30 Comment j1: 调节三通阀 4 2.测温套管中倒入甘油，将标准温度计插入套管中，并在其露出部分中间固定一支温度 计，对温度进行校正 3.查整个系统的气密性，以保证实验装置具有良好的气密性，将气压球与三通管连接好， 与大气相通，用手压瘪气压球，然后开启气压球所连小阀直通系统，抽气使设备处于 负压状态，U 型管压力计的液面升起，在一定值下停止。注意操作不能过快，以免将 U 型管液体抽入系统。关闭气压球所连小阀，停 10 分钟，U 型管内液体位差不下降为 合格。开启气压球所连小阀，使系统直通大气。 4.于实验测定的是常压下的气液平衡数据，读取当天实验室的大气压值。 5.平衡釜内加入一定浓度的苯正庚烷混合液约 2030 毫升，打开冷却水，安放好加热 器，接通电源。开始时加热电流给到 0.1A 加热，5 分钟后给到 0.2A，再等 5 分钟后慢 慢调到 0.25A 左右即可，以平衡釜内液体能沸腾为准。冷凝回流液控制在每秒 23 滴， 稳定回流 15 分钟左右，以建立平衡状态。 6.到平衡后，需要记录下两个温度计的读数，并用微量注射器分别取两相样品 2 毫升， 用阿贝折射仪测定其折射率，并在本实验给定的苯的组成折射率曲线上确定样品的 组成。关掉电源，拿下加热器，釜液停止沸腾。 7.注射器从釜中取出 25 毫升的混合液，然后加入同量的一种纯物质，重新加热建立平 衡。加入那种物质，可以依据你上一次的平衡温度而定，以免实验点分布不均。本实 验是降温操作，取出的混和液 5 毫升，加入苯 7 毫升，实验重复 5 次。 8.实验完毕，关掉电源和水源，处理实验数据。 五、实验数据处理及结论五、实验数据处理及结论 （一）实验条件及给定数据（一）实验条件及给定数据 实验条件 实验温度：25.5 大气压：101.19Kpa 纯组分在常压下的沸点 苯：80.4 正庚烷：98.4 水银温度计检定结果 表 1：水银温度计显示值及修正值对应表（实验给定） 温度示值（） 50556065707580859095100 修正值（）0.010.070.100.120.090.050.080.070.070.090.08 苯和正庚烷纯物料的 Antoine 常数 表 2：纯物料的安托尼常数 组分ABCt 范围（） 苯6.879871196.76219.1611584 正庚烷6.893861264.37216.643127 （二）苯（二）苯正庚烷混合液气液平衡数据的测定实验原始数据正庚烷混合液气液平衡数据的测定实验原始数据 表 3 苯正庚烷混合液测定实验沸点温度，以及气（苯含量）液平衡组成 汽相液相 组号 主温度 t主/ 辅助温度 t S/折射率 ny mol%折射率 nx mol% 187.823.01.421452.01.406737.2 284.023.51.440667.21.425955.2 382.422.11.450575.21.437465.2 481.322.71.461081.81.450074.8 5 （三）平衡温度计算（三）平衡温度计算 平衡温度的计算方法如下： t实际t主t修正t校正值 t修正：通过精查温度计的修正值得到，见表 1 t校正值：t校正值kn(t主-ts) k水银在玻璃中间的膨胀系数取 0.00016； n露出部分的温度系数取 60 t主在介质中的温度； ts露出水银柱的平均温度（即辅助温度计的读数） 平衡温度计算结果见表 4 表 4 苯正庚烷混合液测定实验实际温度计算结果 组号 主温度 T主/ 修正温度 T修正/ 校正温度 T校正值/ 实际温度 T实际/ 187.80.0700.6220888.49 284.00.0720.5808084.65 382.40.0750.5788883.05 481.30.0770.5625681.94 表 4 注：表中修正温度由主温度在表 1 所给温度修正值在三次样条插值而得，最终实际温度计算结果保留 一位小数，是因为主温度测定的精度决定的。 附：修正水银温度计时所用三次样条插值程序（用 matlab 编写） t0=87.8 84.0 82.4 81.3 x=50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 y=0.01 0.07 0.10 0.12 0.09 0.05 0.08 0.07 0.07 0.09 0.08 yy=spline(x,y,t0) ts=26.0 26.0 25.0 25.0 25.0; tj=0.00016 * 60 .*(t0-ts); t=t0+tx+tj 运行结果： t = 88.49 84.6583.0581.94 （四）（四） 苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压的计算苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压的计算 由 Antoine（安托尼）公式： lgPi0=Ai Bi/(Ci+t) 式中： t温度，（即计算所得的实际温度） P0饱和蒸汽压，mmHg 所以可得到： Pi0=10(Ai-Bi/(Ci+t) 纯物料的 Antoine 常数见表 2 纯组分饱和蒸汽计算结果见表 5 表 5：纯组分饱和蒸汽在实验温度下计算结果 组号1234 P10/ mmHg976.962872.390831.487804.001 P20/ mmHg562.536498.125473.079456.299 6 （五）用非线形最小二乘法回归配偶参数（五）用非线形最小二乘法回归配偶参数 12 、21 并求液相组成并求液相组成 活度系数和组成关系采用 Wilson 方程关联 ln1=-ln 22121 )(xxx)( 1 212 21 2121 12 x xxx ln2=-ln)()( 2121 12 1212 21 11212 xxxx xxx 目标函数选为气相组成误差的平方和,即 F=(y1 实-y1 计)2j+(y2 实-y2 计)2j m j 1 用非线性最小二乘法拟合：matlab 拟合程序见下 主程序： bb0=1,1 bb,resnorm=lsqnonlin(qiye,bb0) 子程序： function F=qiye(bb) x1=0.01*37.2 55.2 65.2 74.8; x2=1-x1; y1=0.01*52.0 67.2 75.2 81.8; y2=1-y1; Pa0 =976.962 872.390 831.487 804.001; Pb0 =562.536 498.125 473.079 456.299; for i=1:4 F(i)=y1(i)-Pa0(i)*x1(i)/760*exp(-log(x1(i)+bb(1)*x2(i)+x2(i)*(bb(1)/(x1(i)+bb(1)*x2(i)- bb(2)/(x2(i)+bb(2)*x1(i) end for i=5:8 j=i-4 F(i)=y2(j)-Pb0(j)*x2(j)/760*exp(-log(x2(j)+bb(2)*x1(j)+x1(j)*(bb(2)/(x2(j)+bb(2)*x1(j)- bb(1)/(x1(j)+bb(1)*x2(j) End 拟合结果为： bb = 1.0361 0.7112 resnorm = 6.2948e-004 也就是： 12= 1.0361 21= 0.7112 resnorm= 6.2948e-004 7 （六）求气相组成：（六）求气相组成： 由 matlab 算出 y实测y计算程序如下： bb =1.0361 0.7112; x1=0.01*37.2 55.2 65.2 74.8; x2=1-x1; y1=0.01*52.0 67.2 75.2 81.8; y2=1-y1; Pa0 =976.962 872.390 831.487804.001; Pb0 =562.536 498.125 473.079456.299; for i=1:4 F(i)=y1(i)-Pa0(i)*x1(i)/760*exp(-log(x1(i)+bb(1)*x2(i)+x2(i)*(bb(1)/(x1(i)+bb(1)*x2(i)- bb(2)/(x2(i)+bb(2)*x1(i); end for i=5:8 j=i-4 F(i)=y2(j)-Pb0(j)*x2(j)/760*exp(-log(x2(j)+bb(2)*x1(j)+x1(j)*(bb(2)/(x2(j)+bb(2)*x1(j)- bb(1)/(x1(j)+bb(1)*x2(j); end F 得到 F = -0.0156 -0.0020 0.0105 0.0098 -0.0005 0.0106 0.0055 0.0055 组号（苯） y测量0.52000.67200.75200.8180 y计算0.50440.670.76250.8278 F=(y1 实-y1 计)2j+(y2 实-y2 计)2j=（0.0156）2+(-0.0020)2+0.00552+0.00552=0.000627 m j 1 与程序拟和的结果参数一致。 （七）用实验值和计算值作温度组成图（七）用实验值和计算值作温度组成图（txy） 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 00.20.40.60.81 图 3 苯的气液平衡图 8 （八）（八） 实验结果讨论及误差分析实验结果讨论及误差分析 （1）实验结果讨论 从实验的结果的相图和气相组成的实验值和计算值的比较来看，本次实验测得以及回 归所得实验数据可靠，误差均在实验允许范围内。从相图可以看出，本实验数据很好的体 现了常规二元气液平衡相图规律。应用 Wilson 方程关联实验数据，并采用非线性最小二乘 法进行回归处理，得出配偶参数，再求出气相组成，所得气相组成误差平方和为 0.00627。 即计算值和实验值的误差非常小，可以用关联得到的 Wilson 方程计算该物系的组成。 （2）实验误差分析 由于本次实验只是降温操作，每