汽液平衡数据的测定20001

1、姓名：高子岳沖f尸丿、欢实验报告学号：3110101849日期：13.10.9地点：西溪化学楼234课程名称：化工专业实验指导老师：李勇成绩：实验名称：汽液平衡数据的测定实验类型：同组学生姓名：周恒一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得汽液平衡数据是最常用的化工基础数据。许多化工过程如精馏的设计、操作 及过程控制等都离不开汽液平衡数据。在热力学研究方面，新的热力学模型的开 发，各种热力学模型的比较筛选等也离不开大量精确的汽液平衡实测数据。现在，各类化工杂志每年都有大量的汽液

2、平衡数据及汽液平衡测定研究的文章发表。所以，汽液平衡数据的测定及研究深受化工界人士的重视。一. 实验目的通过测定常压下乙醇一水二元系统汽液平衡数据的实验，使同学们了解、掌 握汽液平衡数据测定的方法和技能， 熟悉有关仪器的使用方法，将课本上学到的 热力学理论知识与实际运用有机地联系在一起。从而既加深对理论知识的理解和 掌握，又提咼了动手的能力。二. 汽液平衡测定的种类由于汽液平衡体系的复杂性及汽液平衡测定技术的不断发展，汽液平衡测定也形成了特点各异的不同种类。按压力分，有常减压汽液平衡和高压汽液平衡。高压汽液平衡测定的技术相对比较复杂，难度较大。常减压汽液平衡测定则相对较易。按形态分，有静态法和

3、动态法。静态法技术相对要简单一些，而动态法测定的技术要复杂一些但测定较快较准。在动态法里又有单循环法和双循环法。双循环法就是让汽相和液相都循环，而单循环只让其中一相（一般是汽相）循环。在一般情况下，常减压汽液平衡都采用双循环，而在高压汽液平衡中，只让汽相强制循环。循环的好处是易于平衡、易于取样分析根据对温度及压力的控制情况，有等温法与等压法之分。一般，静态法采用 等温测定，动态法的高压汽液平衡测定多采用等温法。总之，汽液平衡系统特点各异，而测定的方法亦丰富多彩。本实验采用的是常压下（等压）双循环法测定乙醇 一水的汽液平衡数据。三. 实验原理以循环法测定汽液平衡数据的平衡釜有多种型式，但基本原理

4、是一样的。如图1所示，当体系达到平衡时，A和B两容器中组成不随时间而变化，这时从A 和B两容器中取样分析，可以得到 一组汽液平衡实验数据。根据相平衡原理，当汽液两相 达到相平衡时，汽液两相温度压力相等，同时任一组分在各相中的逸 度相等，即：宀(1)fiv = fiL I ii这里 viLri x i对低压汽液平衡，其气相可以视为理想气体混合物，即：=1，忽略压力对液体逸度的影响，即= P0，从(2)而得出低压下汽液平衡关系式:Pyi 二 WiP式中 P体系压力（总压）P0-纯组分i在平衡 温度下的饱和蒸汽压（可用 Antoine公式计算）Xi, yi-组分i在液相、汽相中的摩尔分数 n组分i的

5、液相活度系数。Antoine 公式:(2)BiG t这里的压力为mmHg，温度为C。由实验测得等压下体系的汽液平衡数据即温度、压力、液相组成、汽相组成（T、P、x、y）。用公式（2）计算不同组成下的活度系数：riPyiXiP0这样得到的活度系数我们就称为实验的活度系数四. 实验装置及仪器采用化工热力学研究室改进的 Rose釜，该釜结构独特（如图10所示）,汽 液双循环，操作非常简便，平衡时间短，不会出现过冷过热现象，适用范围广。 温度测定用1/10C的精密水银温度计。样品组成采用折光指数法分析。图10 改进的ROSE釜五.数据处理实验测得的活度系数需要选用一个数学模型关联之。在这里我们可先用W

6、illson方程关联计算。Willson方程如下：In r1In(Xi - x 12X2) x2(捲 +A12x2A 21.21x1 - X2In r2 - - ln(x2.21x1) x1(X1- X 12X2式中，上12,上21称为Willson配偶参数:_expV1口一(g12 - g11 )RT V1exp一 (g21 - gn 片 rt 上二式中，g-gn、g21-gn称为二元交互作用能量参数。V1、V 则是组 分1、组分2的液体饱和体积，它是温度的函数。计算时，以mF八（y1实- 计）2 仏实- y2计）2j吕为目标函数（也可以选用别的目标函数），采用非线性最小二乘法，对 Will

7、son 配偶参数进行优化而得到a12,a21，（并进一步还可以计算出g12 -g、g21 -g），利用优化出来的上12,上21，通过Willson方程计算门计，r2计，并进一步计算y1计， y2计。有能力使用上述方法的同学不妨用自己的实验数据拟合出Willson配偶参数。如果有困难，可使用文献数据计算。本文附录有g12 -gn、g21 - gn的文献数据，可利用该数据计算 上-“，通 过Willson方程计算ri计，yi计,并与实验数据r实，yi实比较。计算上上21时，V1,V2可从附录数据内插求出六.实验步骤1 用量筒量取140150毫升去离子水，3035毫升无水乙醇，从加料口加入平 衡釜内

8、；2.开冷却水（注意不要开得太大）；3 .打开加热开关，调节调压器使加热电压在200V，待釜液沸腾23分钟左右后， 慢慢地将电压降低至90130V左右（视 沸腾情况而定，以提升管内的汽泡 能连续缓慢地上升为准，不可猛烈上冲，也不可断断续续）；4. 从气压计上读出大气压数据记下；5. 调节阿贝折光仪的循环水温至 30C；6. 观察平衡釜内汽液循环情况，注意平衡室温度变化情况，若温度已连续1520 分钟保持恒定不变，则可以认为已达平衡（为什么？）可以取样分析；7. 将一个取样瓶在天平上称重（记下重量Gi），然后往瓶内加入半瓶左右的去 离子水（约3毫升）称重（记下重量G2），该含水的取样瓶用于取汽相

9、样品。 另用一个空瓶（注意不要加水）取液相样品；8. 取样前记下平衡温度，并用一烧杯分别从二个取样口放掉12毫升左右的液 体9. 用准备好的二个取样瓶同时取样，取样量约为容积的4/5左右。取好样后，立即盖上盖子。然后将汽相样品瓶在电光天平上称重（记下重量G3）。液相不必称重；10. 取样后，再向釜内加入1520毫升的乙醇以改变釜内组成。11. 将汽相样品瓶摇晃，使瓶内样品均匀，然后将二个样品在阿贝折光仪上 测出折光指数，通过nD0-x标准曲线查出液相样品的摩尔组成 x，汽相稀释 样品的组成y'12. 根据称出的重量（G1, G2, G3）及汽相稀释样品的组成y'计算出汽相组 成

10、y实,计算公式为18y'（G -G1）y.18（G3 _G2）_28y'（G2 _GJ13. 重复上述步骤6步骤12,进行下一组数据的测定。要求每一小组测定45组平衡数据14. 结束实验，整理好实验室七、数据处理及实验1 .实验数据都要及时如实地记录在实验数据记录表内表1 实验条件记录大气压力/kPa系统压力/kPa室温/C加热电压/V102.80102.8025. 892102.70102.7026. 492102.80102.8026. 092表2 实验数据记录序号平衡 温度气相液相G1G2G330 “D丫1T30nDX1188.612.08618.15623.0631.3

11、390.0460.1131.33780.038288.212.12318.58822.6711.34510.0880.2901.3370.033386.812.18118.83522.4961.33950.0490.1601.3380.039Gi瓶重，G2（瓶+水）重；G3（瓶+水+样品）重计算过程示例:18y'G -GJ18(G3 _G2)_28y'(G2 _GJ计算示例：以T= （273.15+88.6） =361.75K为例，组分1为乙醇，组分2为水。查附录知：-gn =932.54J/molg21 -gn =4189.66J/m o l使用内插法可知：V仁61.97+(

12、88.6-80)/(90-80)*(63.01-61.97)=62.8644ml/molV2=18.52+(88.6-80)/(90-80)*(18.65-18.52)=18.6318ml/mol上 12上21上 exp土口 V1RTRT18. 6318 exp9324 =0.2173762. 86448. 3145361.7562. 8644 exp 4189.66 =0.8353418. 63188. 3145361.75又 xi =0.046,所以 X2=1-捲=0.954有：In1 =-1 n（x1 亠 1.12X2） X2（ 匕21）X1+/L12X2人21捲 +X20. 2 1 7

13、37_丨 n 0. 046 0. 21737 0. 9540. 95（40. 0 40. 2 1 7 3 7 0. 9 5 40. 8 3 5 3 40. 83534 0.04 6 0. 9 5=1.388即：1 （计算）=4.007又系统压力为：P=102.80KPa=102.80/101.325*760mmHg=771.063mmHglg P0 = A1=8.1122-1592.864/（226.184+88.6） =3.052C tR0=1173.8mmHg所以 y （计算）=3.052*0.046*1173.8/771.063=0.2137又y （实验）=0.113所以1（实验）二-=

14、771.063*0.2137/（0.046*1173.8） =3.0517 X1R同理，可以得到°的计算值和实验值。用同样方法可得如下数据表：T/K88.688.286.8V /ml/mol62.864462.8i3262.53i6V2/ml/moli8.63i8i8.6024i8.5902A120.217370.2i740.2i74A 210.835340.83200.8245Xi0.0460.0880.049R° /mmHgii8i.34i089.42i006.52P2°/mmHg5i9.292i477.i953439.7206ri （计算）4.0073.92

15、i3.657ri （实验）3.05i73.0243.003yi （计算）0.2i370.23050.2702yi （实验）0.ii30.i320.i45J （计算）i.009i.0i4i.02i° （实验）3.0623.0833.43i3将所测数据及计算数据在x-y图、T-x-y图上画出（请复习热力学中有关相图 的知识）。x-y图（两图分别为所测数据和计算数据的为yi图）计算值*实验值0.050000.0460.0880.049图1实验数据与计算数据的X,%图比较乙醇-水体系气液相平衡图对角线原始数据曲线拟合数据曲线982图2乙醇水标准Xi*图乙醇-水温度组成图7500.1 0.20

16、.30.40.50.60.70.80.91组成x或y总结：通过以上数据表计较可知，实验所测数据图与计算数据差别很大， 但 总体趋势相似。对实验数据所作的y-x图和标准的图做比较可以发现， Wils on理 论计算出来的结果和实验曲线接近度较高， 而实验测量出来的数据则存在很大的 误差；尤其是88.2°的点存在很大的误差，该点气相组成 y值严重偏小，导致 图3中曲线向内偏，可能的原因是做实验时在稀释气相组成时称量或者使用阿贝 折光仪时由于乙醇的挥发导致的误差， 也可能是因为排除非循环部分时排出的气 相物过多导致组成严重失衡。4讨论： 你是怎样判断汽液二相平衡的？为什么？答：根据相律，在

17、压力恒定的情况下，有 F=C-P+1,其中C=2, P=2,所以 自由度 F=2-2+1=1 ，当系统温度恒定时，系统的自由度为 0，系统可认为达到相 平衡，可以取样进行组成分析。温度 15 分钟内不发生变化即可认为其达到了恒 定值。 你所测的数据可信吗？为什么？有哪些因素（主要的）影响了你的数据的 准确性？操作中哪些地方最值得注意？答：通过对图像的分析可以知道，测量得到的数据在趋势上和理论数据相吻 合，而在 88.4 °C 的数据测量存在问题。值得注意的问题有：本实验中温度测量是一个重点， 因此对沸腾的气液系统进行准确的温度测量 是实验成功的关键，实验要保证沸腾的液体刚好打到水银泡上，这就要求热 量供给要足够小心； 实验过程中逐渐增加乙醇的量来改变液体组成，并在不同组成下，测量其相 平衡。也正是由于如此，在进行取样的时候会存在量的要求。如果气相取样 过多，而气相中乙醇的量很多，就会导致乙醇大量被排出系统，使系统