汽液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定.docVIP

專(zhuān)業(yè)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 日期： 2015 地點(diǎn)： 裝 訂 線(xiàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)： 化工專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)教師： 李勇 成績(jī)：_實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： 氣液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容二、實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)處理依據(jù)三、實(shí)驗(yàn)裝置與試劑 四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、數(shù)據(jù)記錄及處理 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及誤差分析七、分析和討論 汽液平衡數(shù)據(jù)是最常用的化工基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。許多化工過(guò)程如精餾的設(shè)計(jì)、操作及過(guò)程控制等都離不開(kāi)汽液平衡數(shù)據(jù)。在熱力學(xué)研究方面，新的熱力學(xué)模型的開(kāi)發(fā)，各種熱力學(xué)模型的比較篩選等也離不開(kāi)大量精確的汽液平衡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在，各類(lèi)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(cè)定研究的文章發(fā)表。所以，汽液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定及研究深受化工界人士的重視。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容通過(guò)測(cè)定常壓下乙醇水二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，使同學(xué)們了解、掌握汽液平衡數(shù)據(jù)測(cè)定的方法和技能，熟悉有關(guān)儀器的使用方法，將課本上學(xué)到的熱力學(xué)理論知識(shí)與實(shí)際運(yùn)用有機(jī)地聯(lián)系在一起。從而既加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，又提高了動(dòng)手的能力。氣液平衡測(cè)定的種類(lèi)：由于汽液平衡體系的復(fù)雜性及汽液平衡測(cè)定技術(shù)的不斷發(fā)展，汽液平衡測(cè)定也形成了特點(diǎn)各異的不同種類(lèi)。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(cè)定的技術(shù)相對(duì)比較復(fù)雜，難度較大。常減壓汽液平衡測(cè)定則相對(duì)較易。按形態(tài)分，有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)法技術(shù)相對(duì)要簡(jiǎn)單一些，而動(dòng)態(tài)法測(cè)定的技術(shù)要復(fù)雜一些但測(cè)定較快較準(zhǔn)。在動(dòng)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(qiáng)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(duì)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(cè)定，動(dòng)態(tài)法的高壓汽液平衡測(cè)定多采用等溫法。 圖1 循環(huán)法測(cè)定汽液平衡數(shù)據(jù)的基本原理示意圖總之，汽液平衡系統(tǒng)特點(diǎn)各異，而測(cè)定的方法亦豐富多彩。本實(shí)驗(yàn)采用的是常壓下（等壓）雙循環(huán)法測(cè)定乙醇水的汽液平衡數(shù)據(jù)。二、實(shí)驗(yàn)原理及數(shù)據(jù)處理依據(jù)以循環(huán)法測(cè)定汽液平衡數(shù)據(jù)的平衡器類(lèi)型很多，但基本原理一致，如圖1所示，當(dāng)體系達(dá)到平衡時(shí)，a、b容器中的組成不隨時(shí)間而變化，這時(shí)從a和b兩容器中取樣分析，可得到一組汽液平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，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，；再忽略壓力對(duì)液體逸度的影響，從而得出低壓下氣液平衡關(guān)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(jì)算；xi、yi分別為組分I在液相和氣相中的摩爾分率；i組分i的活度系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測(cè)得等壓下氣液平衡數(shù)據(jù)，則可用. . (3)計(jì)算出不同組成下的活度系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)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：ln1=-ln(4)ln2=-ln(5)Wilson方程二元配偶參數(shù)和采用非線(xiàn)形最小二乘法,由二元?dú)庖浩胶鈹?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F=(6)三、實(shí)驗(yàn)裝置與試劑實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)下圖，其主體為改進(jìn)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(shí)驗(yàn)步驟1用量筒量取140150毫升去離子水，3035毫升無(wú)水乙醇，從加料口加入平衡釜內(nèi)；2開(kāi)冷卻水（注意不要開(kāi)得太大）3打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)調(diào)壓器使加熱電壓在200V，待釜液沸騰23分鐘左右后，慢慢地將電壓降低至90130V左右（視沸騰情況而定，以提升管內(nèi)的汽泡能連續(xù)緩慢地上升為準(zhǔn)，不可猛烈上沖，也不可斷斷續(xù)續(xù)）；4從氣壓計(jì)上讀出大氣壓數(shù)據(jù)記下；5調(diào)節(jié)阿貝折光儀的循環(huán)水溫至30；6觀(guān)察平衡釜內(nèi)汽液循環(huán)情況，注意平衡室溫度變化情況，若溫度已連續(xù)1520分鐘保持恒定不變，則可以認(rèn)為已達(dá)平衡（為什么？）可以取樣分析；7將一個(gè)取樣瓶在天平上稱(chēng)重（記下重量G1），然后往瓶?jī)?nèi)加入半瓶左右的去離子水（約3毫升）稱(chēng)重（記下重量G2），該含水的取樣瓶用于取汽相樣品。另用一個(gè)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(gè)取樣口放掉12毫升左右的液體；9用準(zhǔn)備好的二個(gè)取樣瓶同時(shí)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(chēng)重（記下重量G3）。液相不必稱(chēng)重；10取樣后，再向釜內(nèi)加入1520毫升的乙醇以改變釜內(nèi)組成；11將汽相樣品瓶搖晃，使瓶?jī)?nèi)樣品均勻，然后將二個(gè)樣品在阿貝折光儀上測(cè)出折光指數(shù)，通過(guò)n(30,D)-x標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)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(chēng)出的重量（G1，G2，G3）及汽相稀釋樣品的組成y計(jì)算出汽相組成y實(shí)，計(jì)算公式為13重復(fù)上述步驟6步驟12，進(jìn)行下一組數(shù)據(jù)的測(cè)定。要求每一小組測(cè)定45組平衡數(shù)據(jù)；14結(jié)束實(shí)驗(yàn)，整理好實(shí)驗(yàn)室。五、數(shù)據(jù)記錄及處理（1）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理序號(hào)平衡溫度 氣相液相G1G2G3n(30,D)1n(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。計(jì)算過(guò)程示例：計(jì)算示例：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(nèi)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：0.217270.84926又x1=0.046，所以x2=1-x1=0.952有：=1.364即：r1（計(jì)算）=3.913又系統(tǒng)壓力為：P=100.18KPa=100.18/101.325*760mmHg=751.41mmHg3.0971249.201mmHg所以y1（計(jì)算）=3.097*0.048*1249.201/751.41=0.2471又y1（實(shí)驗(yàn)）=0.7915同理，可以得到2r的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值。用同樣方法可得如下數(shù)據(jù)表：T/ K364.5500 362.6500 360.4500 V1 ml/mol63.1654 62.9580 62.7292 V2 ml/mol18.6682 18.6435 18.6149 120.2173 0.2173 0.2174 210.8493 0.8415 0.8326 x10.0480 0.0620 0.0870 P/mmHg1249.2010 1165.3200 1074.0750 P/mmHg553.9138 515.3409 473.5146 r1(計(jì)算)3.9133 3.6489 3.2460 r1（實(shí)驗(yàn)）3.0966 3.0664 3.0310 y1（計(jì)算）0.2471 0.2948 0.3769 y1（實(shí)驗(yàn)）0.3063 0.3295 0.3376 r2（計(jì)算）1.0074 1.0120 1.0222 r2（實(shí)驗(yàn)）2.7434 2.7121 2.6753 y2（計(jì)算）0.0971 0.1153 0.1467 （3）將所測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)在x-y圖、T-x-y圖上畫(huà)出。x-y圖(兩圖分別為所測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的x1y1圖)圖1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的x1y1圖比較圖2乙醇-水標(biāo)準(zhǔn)x-y圖圖3 T-x-y圖（圖中曲線(xiàn)只是說(shuō)明數(shù)據(jù)點(diǎn)的大致趨勢(shì)，并不準(zhǔn)確）三角形為計(jì)算值六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及誤差分析通過(guò)以上數(shù)據(jù)表計(jì)較可知，實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)圖與計(jì)算數(shù)據(jù)差別很大，但總體趨勢(shì)相似。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所作的y-x圖和標(biāo)準(zhǔn)的圖做比較可以發(fā)現(xiàn)，Wilson理論計(jì)算出來(lái)的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)接近度較高，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)則存在很大的誤差。尤其是87.3C的點(diǎn)存在很大的誤差，該點(diǎn)氣相組成y值嚴(yán)重偏小，導(dǎo)致圖3中曲線(xiàn)向內(nèi)偏，可能的原因是做實(shí)驗(yàn)時(shí)在稀釋氣相組成時(shí)稱(chēng)量或者使用阿貝折光儀時(shí)由于乙醇的揮發(fā)導(dǎo)致的誤差，也可能是因?yàn)榕懦茄h(huán)部分時(shí)排出的氣相物過(guò)多導(dǎo)致組成嚴(yán)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(dāng)系統(tǒng)溫度恒定時(shí)，系統(tǒng)的自由度為0，系統(tǒng)可認(rèn)為達(dá)到相平衡，可以取樣進(jìn)行組成分析。溫度15分鐘內(nèi)不發(fā)生變化即可認(rèn)為其達(dá)到了恒定值。（2）你所測(cè)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(zhǔn)確性？操作中哪些地方最值得注意？答：通過(guò)對(duì)圖像的分析可以知道，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上和理論數(shù)據(jù)相吻合，而在88.4C的數(shù)據(jù)測(cè)量存在問(wèn)題。值得注意的問(wèn)題有：1本實(shí)驗(yàn)中溫度測(cè)量是一個(gè)重點(diǎn)，因此對(duì)沸騰的氣液系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度測(cè)量是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，實(shí)驗(yàn)要保證沸騰的液體剛好打到水銀泡上，這就要求熱量供給要足夠小心；2實(shí)驗(yàn)過(guò)程中逐漸增加乙醇的量來(lái)改變液體組成，并在不同組成下，測(cè)量其相平衡。也正是由于如此，在進(jìn)行取樣的時(shí)候會(huì)存在量的要求。如果氣相取樣過(guò)多，而氣相中乙醇的量很多，就會(huì)導(dǎo)致乙醇大量被排出系統(tǒng)，使系統(tǒng)乙醇含量降低，而加入的乙醇會(huì)使乙醇含量增加。兩者之間存在一定矛盾關(guān)系，很可能幾次的取樣后，加入的量達(dá)