高壓下CO2-[emim][Tf2N]溶解度實驗研究

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科畢業(yè)論文高壓下CO2-emimTf2N溶解度實驗研究 摘要 隨著社會的發(fā)展，能源日益枯竭和環(huán)境的溫室效應(yīng)問題越來越多的受到人們的關(guān)注，并且在當(dāng)今時代已經(jīng)成為全世界都面臨和深思并需求找到有效的方法解決的社會性問題。在吸收式制冷系統(tǒng)中，系統(tǒng)性能的好壞在很大的程度上都依賴于制冷工質(zhì)的化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)，工質(zhì)對的汽液相平衡數(shù)據(jù)是制冷系統(tǒng)熱力參數(shù)的計算以及系統(tǒng)的動力循環(huán)分析師不可缺少的數(shù)據(jù)。而CO2 是一種環(huán)境友好的自然工質(zhì)，其ODP為0，GWO為1，具有單位容積制冷量大、傳熱損失小、節(jié)流損失小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。本文主要通過實驗研究了高壓下CO2-emimTf2N溶解度問題

2、，通過實驗研究，將CO2-emimTf2N的汽液相平衡數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得出CO2和離子液體emimTf2N的混合二元體系中CO2的溶解度隨著溫度的升高而降低，隨著壓力的升高而增加。關(guān)鍵詞：吸收式制冷系統(tǒng)，自然工質(zhì)，CO2-emimTf2N，溶解度AbstractWith the development of society, the depletion of energy and the greenhouse effect of the environment are attracting more and more people's attention, and in the p

3、resent era has become the world is facing and thinking and need to find effective ways to solve the social problems. In the absorption refrigeration system, the system performance depends very much on the chemical and thermodynamic properties of the refrigerant. The vapor-liquid equilibrium data of

4、the working fluid is the calculation of the thermal parameters of the refrigeration system and the power of the system Circulate the analyst indispensable data. CO2 is an environment-friendly natural working fluid, its ODP is 0, GWO is 1, with a unit volume of cooling capacity, heat loss is small, t

5、hrottling loss is small, stable chemical properties, good economy and so on. In this paper, the solubility of CO2- emim Tf2N under high pressure is studied experimentally. The experimental results show that the vapor-liquid equilibrium data of CO2- emim Tf2N are collated and analyzed to obtain CO2 a

6、nd ionic liquid The solubility of CO2 in the mixed binary system decreases with increasing temperature, and increases with increasing pressure.Keywords: absorption refrigeration system, natural working fluid, CO2- emim Tf2N, solubility1 緒 論 吸收式制冷系統(tǒng)可利用地?zé)帷⑻柲芎蛷U熱等低品位能源作為驅(qū)動能源，具有較高的熱轉(zhuǎn)換效率。吸收式制冷循環(huán)使用的制冷工質(zhì)有水

7、系、氨系、醇系和氟利昂系，但CFC 和 HFC等氟利昂的全球變暖潛能值（GWP）和消耗臭氧潛能值（ODP）較高；氨雖為天然工質(zhì)，但其汽化潛熱小、可燃有毒，氨水接收制冷循環(huán)需要精餾部件并且不容易實現(xiàn)多效化；溴化鋰吸收制冷循環(huán)局限在0以上，產(chǎn)生的結(jié)晶和腐蝕問題也較突出，因此對吸收制冷工質(zhì)對進(jìn)行創(chuàng)新升級是各國相關(guān)學(xué)者的當(dāng)務(wù)之急。1.1 課題背景 隨著社會的發(fā)展，能源日益枯竭和環(huán)境的溫室效應(yīng)問題越來越多的受到人們的關(guān)注，并且在當(dāng)今時代已經(jīng)成為全世界都面臨和深思并需求找到有效的方法解決的社會性問題。隨著不可再生能源的逐漸枯竭，人類生活環(huán)境的日益惡化，全球溫室效應(yīng)的不斷增強(qiáng)，臭氧層的破壞日益嚴(yán)重。吸收式制

8、冷利用低品位熱源做為驅(qū)動能源，系統(tǒng)具有較高的熱量轉(zhuǎn)換效率，吸收式制冷作為一種高效、安全的利用中、低品位能技術(shù)而受到各國能源研究者的關(guān)注，因此日益受到人們的關(guān)注和重視。自上世紀(jì)30年代以來，鹵代烴類（CFCs）制冷劑的使用，使得臭氧層受到破壞嚴(yán)重，水和氨等作為制冷劑的吸收式制冷系統(tǒng)逐漸受到重視，水和氨在自然界中就存在，作為制冷劑來說對環(huán)境和大氣沒有傷害，是無公害的干凈制冷劑；吸收式制冷系統(tǒng)除了采用無公害的制冷劑之外還采用以低品位熱源作為驅(qū)動能源，低品位熱源如鍋爐蒸汽、燃料產(chǎn)生的低熱能外，還包括余熱、廢熱、風(fēng)能、太陽能等，系統(tǒng)可以實現(xiàn)制冷和制熱的雙重目的在同一機(jī)組當(dāng)中，這對熱能的有效綜合利用以及企

9、業(yè)的效益的提高具有現(xiàn)實的意義。目前，氨-水和水-溴化鋰二元混合工質(zhì)對作為傳統(tǒng)的吸收式制冷工質(zhì)對，已經(jīng)有了很好的發(fā)展，然而在系統(tǒng)的使用過程中發(fā)現(xiàn)它們存在有比較多的不足，例如氨-水制冷系統(tǒng)中，制冷劑氨具有刺激性、腐蝕性。對人體器官有刺激性作用，需要設(shè)立精餾裝置，氨水溶液具有堿性，對金屬材料（除磷青銅）有腐蝕作用，需要系統(tǒng)具有較高的發(fā)生溫度，在相當(dāng)大的程度上會制約氨水吸收式制冷機(jī)對低溫?zé)嵩吹挠行Ю茫辉谒?溴化鋰的制冷系統(tǒng)中，溴化鋰水溶液對金屬材料有比較強(qiáng)的腐蝕作用，并且系統(tǒng)在運(yùn)行時候，在高濃度的情況下會出現(xiàn)結(jié)晶的現(xiàn)象，堵塞系統(tǒng)中的管道，而且制冷溫度不能太低，其對系統(tǒng)的氣密性有很高的要求。因此，各制

10、冷學(xué)者在對于新的制冷工質(zhì)對的不斷尋求和嘗試研究一直是沒有間歇的進(jìn)行。相比之下，CO2 是一種環(huán)境友好的自然工質(zhì)，其ODP為0，GWO為1，具有單位容積制冷量大、傳熱損失小、節(jié)流損失小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點。早在1886年CO2就用于壓縮式制冷機(jī)中，然而有關(guān)CO2吸收制冷 系統(tǒng)研究的公開報道較少。隨著對CO2 吸收劑的深入研究，離子液體的出現(xiàn)解決了吸收制冷工質(zhì)的缺陷問題。離子液體常溫條件下是液體形態(tài)，具備化學(xué)與熱穩(wěn)定性均表現(xiàn)較好，具有對環(huán)境無害，對人無毒的優(yōu)點，在蒸氣壓在溫度范圍為-30500K內(nèi)可以忽略不計。1.3 制冷工質(zhì)對的研究歷史 人類液體在對蒸汽進(jìn)行吸收時可以產(chǎn)生冷量，利用這個

11、原理的制冷技術(shù)?？梢陨纤莸?777年，法國的Naime在實驗中使用濃硫酸對空氣中水分的吸收，可以使未經(jīng)蒸發(fā)的水冷卻進(jìn)而制取冰，根據(jù)原理愛丁堡的物理學(xué)教授Scotsman建成可以制取干冰的裝置，這是人類最初吸收式制冷的雛形。此時水和硫酸就形成了制冷工質(zhì)對。而從二十世紀(jì)五十年代以來，制冷工質(zhì)對的一般按照制冷劑不同分為：水、醇、氨和氟利昂這四大系。這些工質(zhì)對產(chǎn)生是以制冷劑和吸收劑在配合實際使用中效果最佳的情況制定。工質(zhì)對的配對是依據(jù)以下原則進(jìn)行：1）較大的蒸發(fā)潛熱以減小循環(huán)量，縮減裝置尺寸，簡化裝置；2）工作壓力的應(yīng)用范圍要符合常規(guī)情況；較小的工作壓力差； 3）冷凝壓力不易過高，4)化學(xué)性質(zhì)不宜活潑

12、，低腐蝕性來保護(hù)設(shè)備；5）制冷劑與吸收劑要有較低的比熱容，傳熱和熱力系數(shù)要高；6）汽液相粘度小，對外泄氣體易于檢測，蒸汽壓力不易過低；7）無毒性，可燃性，刺激性，爆炸性等危險性質(zhì)。8）價格低廉，實際生活獲得方便。制冷劑和吸收劑之間的配合要求：具有比較高的熱和化學(xué)穩(wěn)定性，制冷劑在吸收劑中有很好的溶解性并且當(dāng)外界條件發(fā)生變化時溶解度也有一定變化，具有較低的混合熱和較高的沸點差，以及較低的質(zhì)量流率。但是上述條件本身就存在相互矛盾的狀況，難以同時滿足，只能抓住制冷工質(zhì)對現(xiàn)實使用的主要要求，忽略次要因素達(dá)成一種結(jié)果最優(yōu)的方案。本文下面將會詳細(xì)介紹各大工質(zhì)對研究發(fā)展概況。（表1.1為常用制冷工質(zhì)對）1.3

13、.1 水系制冷工質(zhì)對的研究水系工質(zhì)對是目前研究最熱點的方向，因為水本身就是一種優(yōu)良的制冷劑，可以和各種鹽類組成制冷工質(zhì)對，水系工質(zhì)對對解決目前大量商用LiBr吸收式制冷劑所出現(xiàn)的容易結(jié)晶，腐蝕性強(qiáng)，蒸發(fā)溫度只能維持在0攝氏度以上等缺陷有重大意義。從前為解決 LiBr溶解出現(xiàn)的結(jié)晶問題，使用過加入抗凍劑和提高溶液流速的方案，但是都會使系統(tǒng)性能下降。針對此問題，研究發(fā)現(xiàn)在以水為制冷劑的鹽溶液中Li-Br；LiNO3；KBr；NaBr四種溶液有良好的性能，并且由無機(jī)物鹽溶液溶解度實驗顯示，LiBr和LiI混合物在水中的溶解度表現(xiàn)最好。而在使用用水做為由于水所具有其它溶劑所不具有的特性，使得其吸收式制

14、冷中成為一種優(yōu)良的制冷劑，各種鹽類可以和水溶解混合組成不同性質(zhì)的制冷工質(zhì)對，目前主要水在和氨與溴化鋰組成制冷工質(zhì)對的研究最為廣泛。由于溴化鋰的穩(wěn)定性很好，水的蒸發(fā)潛熱與化學(xué)穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，因此在商業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用很廣泛。而氨與水系統(tǒng)和溴化鋰與水組成的系統(tǒng)兩者進(jìn)行比較時，溴化鋰-水的制冷系統(tǒng)也具有諸多優(yōu)點，其具有工作的壓力相對比較低能源能夠在溴化鋰吸收式制冷機(jī)可以得到高效利用，且具有冷量調(diào)節(jié)范圍寬、能耗低、以及環(huán)境友好等優(yōu)點。1.3.2 氨系制冷工質(zhì)對的研究氨是目前應(yīng)用最廣的中溫中壓制冷劑，因為氟利昂在二十世紀(jì)三十年代的出現(xiàn)以及使用，為人類生活帶來了方便，但是其所帶來的對大氣中的臭氧層產(chǎn)生了損壞，

15、增加了溫室效應(yīng)，已經(jīng)被限制使用，在這種背景下，研究者發(fā)現(xiàn)氨制冷技術(shù)具有很大的應(yīng)用潛質(zhì)，可以很好的代替氟利昂制冷劑。氨系制冷工質(zhì)對主要包括氨-水（NH3-H2O)工質(zhì)對、乙氨-水、甲氨-水、硫氰酸鈉-氨（NaSCN-NH3）等工質(zhì)對。由于氨的ODP和GWP均為零，具有良好的吸水性，對鋼鐵的腐蝕性幾乎為零，氨的蒸發(fā)潛熱極好同時放熱系數(shù)高比重和粘度小，其為自然工質(zhì)價格低廉，可以容易獲得，能夠有利于氨-水吸收式制冷循環(huán)機(jī)組的小型化和空冷化。雖然氨仍有例如毒性，可燃性高，有刺激性臭味等缺點，但隨著制冷業(yè)的發(fā)展，至今的氨吸收式制冷系統(tǒng)仍然被廣泛的使用，并且氨制冷會逐漸向著自動化、智能化的方向發(fā)展。1.3.

16、3 醇系制冷工質(zhì)對的研究醇主要包含的有甲醇、乙醇、氟代醇等。對于醇系的制冷系統(tǒng)中醇系制冷工質(zhì)對的研究主要有甲醇作為主要制冷劑，和水、溴化鋰-鋅等組成的吸收劑作為制冷工質(zhì)對，而氟代醇和高沸點有機(jī)物混合組成的制冷工質(zhì)對等。從環(huán)保角度的考慮而言，醇系制冷工質(zhì)對相對于其它的制冷工質(zhì)對而言其具有很好的優(yōu)勢。甲醇的汽化潛熱較高，可以制取0攝氏以下的冷量，溫度的應(yīng)用范圍廣，對制冷設(shè)備的腐蝕性較小，可甲醇具有毒性，常溫下易燃燒等缺點。而乙醇雖然制冷能力不如甲醇，但乙醇作為制冷劑時制冷系統(tǒng)的發(fā)生器加熱溫度不高，太陽能吸收式制冷機(jī)組可以和乙醇有良好匹配。氟代醇的腐蝕性低、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、可燃點高等特點，具有很好應(yīng)用

17、發(fā)展前景，是現(xiàn)在研究者的主要研究方向。1.3.4 氟利昂系制冷工質(zhì)對的研究氟利昂是飽和碳?xì)浠衔锓蠕逖苌锏慕y(tǒng)稱，具有明顯的規(guī)律性，含（H）原子多，可燃性強(qiáng)，含（CL）原子多，毒性大污染嚴(yán)重，含（F）原子多，化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良，其可以直觀表示為CFCs；HCFC；HFC；其中CFCs制冷劑因為對環(huán)境危害大在1987年聯(lián)合國修訂的蒙特利爾議定書及1992年的哥本哈根會中明確規(guī)定發(fā)達(dá)國家從1996年1月1日起完全停止使用和生產(chǎn)CFCs類物質(zhì)，經(jīng)過二十年各國不懈努力已經(jīng)基本停止生產(chǎn)，而HCFCs的停止生產(chǎn)使用也已經(jīng)提上日程，HFC類制冷劑成為制冷劑更加環(huán)保節(jié)能背景下的主流研究方向。而鹵代烴是一類飽和碳

18、氫化合物的鹵元素的代替物。在目前制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的鹵素取代物以甲烷和乙烷為主。鹵代烴具穩(wěn)定與無毒不易燃易爆等優(yōu)點，與有機(jī)物可形成互溶性良好的制冷工質(zhì)對。同時不可否認(rèn)鹵代烴系制冷劑具有諸多優(yōu)點，對其他制冷劑的缺陷有替代作用。例如溴化鋰-水制冷系統(tǒng)中的制冷工質(zhì)對，使用的過程中需要設(shè)備完全真空而單位體積內(nèi)制冷量小，對低溫條件的冷量（0以下）不能制取，容易引起系統(tǒng)設(shè)備結(jié)晶，對設(shè)備易腐蝕；等突出問題可以進(jìn)行解決。而也可代替氨-水工質(zhì)對可解決氨汽化潛熱小，蒸汽壓高，隨溫度的影響明顯，以及氨具有毒性的問題。研究者在二十世紀(jì)的四五十年代就開始進(jìn)行對于氟利昂系制冷工質(zhì)對的研究，以彌補(bǔ)其它制冷工質(zhì)對的不足。在早期的

19、制冷歷史中制冷劑主要是采用無機(jī)化合物，1929年制冷劑的研究取得了突破性的發(fā)展，研究者合成了一系列的含氯鹵代烴制冷劑，在制冷系統(tǒng)中很好的進(jìn)行運(yùn)用，鹵代烴制冷劑的出現(xiàn)使得壓縮式制冷機(jī)得到了迅速的發(fā)展，在二十世紀(jì)五十年代，制冷系統(tǒng)中開始使用混合制冷劑，而在二十一世紀(jì)人們將開始尋找對環(huán)境友好無危害的新型制冷工質(zhì)對，對二氧化碳制冷工質(zhì)對研究被重新重視。1.2二氧化碳制冷工質(zhì)的研究一百年前CO2已經(jīng)作為制冷工質(zhì)被使用，在十九世紀(jì)八十年代到二十世紀(jì)三十年代，CO2和氨以及氯甲烷（R40）等被普遍應(yīng)用。CO2 制冷劑也叫做R744制冷劑，是一種綠色符合時代發(fā)展的制冷劑。常規(guī)條件下，CO2是一種無色無味的氣體

20、，它具有很低的ODP值和GWP值，分別為0和1。目前常用制冷工質(zhì)R134a和R12的GWP值分別為3100和7100，均是CO2的數(shù)千倍之多。從對環(huán)境的友好程度來看，CO2是除了水和空氣之外對環(huán)境最沒有危害的制冷工質(zhì)，是制冷工質(zhì)中潛力最大，也是最被研究者青睞的自然工質(zhì)。CO2作為最有前景的制冷工質(zhì)，其具有以下的優(yōu)點：（1） CO2具有不燃燒，不爆炸，無毒無害，安全性能高，具有良好熱力學(xué)性能及化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫條件下不會產(chǎn)生分離，與系統(tǒng)中活動部件的潤滑油不發(fā)生反應(yīng)；（2） 單位容積制冷量大，對于冷負(fù)荷一定時制冷劑的循環(huán)量可以減小，對制冷系統(tǒng)設(shè)備的小型化，緊湊性有利；（3） CO2是天然工質(zhì)，對大

21、氣臭氧層的原有形態(tài)不會產(chǎn)生干擾，使溫室效應(yīng)加大風(fēng)險降低，對環(huán)境來說極為有利，并且其具有動力粘度小流動性能好，系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的壓力損失相對較小；（4） CO2的傳熱性能優(yōu)秀，其蒸發(fā)潛熱強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)較大，耗能低。（5） 價格低廉，儲存量豐富，容易獲得。 CO2作為自然工質(zhì)是地球生物圈中的組成部分，對環(huán)境將會是友好型的。而其它制冷劑如NH3有毒且容易爆炸；和吸收劑的沸點溫度相差很小，需要另外設(shè)置精餾設(shè)備增加系統(tǒng)的成本投資；氨水溶液為堿性溶液，對金屬設(shè)備有腐蝕作用，并且工作壓力需求較高。而碳?xì)浠衔镒鳛橹评涔べ|(zhì)的時候可燃性不能克服，不能長期應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)。由以上可知，CO2作為制冷劑中目前最具有發(fā)

22、展?jié)撡|(zhì)的。1.3 本課題研究的目的意義及內(nèi)容1.3.1 研究目的及意義隨著吸收式制冷技術(shù)的迅速發(fā)展，化石能源儲量日益減少和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重性受到人類的逐漸重視。因為CFCs類制冷劑中鹵素元素在大氣中具有相對穩(wěn)定存在，不易分解，而且對大氣層中的臭氧層有破壞，破壞大氣環(huán)境，使得溫室效應(yīng)增強(qiáng)，因此，尋求新型的制冷工質(zhì)代替CFCs類制冷工質(zhì)成為研究者共同關(guān)注的焦點。吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)可以利用低品位能源（如鍋爐廢熱、太陽能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉矗轵?qū)動，采用對大氣中臭氧層沒有破壞的自然工質(zhì)作為工質(zhì)對，具有節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點。CO2作為天然工質(zhì)利用其獨(dú)特的優(yōu)點如果作為制冷工質(zhì)應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)中，產(chǎn)生的社

23、會和經(jīng)濟(jì)利益是可觀的。CO2在超臨界流體的萃取，食品和醫(yī)藥工業(yè)中的應(yīng)用也非常普遍。含有CO2體系的高壓汽液相平衡數(shù)據(jù)在石油工業(yè)中的應(yīng)用也非常廣泛，隨著超臨界萃取技術(shù)的逐漸發(fā)展顯得尤為重要。實驗研究高壓下CO2-emimTf2N溶解度問題，CO2和離子液體emimTf2N汽液相平衡的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)可以為研究含超臨界CO2系統(tǒng)的溶解度行為提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及超臨界流體理論的研究提供大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為以超臨界CO2和離子液體emimTf2N為工質(zhì)對的吸收式制冷的理論技術(shù)提供相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；另外也為CO2和離子液體的吸收制冷系統(tǒng)的設(shè)計、運(yùn)行、性能及動力循環(huán)提供很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對于離子液體在吸收式制冷系

24、統(tǒng)中的研究和發(fā)展有益，具有很大的學(xué)術(shù)意義和社會效益。1.3.2 研究內(nèi)容根據(jù)閱讀國內(nèi)外文獻(xiàn)的前提下，本課題選擇CO2和離子液體emimTf2N（1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽）組成的二元吸收制冷工質(zhì)對為研究對象，采用靜態(tài)的實驗方法測定二元混合制冷工質(zhì)對的汽液相平衡 p-T-x 數(shù)據(jù)并且測得其溶解度。具體的工作如下：首先，查閱相關(guān)汽液相平衡的國內(nèi)外文獻(xiàn)，選擇合適的汽液相平衡方法測定CO2和離子液體emimTf2N的平衡數(shù)據(jù)。其次，根據(jù)選擇的實驗方法，設(shè)計合適的工藝流程，采購實驗所需要的實驗設(shè)備和實驗測量儀器，進(jìn)行實驗的準(zhǔn)備工作。最后，將實驗設(shè)備和測量儀器按照設(shè)計的實驗工藝流程進(jìn)行連接，

25、進(jìn)行實驗前的檢查工作，在符合實驗要求的時候進(jìn)行實驗測定汽液相平衡數(shù)據(jù)，并記錄實驗測量的汽液相平衡數(shù)據(jù)，進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的處理。 第二章 汽液相平衡理論研究基礎(chǔ)吸收制冷系統(tǒng)中汽液相平衡發(fā)生在蒸發(fā)、冷凝和節(jié)流的過程。制冷工質(zhì)對決定吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)能力強(qiáng)弱的是的兩大性質(zhì)，分別是熱力學(xué)和化學(xué)性質(zhì)。吸收劑和制冷劑之間的汽液相平衡數(shù)據(jù)對于制冷循環(huán)熱力學(xué)參數(shù)的計算，對系統(tǒng)性能的優(yōu)化提高有積極的指導(dǎo)意義。目前主流的汽液相平衡的研究方法是實驗方法和理論計算的方法。而實驗的方法具有最直觀有效的方法，能夠為理論的研究計算提供相對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，如今的各個領(lǐng)域的研究對汽液相平衡的數(shù)據(jù)需求越來越多。汽液相平衡現(xiàn)象的解釋要從

26、其理論入手，而所預(yù)測的結(jié)果也要有實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)。2.1 相平衡概念相平衡是指由混合物（或溶液）形成的若干相保持物理平衡而共存的狀態(tài)。物質(zhì)從一相轉(zhuǎn)移到另外一相的過程成為該物質(zhì)的相變過程，從宏觀上看，沒有物質(zhì)由一相向另一相的凈遷移，稱為相平衡。相平衡從微觀上看，若干相之間分子轉(zhuǎn)移并未停止，只是兩個方向的遷移速率相同而已。而在熱力學(xué)中，相平衡表示著整個系統(tǒng)的自由能為極為微小的狀態(tài)。2.2 相平衡的分類相平衡的分類是根據(jù)混合物（或溶液）中各相種類的不同，相平衡可分為汽液相平衡（Vapor Liquid Equilibrium，VLE）、液液相平衡（Liquid Liquid Equilibrium，L

27、LE）、汽液液相平衡（Vapor Liquid Liquid Equilibrium，VLLE）、氣（難溶性氣體）液相平衡（Gas Liquid Equilibrium，GLE）、固液相平衡（Solid Liquid Equilibrium，SLE）和固固相平衡（Solid Solid Equilibrium，SSE）。而如果按照壓力進(jìn)行分類可分為：1） 理想低壓體系的VLE 表達(dá)式 ： 2）中低壓體系的VLE 表達(dá)式 ： 3）高壓體系的VLE是高壓 VLE 范疇通常指的是從十多個大氣壓到臨界壓力內(nèi)，甚至是超臨界壓力所測定的 VLE。 2.3 相平衡的判據(jù)相平衡狀態(tài)主要有三個方面，分別是熱平衡

28、、擴(kuò)散平衡和流體靜力平衡，三個平衡狀態(tài)的滿足條件分別是溫度、化學(xué)勢和壓力相等。而壓力、溫度相等可以由實驗直接測試而出，但化學(xué)勢相等只能用根據(jù)熱力學(xué)原來判斷。根據(jù)平衡物系的吉布斯自由能（Gibbs自由能）為最小的原則導(dǎo)出相平衡的條件：“當(dāng)各相的溫度與壓力均相等時， i；其個組分在各相的化學(xué)勢均相等”。對于由C個組分，P個相構(gòu)成的平衡體系，上述平衡條件可表示為(式2.1)（其中 表示P相中組分為i的化學(xué)勢）由化學(xué)勢即吉布斯自由能和逸度的關(guān)系可得出用分逸度表示的平衡判據(jù)。這也是經(jīng)常會采用的相平衡判據(jù)，即在多相多組分的體系中當(dāng)溫度和壓力一定的時候，系統(tǒng)中任意組分i在各相中的分逸度必須相等。 (式2.2

29、)2.6 逸度和逸度系數(shù)逸度是熱力學(xué)的重要變量，逸度相等是平衡熱力學(xué)計算中的一個開始點。逸度概念是因考慮溫度與壓力發(fā)生變化而導(dǎo)致Gibbs能改變。吉爾伯特·牛頓·路易斯(美國物理化學(xué)家)提出采用逸度代替壓力，就是如果壓力處在很低狀態(tài)，所有氣體均可看為理想氣體，這時的理想氣體的逸度和壓力相等，此時可有： (式2.3)人們由此規(guī)定將逸度和壓力的比值定義為逸度系數(shù)： (式2.4)式中，表示逸度系數(shù)，在理想氣體中是壓力p的函數(shù)。理想氣體的逸度等同于它的壓力，即數(shù)值為1。但真實氣體的逸度系數(shù)是壓力與溫度共同的函數(shù)，其值可比1大，也可小于1。因為壓力和逸度具有相同單位，逸度通常被視為壓

30、力的校正系數(shù)，或“有效”壓力。因此逸度系數(shù)可稱為校正壓力。氣體壓力和固液蒸汽壓是物質(zhì)逃逸趨勢的表征，所以逸度就是物質(zhì)從系統(tǒng)中逃逸趨勢的量度。2.7 活度和活度系數(shù)逸度和逸度系數(shù)一般用來表示氣態(tài)混合物壓力和溫度的改變對Gibbs能的影響，在液態(tài)混合物中也可使用。然而在液態(tài)的混合物的熱力學(xué)計算中最常使用的是活度和活度系數(shù)其表達(dá)式為： (式2.5)式中，表示組分i在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下逸度或者某狀態(tài)下逸度。活度的物理意義是表示流體在相對標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的活潑程度。在研究狀態(tài)下的組分i的吉布斯能的差別是通過和組分i的活度表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下組分i的吉布斯能對照得到的。而在另一個角度，真實溶液中組分i的濃度可等同活度ai和理想

31、溶液濃度xi的偏差出現(xiàn)的。此偏差的程度得到活度系數(shù)： (式2.6)由式可有結(jié)論，純組分液體的活度為1；理想溶液的活度和濃度相等；可以采用活度系數(shù)描述實際溶液的非理想性的度量，>1的時候表示對理想溶液具有正偏差的非理想溶液，<1的時候表示對理想溶液具有負(fù)偏差的非理想溶液。因此當(dāng)汽液相平衡VLE發(fā)生在非理想體系時，計算重點為活度系數(shù)。2.4 相平衡數(shù)據(jù)的測定汽液相平衡數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)溫度、壓力、液相摩爾分?jǐn)?shù)、汽相摩爾分?jǐn)?shù)（T、p、xi、yi）。汽液相平衡數(shù)據(jù)的測定分為兩種方法，分別為直接法和間接法。兩種方法的區(qū)別在于是否將汽液相平衡數(shù)據(jù)測定中的T、p、xi、yi四個參數(shù)測出。間接法：當(dāng)系統(tǒng)

32、中yi比較難以測量的時候，特別是混合物中含有重組分致使汽相中該組分的含量yi很小，測量的相對誤差很大，則可以利用現(xiàn)有的實驗裝置將T、p、xi參數(shù)由Gibbs-Duhem方程計算；直接法：汽液相平衡的T、p、xi、yi直接用實驗測量得到。汽液相平衡（VLE)數(shù)據(jù)的測量對于化工設(shè)備的設(shè)計和化工生產(chǎn)有指導(dǎo)作用，特別是在分析和解決傳質(zhì)分離設(shè)備的設(shè)計、控制和操作過程中，在研究開發(fā)新的傳質(zhì)分離過程中，都需要汽液相平衡數(shù)據(jù)的測量、關(guān)聯(lián)和推算。在逐漸出現(xiàn)的新過程、新產(chǎn)品和新技術(shù)都需要提供新物系和新條件下的汽液相平衡數(shù)據(jù)。2.5 相平衡研究意義相平衡對設(shè)計平衡工程和分離非常重要尤其在進(jìn)行平衡計算時，必須有相應(yīng)代

33、數(shù)平衡方程式表示相應(yīng)平衡關(guān)系。因此對于化工生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的化學(xué)物理轉(zhuǎn)換方程的得出，就必須得出準(zhǔn)確的相平衡結(jié)論，這就需要準(zhǔn)確的實驗測量與相關(guān)平衡方程進(jìn)行理論計算才能滿足實際平衡和分離的操作要求。尤其是在分析和解決傳質(zhì)分離設(shè)備的設(shè)計、控制和操作過程中，必須需要汽液相平衡數(shù)據(jù)的測量、關(guān)聯(lián)推算。在逐漸出現(xiàn)的新過程、新產(chǎn)品和新技術(shù)都需要提供新物系和新條件下的汽液相平衡數(shù)據(jù)。比如在蒸餾操作中能夠達(dá)到節(jié)能的目的，希望能夠在較小的回流比下進(jìn)行，但是目前將原來最小回流比減小了0.2，如果想要得到優(yōu)秀的蒸餾塔設(shè)計，使其按照設(shè)計所規(guī)定的能耗小達(dá)到分離需求。準(zhǔn)確的汽液相平衡數(shù)據(jù)是不可或缺的。目前常壓下的汽液相平衡數(shù)據(jù)

34、已不能滿足新產(chǎn)品新設(shè)計新時代的要求，對其他壓力的數(shù)據(jù)實驗已經(jīng)開啟。而在制冷系統(tǒng)中，制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器中發(fā)生的相變過程可被近似看作汽液相平衡過程，實際制冷過程設(shè)計需要相平衡的在熱力學(xué)方面的參數(shù)作為指導(dǎo)。尤其是近年來發(fā)明用來替代制冷工質(zhì)HCFCs的新型混合工質(zhì)，對環(huán)境十分友好，但是這些工質(zhì)需要注意熱力參數(shù)如溫度、壓力、比容，熵、比熱、焓和絕熱指數(shù)等之間的關(guān)系。因為這一系列參數(shù)關(guān)系將決定制冷循環(huán)的特性，包括冷凝溫度、蒸發(fā)溫度和壓力、單位制冷量、COP等，而熱力參數(shù)的計算都需要依靠各混合工質(zhì)的汽液相平衡數(shù)據(jù)，而相平衡在不同條件產(chǎn)生的物質(zhì)多樣和流體性質(zhì)的復(fù)雜性，需要相平衡性質(zhì)的模型的要實驗數(shù)據(jù)的驗證

35、。在吸收制冷系統(tǒng)中，VLE數(shù)據(jù)對系統(tǒng)熱力學(xué)性能優(yōu)化和動力系統(tǒng)循環(huán)效率有重要意義。是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)依據(jù)。2.8 本章小結(jié)本章從相平衡的理論基礎(chǔ)方面，主要對以下幾個方面的內(nèi)容進(jìn)行了闡述：（1）簡單介紹了相平衡概念分類和判據(jù)對相平衡研究學(xué)習(xí)的關(guān)鍵意義；（2）對相平衡中的逸度及逸度系數(shù)的概念，活度及活度系數(shù)的概念進(jìn)行了扼要的介紹。3 汽液相平衡實驗測定常用方法以及對emimTf2N的熱物性研究實驗是研究數(shù)據(jù)的來源，是數(shù)據(jù)可信度的保障，關(guān)于研究的猜想都要通過實驗來檢驗。對于相平衡實驗來說，研究的重點在溫度，壓力以及相的組成。然而想要取得精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)需要合理的方法。通過對國內(nèi)外汽液相平衡的的測量方法分析，綜

36、述如下：根據(jù)是否進(jìn)行取樣分為分析法和非分析法。分析法是通過在汽液相平衡的時將取樣取出分析，使用此類方法在多數(shù)場合是較為準(zhǔn)確的，然而因組成分析的速度進(jìn)行緩慢，有時會出現(xiàn)精度要求難以達(dá)到的情況，在測量無限稀釋的熱力學(xué)性質(zhì)時，測定的精度值較低的缺陷尤為明顯。而非分析法通過對溶液的露點、色譜斜率、泡點、體積變化等性質(zhì)來測量汽液相平衡。下面著重介紹在是否測出T、p、xi、yi等數(shù)值的間接法與直接法。其中汽液相平衡的直接測定法可以分為以下五種：蒸餾法、循環(huán)法、流動法、靜態(tài)法和泡露點法。以下會一一介紹這些典型測量方法。3.1 直接法3.1.1 蒸餾法 蒸餾法是距今時代久遠(yuǎn)的關(guān)于汽液相平衡數(shù)據(jù)測量的方法。此方

37、法測量過程簡單明了，主要是在燒瓶中承裝液體樣品，然后對液體樣品進(jìn)行逐步加熱，在溫度升高后少量汽相樣品會蒸出，此時只要對蒸出汽相樣品和燒瓶中殘留的液體樣品進(jìn)行分析，便可得到xi和yi。但此方法具有明顯的不足之處，體現(xiàn)在對樣品需求量較大，而即便僅取少量樣品，實驗誤差值仍然較大。此外方法本身還有諸多不足之處，因此目前這種方法已經(jīng)被淘汰棄用。3.1.2 循環(huán)法循環(huán)法是汽液相平衡測量中常用的方法，主要在常壓附近應(yīng)用，采用循環(huán)法的最大優(yōu)勢是平衡速度快而減小了靜壓的影響。為了發(fā)展循環(huán)法優(yōu)勢，其測量裝置經(jīng)過了多年發(fā)展，出現(xiàn)了多種平衡釜。各種平衡釜雖然結(jié)構(gòu)上不盡相同，但為了得到精準(zhǔn)的實驗數(shù)據(jù)，都需要做以下考量：

38、樣品需量少，過程簡單；釜的容量要小；要便于壓力溫度在實驗過程中的測量；從不平衡狀態(tài)到滿足實驗要求得穩(wěn)定狀態(tài)時間要斷；測量進(jìn)行時不能夠有汽相部分不能發(fā)生冷凝或液相的溫度不宜過高；汽相首先于液相中分離而最后離開平衡釜時，不能存在額外液體滴狀。相在進(jìn)行循環(huán)時流速不能出現(xiàn)波動不能改變相的組成；循環(huán)路徑上不得產(chǎn)生阻礙；循環(huán)過程中液相和的汽相與冷凝液體混合要完全，而形成的混合液需采用防止暴沸措施在進(jìn)入沸騰室時；保證在取得樣品時沸騰狀態(tài)要持續(xù)恒定。循環(huán)法可分為氣液相單循環(huán)法和汽相液相雙循環(huán)法。汽相單循環(huán)法此法是將試樣放置在平衡釜中，在恒定的溫度下進(jìn)行汽相循環(huán)，通過汽相和液相的緊密接觸，加快平衡速度。用氣相色

39、譜分析同時采集到的平衡狀態(tài)下汽液相樣品。但是此方法對實驗中恒定系統(tǒng)的壓力溫度有嚴(yán)格要求。但在實驗過程中不可能沒有壓力波動，而且汽相中容易夾帶液沫和汽相發(fā)生冷凝，汽相中可用于實驗分析的量也較少，因此，此種方法主要在高壓汽液相平衡的實驗測量中使用。汽相液相雙循環(huán)法汽相液相雙循環(huán)法是對汽液兩相利用循環(huán)泵進(jìn)行外力循環(huán)，一般汽相從平衡釜的上部分開孔引出，在流經(jīng)汽相循環(huán)泵后，最后從平衡釜底部進(jìn)入液相，通過欄柵之后鼓泡上升，能夠和液相充分接觸。平衡釜設(shè)在底端的出口是液相流出的渠道，液相循環(huán)泵是液相的下一站，最后平衡釜頂端會重新接受液相，此時釜中存在正在升高的汽相和回到釜中的液相進(jìn)行效果良好的混合。該方法能夠

40、使得汽相和液相充分接觸，在較短的時間內(nèi)達(dá)到汽液相平衡，在很大程度上縮短了相平衡的周期。3.1.3 靜態(tài)法靜態(tài)分析法又稱恒溫分析法，靜態(tài)方法是在系統(tǒng)有良好密閉性條件下，在進(jìn)行抽真空之后，向其中充入液體混合物，將密閉容器放置于恒溫水浴中采用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌，能夠加快汽液兩相的接觸頻率從而能夠較快的達(dá)到平衡狀態(tài)，之后對平衡態(tài)分別取樣分析獲得xi和yi的值。該方法具有的特點是：實驗使用的平衡釜比較容易加工制成，而且設(shè)備的耐壓性和密閉性能表現(xiàn)良好，在實驗數(shù)據(jù)要求的精度上可以較好的滿足。但是平衡反應(yīng)所用時間較長是明顯缺點。在采用靜態(tài)法得到相平衡時，其中分析方法有兩種，一種是對平衡釜中的平衡狀態(tài)物質(zhì)取樣在

41、常壓條件下進(jìn)，為了分析相的組成，通常會使用汽相色譜在常壓環(huán)境中分析平衡態(tài)。另一種是對在高壓條件的平衡釜利用物理化學(xué)的方法進(jìn)行間接分析。兩種方法均有缺陷前一種方法獲得樣品較為困難，而后一種方法在實際條件中使用困難。靜態(tài)分析法可以進(jìn)行相平衡和溶解度的測量。靜態(tài)分析法的實驗設(shè)備有三部分組成：溫度和壓力的測量儀器；高壓平衡釜；樣品德采集需要要專業(yè)的裝置，分析時在測量裝置要精確。3.1.4 流動法流動法也是常用方法之一，它是一種應(yīng)用于一些體系可以互相溶解情況時。在物質(zhì)流動中形成的平衡狀態(tài)，一定量的液體混合物進(jìn)入預(yù)熱混合器加熱。在獲得恒定的出口溫度后勻速充入平衡釜中，同時平衡釜中的達(dá)到平衡狀態(tài)的混合相也以

42、恒定的流速排除平衡釜，在對汽液兩相進(jìn)行冷卻后。分別對汽相和液相分析相平衡數(shù)據(jù)。該方法的系統(tǒng)壓力是經(jīng)過控制調(diào)節(jié)上部的汽相流速，液相膨脹閥門控制汽液兩相的界面位置大小，汽液相平衡的實驗狀態(tài)通過平衡釜的可視窗口觀察判斷，取樣時要同時在平衡釜上下兩個出口取樣，同時注意要冷卻后才能進(jìn)行分析。該方法使液相和汽相擁有可控的接觸面積，操作過程簡單，可以使得實驗中相平衡的進(jìn)行速度加快，縮短汽液相平衡的時間。然而由于要保證將汽液兩相均進(jìn)行流動，所用實驗樣品量較大，而流動物質(zhì)進(jìn)出平衡釜的速度有嚴(yán)格要求，這一點在實驗中很難做到，因此該實驗方法在實驗的應(yīng)用中很少被采用。3.1.5 泡露點法高壓外界情況下，汽液相平衡實驗

43、數(shù)據(jù)的測定并不容易，而泡露點法可以解決。在組成不同的混合物質(zhì)加入到平衡釜后利用壓力和溫度的改變，將出現(xiàn)的泡點和露點測量測出來，將每個泡點和露點通過曲線連接起來，最后獲得汽相線和液相線。此方法不必分析混合物構(gòu)成，試樣消耗量較小，但是此法要求不凝氣體要嚴(yán)格排出，少量的不凝性氣體的存在都將會影響實驗的精度，尤其是在較低的壓力下，此法的實驗精度不如循環(huán)法，而且平衡所需時間也較長。同時此法只能測量大氣壓條件下的數(shù)據(jù)，注入混合物的速度要恒定，各個沸點也需保持恒定，實際應(yīng)用難度極大。泡露點法一般情況下可以有3種情況，分別是泡點露點凝點法；泡點露點法；泡點凝點法；平衡釜型式和汽相混合型是泡點露點法的兩大類型。

44、汽相混合型是利用混合物質(zhì)的蒸汽溫度突變性質(zhì)進(jìn)行露點的測量，流動型的沸點儀器進(jìn)行混合物質(zhì)的沸點測量，該方法的使用條件適用于液相之間具有部分互溶的體系的汽液相平衡數(shù)據(jù)的測量，此方法的難點是兩純組分的流率恒定難以保證。平衡釜型多組分的汽液相平衡的數(shù)據(jù)測定中應(yīng)用較多。泡點露點凝點法可進(jìn)行多組分的汽液相平衡數(shù)據(jù)的測量，但不用對組分進(jìn)行分析，僅用恒溫露點線、凝點線和泡點線就可以直接作出三元系的汽液相平衡。3.2 間接法汽液相平衡中，由相律F=K-+2可以得到兩相平衡時F=K。當(dāng)兩相的組成和壓力值和溫度值都已經(jīng)確定時，系統(tǒng)的狀態(tài)也得到確定，也就是說系統(tǒng)的T、P、xi、yi已經(jīng)得到了。相平衡時的參數(shù)（T,P,

45、x（n-1），y（n+1）將符合Gibbs-Duhem方程，由此平衡時的T、P、xi、yi參數(shù)中已知量的參數(shù)通過理論基礎(chǔ)性方程帶入計算可以推出其余實驗難以測出的量，因此模型法對于實驗中工作量的減輕，得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)有指導(dǎo)意義。經(jīng)過模型的計算獲得的參數(shù)的驗證還需要實驗數(shù)據(jù)，因此還是需要測量平衡中的各個參數(shù)值。通常的情況下，T,P的值在實驗測量中比xi、yi的數(shù)值易得的多，在參數(shù)中xi相對于yi的測量要容易一些，因此，實驗當(dāng)中T、P和xi的數(shù)值會測量出來， yi的數(shù)值會再通過直接法或間接法計算得到。在測定T、P和xi的參數(shù)時候，可以在恒定溫度的情況下測量P和xi的關(guān)系（飽和蒸汽壓法），但是此法首先要經(jīng)

46、過嚴(yán)格的高真空脫氣低溫處理，平衡反應(yīng)時間較長，額外應(yīng)用的設(shè)備多。也可以在恒定壓力的條件下測量T 和xi的關(guān)系（沸點儀法）。該方法操作簡單。未來有良好的應(yīng)用前景，可以單單測量純物質(zhì)的沸點，還可以同時測量物質(zhì)的沸點，露點，純度等。因為本次實驗研究應(yīng)用直接法，本文對間接法就不再做詳細(xì)的介紹。綜上所述，本章主要對相平衡的實驗測量方法分別進(jìn)行了介紹，主要介紹了實驗測量中的直接法，間接法做了大概的介紹。直接法中包含的有蒸餾法、靜態(tài)法、流動法、循環(huán)法和泡露點法。3.3.1 實驗材料1-甲基咪唑（純度為99%，上海撫生實業(yè)有限公司），N2（純度95%，包頭市廣源化工有限公司），溴乙烷（分析純，上海信帆生物科技

47、有限公司），乙腈（純度為98%，北京翰隆達(dá)科技發(fā)展有限公司），雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰LiTf2N（純度為99%，上海瀚思化工有限公司），AgNO3（分析純，深圳市鑫科化實驗儀器有限公司），蒸餾水為靖江市恒信環(huán)保設(shè)備有限公司生產(chǎn)，純度為99.99 % (wt)。3.3.2 實驗設(shè)備干燥箱（DZF-6020型真空干燥箱；上海一恒科技有限公司），全自動表面張力儀（BZY-1型號，上海衡平儀器儀表廠，測量范圍是0400 mN/m，測量精度為±0.1 mN/m）；自動密度儀（型號為ZMD-2，測量精度為0.0001gcm3，上海方瑞儀器有限公司）；10mL移液管（容量允許差值0.02，上海鉑勒機(jī)

48、電設(shè)備有限公司）；SPY-玻璃恒溫水浴（溫度均勻度0.01，溫度范圍為室溫95，溫度波動度±0.02，南京桑力電子設(shè)備廠）。旋轉(zhuǎn)粘度計（廣州滬瑞明儀器有限公司生產(chǎn)的SNB-1型號，測量精度在±1%）；數(shù)顯電導(dǎo)率儀（上海儀田精密儀器有限公司生產(chǎn)的DDS-307A型電導(dǎo)率儀，測量精度在±0.5%FS）；圓底燒瓶體積為250mL，燒杯體積為100mL。3.3.3 離子液體emimTf2N的合成離子液體制備通常分為一步合成法和兩步合成法兩種方法，文中采用兩步合成法合成實驗研究所需的1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽emimTf2N離子液體。1）中間體emimBr的合

49、成具體的合成步驟如下：0.3mol 1-甲基咪唑和0.3mol溴乙烷分別用45ml乙腈溶解在250ml圓底燒瓶中后混合充分，N2保護(hù)下室溫條件下攪拌72h后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去乙腈，得到淡黃色的粘稠的離子液體emimBr。用乙酸乙酯洗滌除去未反應(yīng)的1-甲基咪唑或溴乙烷，然后在80條件下真空干燥24h后放入干燥器中備用。2）離子液體emimTf2N的合成將制備的emimBr與LiTf2N溶液等摩爾的在200ml水中混合，之后在室溫條件下攪拌24h。然后將混合液用分液漏斗分層后除去上層的水相，下層的離子液體用蒸餾水洗滌到無Br-被檢測到（用AgNO3檢驗)，之后將離子液體emimTf2N在80條件下真空干

50、燥7天，得到實驗所需的離子液體。4 CO2-emimTf2N工質(zhì)對汽液相平衡的實驗測定吸收式制冷技術(shù)在如今能源緊缺的時代具有不可媲美的優(yōu)勢，新型吸收式制冷工質(zhì)對的使用可以提高系統(tǒng)的性能以及使用壽命，并且對環(huán)境沒有污染和破壞。CO2是自然工質(zhì)，因此有必要測量CO2-emimTf2N的汽液相平衡數(shù)據(jù)并且進(jìn)行分析。4.1 CO2-emimTf2N工質(zhì)對汽液相平衡的實驗裝置4.1.1 實驗裝置流程圖文中根據(jù)自身實驗的需要，針對課題的實際條件研究并設(shè)計并搭建了靜態(tài)的實驗系統(tǒng)，實驗裝置原理圖如圖5.1所示，實物圖如圖5.2所示。實驗系統(tǒng)主要由測量、控制、恒溫三大系統(tǒng)構(gòu)成，汽液相平衡制冷工質(zhì)對CO2-emi

51、mTf2N系統(tǒng)流程如圖5.1所示，部分設(shè)備實物圖如圖5.3所示。 圖 5.1. 系統(tǒng)流程圖 1 emimTf2N離子液體 2平衡釜 3 恒溫水浴 4 壓力變送器 5熱電偶 6安捷倫采集器 7計算機(jī) 8 溫度控制器 9 磁力攪拌器 10 加熱器 11 溫度探測器 12 攪拌器圖 5.2. 系統(tǒng)實物圖圖5.3 磁力加熱攪拌器4.1實驗系統(tǒng)中主要設(shè)備的選擇4.1.2 恒溫水浴恒溫水浴有以下幾點優(yōu)點：1）在實驗控制溫度范圍內(nèi)能夠滿足每一個實驗溫度點的恒溫和滿足溫度的精度；2）恒溫水浴的內(nèi)部容積大足夠?qū)嶒炑b置放入其中；而相平衡研究中需要對溫度控制精度要高，溫度長時間波動小，溫度可調(diào)，而且在比較寬泛的溫

52、度范圍內(nèi)各個溫度控制點上穩(wěn)定時間長，因此恒溫水浴是滿足實驗的優(yōu)秀器材。而本實驗采用常州潤華電器有限公司HH-601A超級恒溫水浴，如圖5.3所示，控制箱直接安裝在水箱上，使用優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口水泵。因而對溫度的控制精度高，溫度波動小，水浴流動使用循環(huán)水，不會出現(xiàn)水溫度分布不均，為實驗的操做提供一個精確、穩(wěn)定的恒溫狀態(tài)4.1.3 平衡釜平衡釜是整個實驗的主要部分，是實驗中混合工質(zhì)對進(jìn)行相互作用的主要場所，它的氣密性和安全性對整個實驗的進(jìn)行起到關(guān)鍵作用。實驗中平衡釜是采用不銹鋼制作，頂部位置帶有20mm直徑的圓形可視窗口以便于實驗進(jìn)行中實驗各狀態(tài)的觀察，平衡釜最高承受壓力是25MPa，體積是100ml。平

53、衡釜采用橡膠墊圈填充于釜蓋和釜身之間，有效密封釜體，保證在做實驗的過程中不會產(chǎn)生氣體泄露的現(xiàn)象，能夠有效安全準(zhǔn)確的進(jìn)行實驗操作。平衡釜在設(shè)計和加工的過程中考慮到能夠使得氣體和液體進(jìn)行充分的混合，設(shè)計平衡釜的氣體口為對稱的長進(jìn)短出結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣口伸入到平衡釜的底部，這樣氣體進(jìn)入的時候和釜內(nèi)的液體能夠進(jìn)行緊密的接觸充分混合，而且釜內(nèi)的氣體入口被液體密封，避免氣體的溢出，平衡釜的釜蓋和釜身之間采用對稱的六個螺栓連接，這種連接方式能夠保證在有壓實驗的條件下釜蓋和釜身之間受到的壓力均勻分布，保證實驗的安全進(jìn)行。平衡釜實物圖如5.3(a)、(b)所示。 (a)平衡釜正視圖 (b)平衡釜俯視圖 圖5.3 平衡釜

54、4.1.4 攪拌器實驗中采用磁力攪拌器進(jìn)行平衡釜中氣體和液體混合物的攪拌，磁力攪拌能夠加快實驗進(jìn)行速度，從而縮短實驗進(jìn)行的時間，使得系統(tǒng)能夠快速達(dá)到平衡狀態(tài)。磁力攪拌器是利用磁場和漩渦的原理，將攪拌子放在待攪拌液體中，之后在磁力作用下旋轉(zhuǎn)，帶動液體旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到攪拌效果。也就是利用磁力強(qiáng)制性使得平衡釜中的攪拌子旋轉(zhuǎn)帶動離子液體和氣體進(jìn)行強(qiáng)制對流，增強(qiáng)氣體和液體的接觸頻率，使得平衡釜里面的工質(zhì)對能夠快速達(dá)到平衡狀態(tài)。磁力攪拌器利用磁力攪拌，可以避免實驗攪拌過程中攪拌器和平衡釜的接觸而產(chǎn)生泄露，因此可以不考慮攪拌而產(chǎn)生系統(tǒng)密閉性問題。4.2 工質(zhì)對相平衡實驗系統(tǒng)裝置氣密性檢測、溫度、壓力及質(zhì)量測量4

55、.2.1 實驗裝置氣密性檢測實驗系統(tǒng)裝置氣密性的好壞將影響到整個實驗過程能否準(zhǔn)確、可靠和安全進(jìn)行，在實驗過程中起到關(guān)鍵的作用，因此在實驗之前必須進(jìn)行實驗裝置氣密性檢測，實驗裝置氣密性的檢測使用安全的氮?dú)膺M(jìn)行，關(guān)閉實驗裝置的氣體閥門之后將氮?dú)馔ㄈ肫胶飧性鰤旱?Mpa，然后采用肥皂泡沫進(jìn)行檢測實驗系統(tǒng)中裝置接口處的氣密性，將接口處涂抹肥皂泡沫，觀察是否有氣泡產(chǎn)生，若是有氣泡產(chǎn)生則說明裝置接口處氣密性不好，有氣體泄露需要采取補(bǔ)漏措施，反之則說明裝置氣密性良好，沒有漏氣的現(xiàn)象，表明采用此系統(tǒng)進(jìn)行實驗測定具有一定的可靠性，可以進(jìn)行實驗操作。4.2.2 壓力的測量實驗中采用SY-PG3300型號的壓力變

56、送器，壓力變送器的量程是0-25Mpa，精確度是0.2%FS，壓力變送器輸出直流電流在4-20mA，壓力變送器的壓力輸出直流電流轉(zhuǎn)換的壓力值采用數(shù)字顯示器采集，根據(jù)顯示器的顯示數(shù)據(jù)可以直接的讀出實驗壓力數(shù)據(jù)來確定實驗中系統(tǒng)中的壓力值。4.2.3 工質(zhì)的質(zhì)量測量實驗中工質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行精確測量是保證實驗準(zhǔn)確進(jìn)行的前提，實驗中質(zhì)量測量采用萬分之一級別的精密電子天平稱量，實驗過程中工質(zhì)的質(zhì)量測量是將盛裝emimTf2N離子液體的錐形瓶先用emimTf2N離子液體潤濕，之后用萬分級別精密電子天平稱量其質(zhì)量，記錄此時錐形瓶質(zhì)量m0，之后在錐形瓶中加入適量的emimTf2N離子液體后采用萬分級別精密電子天平稱量

57、其質(zhì)量，記錄此時質(zhì)量數(shù)值m1，實驗系統(tǒng)中加入的emimTf2N離子液體質(zhì)量則為m1-m0，為了減少稱量誤差，將每次的稱量在相同的條件下稱量三次，求其平均值做為所稱量的emimTf2N離子液體的質(zhì)量。4.2.4 溫度測量溫度采用K型熱電偶進(jìn)行測量，為了測量恒溫水浴溫度均勻度，將四個熱電偶對稱分布于恒溫水槽中，設(shè)置水浴溫度為一定值，溫度穩(wěn)定30min之后進(jìn)行采集各個熱電偶的溫度數(shù)值并進(jìn)行比較分析。由于平衡釜密閉不能將熱電偶插入測量，將采用間接方法進(jìn)行測量平衡釜內(nèi)部溫度，即設(shè)定恒溫水浴溫度達(dá)到穩(wěn)定值30min之后將放有離子液體的平衡釜放入水浴中，并測量此時平衡釜內(nèi)離子液體溫度值并且記錄，之后測量裝有離子液體的平衡釜內(nèi)溫度達(dá)到