CO2臨界狀態(tài)觀(guān)測(cè)及PVT關(guān)系測(cè)試

1、專(zhuān)業(yè)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 日期： 地點(diǎn)： 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)老師： 成績(jī)：_實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)： CO2臨界狀態(tài)觀(guān)測(cè)及PVT關(guān)系測(cè)試 實(shí)驗(yàn)類(lèi)型：熱力學(xué)實(shí)驗(yàn) 同組學(xué)生姓名： 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理三、主要儀器設(shè)備四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析七、討論、心得裝 訂 線(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解CO2臨界狀態(tài)的觀(guān)測(cè)方法，增加對(duì)臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識(shí)；2掌握CO2的P-V-T關(guān)系的測(cè)定方法。學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧；3加深對(duì)流體的凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等熱力學(xué)基本概念的理解；4掌握有關(guān)儀器的正確使用方法。二、實(shí)驗(yàn)原理對(duì)簡(jiǎn)單可壓縮熱力系

2、統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時(shí)，其狀態(tài)參數(shù)P、V、T之間有：f(P、V、T)=0 或 T=f(P、V) （1）本實(shí)驗(yàn)就是根據(jù)（1），采用定溫方法來(lái)測(cè)定CO2的P-V之間的關(guān)系，從而找出CO2的P-V-T的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中由壓力臺(tái)送來(lái)的壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部迫使水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2 氣體的承壓玻璃管，CO2 被壓縮。壓力通過(guò)壓力臺(tái)上的活塞桿的進(jìn)、退來(lái)調(diào)節(jié)；溫度由供給水夾套的超級(jí)恒溫水浴調(diào)節(jié)控制。實(shí)驗(yàn)中工質(zhì)二氧化碳的壓力由裝在壓力臺(tái)上的壓力表讀出，溫度由插在恒溫水套中的溫度計(jì)讀出，比容首先由承壓玻璃管內(nèi)CO2柱的高度來(lái)度量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻，截面積不變等條件換算得。承壓玻璃罐內(nèi)CO2

3、的質(zhì)量面積比常數(shù)k值的測(cè)量方法：由于充進(jìn)承壓玻璃管內(nèi)的CO2質(zhì)量不便測(cè)量，而玻璃管內(nèi)徑或面積（A）又不易測(cè)準(zhǔn)，因而實(shí)驗(yàn)中是采用間接辦法來(lái)確定CO2的比容。認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線(xiàn)性關(guān)系，具體如下：a) 已知CO2液體在20，100atm時(shí)的比容b) 實(shí)測(cè)本試驗(yàn)臺(tái)CO2在20，100atm時(shí)的CO2液柱高度h*（m）。c) 由(a)可知，因?yàn)?，所以則任意溫度、壓力下CO2的比容為式中： 任意溫度、壓力下水銀柱高度 承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度實(shí)驗(yàn)中注意：做各條定溫線(xiàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力不大于100atm，否則承壓玻璃管有破裂的危險(xiǎn)；試驗(yàn)溫度不大于50 。三、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備實(shí)驗(yàn)裝置由壓力臺(tái)、恒溫器和試

4、驗(yàn)本體及其防護(hù)罩三大部分組成，試驗(yàn)臺(tái)本體如下圖所示：試驗(yàn)臺(tái)本體示意圖四、實(shí)驗(yàn)步驟1開(kāi)啟超級(jí)恒溫槽，調(diào)好所需要的恒溫溫度。2砝碼式壓力計(jì)抽油，方法如下：（1）關(guān)閉壓力表及進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門(mén)，開(kāi)啟壓力臺(tái)上油杯的進(jìn)油閥。（2）搖退壓力臺(tái)上的活塞螺桿，直至螺桿大部退出，這時(shí)壓力臺(tái)油缸中充滿(mǎn)了油。（3）先關(guān)閉油杯閥門(mén)，然后開(kāi)啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個(gè)閥門(mén)。（4）搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。 如此反復(fù)以上步驟，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。（5）再次檢查油杯閥門(mén)是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門(mén)是否開(kāi)啟，若均已穩(wěn)妥即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3測(cè)定溫度為 20時(shí)的等溫線(xiàn)及（20，100atm 下）K 值。（1）壓力記錄從

5、水夾套管上有刻度開(kāi)始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀升起來(lái)后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)（退）活塞螺桿，以保證定溫條件。（2）仔細(xì)觀(guān)察 CO2 液化、汽化等現(xiàn)象。（3）仔細(xì)觀(guān)察、測(cè)定、記錄 CO2 最初液化和完全液化時(shí)的壓力及水銀柱高度。（4）在測(cè)定等溫線(xiàn)時(shí)，可慢慢地?fù)u進(jìn)活塞，使壓力升至 90atm 左右，然后緩慢減低壓力。注意觀(guān)察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。（5）求 K 值的操作為溫度為 20時(shí)，將壓力升至 100atm，此時(shí)的液柱高度即為h*(m)。4在 20 之間，測(cè)定 CO2 的飽和蒸汽壓和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（利用水浴升溫過(guò)程中測(cè)試，并要求測(cè) 45 個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，注意為減少系統(tǒng)誤差，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的液汽比應(yīng)盡量一致）。5測(cè)定 CO2

6、的臨界等溫線(xiàn)和臨界參數(shù)；觀(guān)察臨界現(xiàn)象。 a）測(cè)定臨界等溫線(xiàn) b）臨界乳光現(xiàn)象觀(guān)察 保持臨界溫度不變，搖進(jìn)活塞桿壓力升至 Pc 附近處，然后突然搖退活塞桿（注意勿使試驗(yàn)本體晃動(dòng)）降壓，在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐狀的乳白色的閃光現(xiàn)象，這就是臨界乳光現(xiàn)象，這是由于 CO2 分子受重力場(chǎng)作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反復(fù)幾次來(lái)觀(guān)察這一現(xiàn)象。 c）整體相變現(xiàn)象 由于臨界點(diǎn)時(shí)，汽化潛熱等于零，飽和汽線(xiàn)和飽和液線(xiàn)合與一點(diǎn)，所以這時(shí)汽液的相互轉(zhuǎn)變不是像臨界溫度以下時(shí)那樣逐漸積累，需要一定的時(shí)間，表現(xiàn)為一個(gè)逐變的過(guò)程，而這時(shí)當(dāng)壓力稍有變化時(shí)，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。 d）汽、液兩相模糊不清現(xiàn)象

7、 處于臨界點(diǎn)時(shí)，CO2 具有共同參數(shù)（P、V、T），因而是不能區(qū)別此時(shí) CO2 是氣態(tài)還是液態(tài)的。如果說(shuō)它是氣體，那么這個(gè)液體又是接近氣態(tài)的液體。我們可用實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)結(jié)論，因?yàn)檫@時(shí)是處于臨界溫度下，如果按等溫線(xiàn)過(guò)程進(jìn)行來(lái)使 CO2 壓縮或膨脹，那么管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在我們按絕熱過(guò)程來(lái)進(jìn)行，使壓力等于臨界壓力突然降低，CO2 狀態(tài)點(diǎn)由等溫線(xiàn)沿絕熱線(xiàn)降到液區(qū)，管內(nèi) CO2 出現(xiàn)了明顯的液面，這就說(shuō)明，如果這次管內(nèi)的 CO2 是氣體的話(huà)，那么這種氣體離液區(qū)很接近，可以說(shuō)是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)在膨脹之后，突然壓縮 CO2 時(shí)，這個(gè)液面又突然消失了，這就告訴我們這時(shí) CO2 既接近氣態(tài)又接近液態(tài)，所

8、以只能處于臨界點(diǎn)附近，臨界狀態(tài)是一種汽液不分的流體。這就是臨界點(diǎn)附近飽和汽液模糊不清的現(xiàn)象。6測(cè)定高于臨界溫度，如 t=45時(shí)的等溫線(xiàn)。7試驗(yàn)結(jié)束，將油抽回，整理試驗(yàn)臺(tái)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論1K值的確定水銀柱起始高度h0 = 2.4 cm，實(shí)驗(yàn)測(cè)得臨界溫度tC =31.5 20、100atm 下，測(cè)得水銀柱高度h1 = 5.6 cm 計(jì)算K值：K=mA=h0.00117=5.6-2.4×10_20.00117=27.3504kg/m22等溫線(xiàn)數(shù)據(jù)記錄及處理表格 1 溫度20下等溫線(xiàn)數(shù)據(jù)p / Mpa105.75.655.155.054.964.6h / cm5.65.

9、771620.120.724.2h / cm3.23.34.613.617.718.321.8V / 10-3m3·kg-11.170 1.207 1.682 4.973 6.4726.691 7.971 計(jì)算示例：取溫度20，壓強(qiáng)5.65 MPa下的數(shù)據(jù)點(diǎn)h=h-h1=5.7-2.4=4.6cmV=h/K=4.6/(100*27.3504)=1.682*10-3 m3/kg表格 2 臨界溫度31.5下等溫線(xiàn)數(shù)據(jù)p / Mpa8.327.387.1h / cm6.37.412.5h / cm3.9510.1V / 10-3m3·kg-11.426 1.828 3.693 表

10、格 3 超臨界溫度33.1下等溫線(xiàn)數(shù)據(jù)p / Mpa7.66.795.55h / cm914.520.3h / cm6.612.117.9V / 10-3m3·kg-12.413 4.424 6.545 表格 4 飽和線(xiàn)數(shù)據(jù)t/28.22031.5p / Mpa7.086.015.74.967.38h / cm6.216.45.720.77.4h / cm3.8143.318.35V / 10-3m3·kg-11.389 5.119 1.207 6.691 1.828 作CO2的P-V曲線(xiàn)，如圖1圖 1實(shí)驗(yàn)測(cè)得CO2的P-V圖藍(lán)色線(xiàn)t=20下等溫線(xiàn)；綠色線(xiàn)t=31.5臨界溫

11、度下等溫線(xiàn)；黑色線(xiàn)t=33.1下等溫線(xiàn)；紅色線(xiàn)飽和線(xiàn)；C點(diǎn)臨界點(diǎn) 將實(shí)驗(yàn)測(cè)得P-V圖與標(biāo)準(zhǔn)圖相比較：圖 2 CO2的標(biāo)準(zhǔn)P-V圖比較圖1和圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的等溫線(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)等溫線(xiàn)圖線(xiàn)趨勢(shì)基本吻合。但在實(shí)測(cè)圖中，存在曲線(xiàn)局部不平滑、等溫線(xiàn)在氣液平衡區(qū)不水平、兩條等溫線(xiàn)有所重疊等問(wèn)題。造成差異的原因可能有： 1、 改變壓力后，讀數(shù)時(shí)水銀柱高度和壓強(qiáng)示數(shù)不完全穩(wěn)定，h、P值的讀取存在一定誤差；2、 由于人為因素，對(duì)于CO2汽化和液化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)判斷存在誤差，使得飽和氣液相線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)有所差別；對(duì)臨界乳光現(xiàn)象的產(chǎn)生點(diǎn)的判斷亦存在一定誤差，使得Tc、Pc與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差。3、 溫度計(jì)的選取的位置在CO2的

12、套管外層，相當(dāng)于測(cè)量恒溫水的溫度，與CO2的真實(shí)溫度有一定偏差；4、實(shí)驗(yàn)中每條等溫線(xiàn)只有3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)不夠，只能大致畫(huà)出曲線(xiàn)趨勢(shì)而不能準(zhǔn)確畫(huà)出等溫線(xiàn)。5、P-V圖中在氣液平衡區(qū)內(nèi)，等溫線(xiàn)理論上應(yīng)水平，而實(shí)際20下測(cè)得的飽和液相與飽和氣相的壓強(qiáng)相差0.74MPa，猜想可能是由于實(shí)驗(yàn)裝置中以壓強(qiáng)為自變量進(jìn)行探究，壓強(qiáng)由油壓控制，CO2在液氣相變過(guò)程中要保持恒壓膨脹，需將水銀柱向外壓；在一定范圍內(nèi)，CO2能夠壓出水銀柱，保持恒壓膨脹；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)，由于油壓裝置的阻力，CO2無(wú)法將繼續(xù)水銀往外壓了，于是停留在了一定氣液平衡態(tài)；當(dāng)通過(guò)油壓裝置減小壓力時(shí)，CO2繼續(xù)汽化。猜想在這臺(tái)裝置下，若將

13、P-V圖的微觀(guān)表現(xiàn)出來(lái)，P是呈梯度很小的階梯狀下降的。3飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)處理將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的飽和溫度和飽和壓力的對(duì)應(yīng)值擬合出Atonie常數(shù)并與資料上的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：Antoine方程：（A = 7.76331，B = 1566.08，C = 97.87，T = 273 304K）t/2028.231.5T / K293.15301.35304.65P/ MPa5.707.087.38lg Ps理論（Ps：kPa）3.75823.84053.8726Ps理論 / Mpa5.7316.9267.458計(jì)算示例：以t=28.2數(shù)據(jù)為例T=28.2+273.15=301.35K氣液平衡區(qū)壓力有變化，由上述

14、P-V圖誤差分析第5點(diǎn)，我認(rèn)為應(yīng)以剛開(kāi)始汽化時(shí)的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，由表格4得 P=7.08MPa lgPs理論=7.76331-1566.08/(31.35+97.87)=3.8405Ps理論=103.8405=6926KPa=6.926MPa做出蒸汽壓曲線(xiàn)，圖3：圖 3 理論P(yáng)-T與實(shí)驗(yàn)所測(cè)P-T曲線(xiàn)黑色實(shí)驗(yàn)測(cè)得曲線(xiàn)；紅色理論值曲線(xiàn)使用origin軟件以Antoine方程對(duì)飽和溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得下圖。圖 4 Antoine方程擬合曲線(xiàn)分析：（1） Antoine方程形式為lgPs=A-BT+C，可得Ps=eAln10-Bln10T+C，實(shí)驗(yàn)得到的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以方程y=ea+bx+c形式擬合時(shí)，

15、無(wú)法收斂得到參數(shù)，故并未擬合出Antoine常數(shù)。猜想可能是由于數(shù)據(jù)點(diǎn)不夠。（2） 由圖3可得實(shí)測(cè)的蒸汽壓數(shù)據(jù)與利用文獻(xiàn)Antoine方程計(jì)算出的理論蒸汽壓數(shù)據(jù)非常接近，可以看出由在實(shí)驗(yàn)所測(cè)溫度范圍內(nèi)Antoine能較好地?cái)M合Ps和T的關(guān)系。4臨界點(diǎn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)測(cè)得臨界參數(shù)：tc = 31.5pc =7.38Mpa臨界比容：(1)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值：Vc =h/K=0.05/27.3504=1.828*10 -3m3/ kg(2)按理想氣體狀態(tài)方程： Vc=1000RTc/(MPc)=1000*8.314*(273.15+31.5)/(44*7380000)=7.80 *10-3m3/ kg(3)按范

16、德華方程：Vc=3000RTc/(8MPc)=3000*8.314*(273.15+31.5)/(8*44*738000)=2.925 *10-3m3/ kg(4)教材給的值：Vc=0.0942m3/kmol=2.141 *10-3m3/ kg表格 5 臨界比容實(shí)驗(yàn)測(cè)定值理想氣體狀態(tài)方程范德華方程理論值臨界比容10 -3m3/ kg1.8287.802.9252.141由上述數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的臨界比容要小于1、2計(jì)算結(jié)果，與按范德華方程計(jì)算得到的數(shù)據(jù)較為接近，用理想氣體模型推算出來(lái)的值則相差很大；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)所給的臨界參數(shù)值較為接近。 由化工熱力學(xué)教材內(nèi)容可知，理想氣體的臨界壓縮因子Zc為1，而范德華爾斯方程的臨界壓縮因子Zc=0.375，實(shí)際流體的Zc在0.230.29之間，明顯低于前兩者的Zc，故在一定的Pc、Tc下，由理想氣體方程和范德華爾斯方程計(jì)算的臨界比容Vc大于實(shí)際流體的Vc，反映了兩方程在描述實(shí)際流體P-V-T性質(zhì)方面有所不足，且說(shuō)明臨界流體嚴(yán)重偏離理想流體狀態(tài)