工程热力学二元气液平衡数据的测定.docx

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工程热力学二元气液平衡数据的测定

二元气液平衡数据测定实验装置

说

明

书

天津大学

化工基础实验中心

一.实验设备的特点

1.该实验装置全部采用玻璃材料制成可以清楚观测釜内的实验现象。

2.该装置具有实验样品用量少，达到平衡速度快的特点，设备造价较低,经久耐用。

3.设备小型化,学生易于操作,且实验数据重现性良好。

二.设备的主要技术数据

（一）平衡釜（如图一所示）

（二）物系（乙醇─正丙醇）

1.纯度:

分析纯.乙醇沸点:

78.3℃;正丙醇沸点:

97.2℃.

2.折光指数与溶液浓度的关系见表1。

表1温度─折光指数─液相组成之间的关系

0

0.05052

0.09985

0.1974

0.2950

0.3977

0.4970

0.5990

25℃

1.3827

1.3815

1.3797

1.3770

1.3750

1.3730

1.3705

1.3680

30℃

1.3809

1.3796

1.3784

1.3759

1.3755

1.3712

1.3690

1.3668

35℃

1.3790

1.3775

1.3762

1.3740

1.3719

1.3692

1.3670

1.3650

（续表1）

0.6445

0.7101

0.7983

0.8442

0.9064

0.9509

1.000

25℃

1.3607

1.3658

1.3640

1.3628

1.3618

1.3606

1.3589

30℃

1.3657

1.3640

1.3620

1.3607

1.3593

1.3584

1.3574

35℃

1.3634

1.3620

1.3600

1.3590

1.3573

1.3653

1.3551

对30℃下质量分率与阿贝折光仪读数之间关系也可按下列回归式计算:

Ｗ＝58.844116－42.61325×nD

其中Ｗ为乙醇的质量分率;nD为折光仪读数（折光指数）.

由质量分率求摩尔分率（ＸＡ）:

乙醇分子量ＭＡ＝46;正丙醇分子量ＭB＝60

三.实验设备的基本情况

实验设备流程示意图:

见图一所示.

四.实验方法及步骤

1.将与阿贝折光仪配套的超级恒温水浴（用户自备）调整运行到所需的温度,并记下这个温度（例如30℃）.

2.测温管内倒入甘油，将标准温度计插入套管中。

3.配制一定浓度（体积浓度10％左右）的乙醇─正丙醇混合液（总容量50毫升）,然后倒入平衡釜中。

4.打开冷凝器冷却水,接通电源缓慢加热，冷凝回流液控制在每秒2-3滴。

稳定回流20分钟，以建立平衡状态。

5.达到平衡时停止加热，用微量注射器分别取两相样品用阿贝折光仪分析其组成。

6.从釜中取出6毫升液体后，在补充6毫升的乙醇溶液，重新建立平衡。

7.所加溶液视上一次的平衡温度定，以免实验数据点分布不均。

8.检查数据合理后,停止加料并将将加热电压调为零。

停止加热后10分钟,关闭冷却水,一切复原。

五.使用本实验设备应注意事项

　1.本实验过程中要特别注意安全,实验所用物系是易燃物品,操作过程中避免洒落以免发生危险。

2.本实验设备加热功率由电位器来调解,固在加热时应注意加热千万别过快,以免发生爆沸（过冷沸腾）,使液体从平衡釜冲出,若遇此现象应立即断电。

3.开车时先开冷却水,再向平衡釜供热;停车时则反之。

　4．测浓度用折光仪.读取折光指数,一定要同时记其测量温度,并按给定的折光指数─质量百分浓度─测量温度关系（见表1）测定有关数据,（折光仪和恒温水浴由用户自购,使用方法见其说明书）。

六.实验数据计算过程及结果

（1）以第二组为例：

气相折光指数nD＝1.3759，液相折光指数nD＝1.3779平衡温度92.4℃

气相乙醇的质量分率Ｗ＝58.844116－42.61325×nD

＝58.844116－42.61325×1.3759=0.212

气相乙醇的摩尔分率　　

液相乙醇的质量分率Ｗ＝58.844116－42.61325×nD

＝58.844116－42.61325×1.3779=0.127

液相乙醇的摩尔分率　　

根据以上数据可以绘出（t-x-y）平衡曲线（见图三）实验数据表见表2

表2、实验数据表

序号

1

2

3

4

5

6

平衡温度℃

97.3

93

90.3

88.08

86.41

85.11

液相折光指数

1.3809

1.3779

1.3752

1.3729

1.3718

1.3692

气相折光指数

1.3809

1.3759

1.3729

1.3702

1.3687

1.3659

液相质量分数

0.000

0.127

0.242

0.340

0.387

0.498

气相质量分数

0.000

0.213

0.340

0.455

0.519

0.639

液相摩尔分数

0.000

0.160

0.294

0.402

0.452

0.564

气相摩尔分数

0.000

0.260

0.402

0.522

0.585

0.697

序号

7

8

9

10

11

12

13

平衡温度℃

84.1

82.7

82.5

81.9

81.2

80.7

78.3

液相折光指数

1.3671

1.366

1.3641

1.3638

1.3619

1.3611

1.3574

气相折光指数

1.3649

1.3629

1.3621

1.3614

1.36

1.36

1.3574

液相质量分数

0.588

0.634

0.715

0.728

0.809

0.843

1.001

气相质量分数

0.681

0.767

0.801

0.830

0.890

0.890

1.001

液相摩尔分数

0.650

0.694

0.766

0.777

0.846

0.875

1.001

气相摩尔分数

0.736

0.811

0.840

0.865

0.913

0.914

1.001

一、实验目的

1、了解和掌握用双循环气液平衡器测定二元系统气液平衡数据的方法。

2、了解缔合系统气液平衡数据的关联方法，从实验测得的T-p-x-y数据计算各组分的活度系数。

3、通过实验了解平衡釜的构造，掌握气液平衡数据的测定方法和技能。

4、掌握二元系统气液平衡相图的绘制。

二、实验原理

以循环法测定气液平衡数据的平衡釜类型虽多，但基本原理相同，如图1所示。

当体系达到平衡时，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，即可得到一组平衡数据。

当达到平衡时，除两相的温度和压力分别相等外，每一组分化学位也相等，即逸度相等，其热力学基本关系为：

（1）

常压下，气相可视为理想气体，

；再忽略压力对流体逸度的影响，

从而得出低压下气液平衡关系式为：

pyi=γi

（2）

式中，p——体系压力（总压）；

——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——分别为组分i在液相和气相中的摩尔分率；

γi——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）

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：

lnγ1=－ln（x1+Λ12x2）+x2（

－

）（4）

lnγ1=－ln（x2+Λ21x1）+x1（

－

）（5）

Wilson方程二元配偶函数Λ12和Λ21采用高斯—牛顿法，由二元气液平衡数据回归得到。

目标函数选为气相组成误差的平方和，即

=

（6）

三、实验装置与流程示意图

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、液相输送不返混及不易爆沸等。

本实验用双循环的小型平衡釜，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、0-50十分之一标准温度计一支

5．所用试剂（无水甲醇、异丙醇）为分析纯试剂

6.1ml注射器、5ml注射器三支

四、实验步骤

1、测五组二元系统气液平衡标准数据

2、测温套管中倒入甘油，将标准温度计插入套管中，并将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，用与系统相连的100毫升针筒与系统相连，并使系统与大气隔绝，针筒缓缓抽出一点压力，硅油U型管中的两个液注差不变时（说明系统是密闭的），然后再通大气

4、平衡釜内加入一定浓度的无水甲醇-异丙醇混合溶液约20-30ml，打开冷却水，安放好加热器，接通电源。

开始时缓慢加热，冷凝回流液控制在每秒2~3滴。

稳定地回流约15分钟，以建立平衡状态

5、达平衡后，需要记录下温度计的读数，并用微量注射器分别取气相样品，测定其折射率，对照标准曲线得出汽相组成

6、依次加入同量的一种纯物质5ml，重新建立平衡，实验重复5次

7、实验完毕，关掉电源和水源，处理实验数据

五、实验注意事项

1、在注射纯物质时要缓慢注入以免溅出，不能用水洗涤仪器

2、在温度维持恒定时要再加热5分钟保证确实达到平衡

六、实验数据

1、原始数据

2、数据处理

七、实验分析与讨论

1、结果讨论

本次实验从结果来看，甲醇组成折光率的测定结果比较准确，制图的分布点成线性分布。

最后甲醇气相组成的计算值和实验值比较存在一定的误差，实验所测数据比计算值大，实验过程中物料置换操作、气液蒸馏时间的长短都是造成误差的原因。

2、误差分析

实验注射样品液时，注射物料的量测量存在误差，且注射时有液体喷出，这使得实验结果产生误差。

在折光率的测定过程中，读数是存在误差不可避免的，这是误差产生的另外一个因素。

仪器本身对实验数据的采集会产生偏差。