二元气液平衡数据的测定

1、化工专业实验报告实验九 二元气液平衡数据的测定一、实验目的1测定苯正庚烷二元体系在常压下的气液平衡数据。2通过实验了解平衡釜的结构，掌握气液平衡数据的测定方法和技能。3应用Wilson 方程关联实验数据。二、实验原理气液平衡数据是化学工业发展新产品、开发新工艺、减少能耗、进行三废处理的重要基础数据之一。化工生产中的蒸馏和吸收等分离过程设备的改造与设计、挖潜与革新以及对最佳工艺条件的选择，都需要精确可靠的气液平衡数据。这是因为化工生产过程都要涉及相间的物质传递，故这种数据的重要性是显而易见的。随着化工生产的不断发展，现有气液平衡数据远不能满足需要。许多物系的平衡数据，很难由理论直接计算得到，必须

2、由实验测定。 平衡数据实验测定方法有两类，即间接法和直接法。直接法中又有静态法、流动法和循环法等。其中循环法应用最为广泛。若要测得准确的气液平衡数据，平衡釜是关键。现已采用的平衡釜形式有多种，而且各有特点，应根据待测物系的特征，选择适当的釜型。 用常规的平衡釜测定平衡数据，需样品量多，测定时间长。本实验用的小型平衡釜主要特点是釜外有真空夹套保温，釜内液体和气体分别形成循环系统，可观察釜内的实验现象，且样品用量少，达到平衡速度快，因而实验时间短。 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

3、分析，即可得到一组平衡数据。图1 平衡法测定气液平衡原理图当达到平衡时，除了两相的压力和温度分别相等外，每一组分的化学位也相等，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，=1；再忽略压力对液体逸度的影响，=从而得出低压下气液平衡关系式为：（2）式中，p体系压力（总压）； 纯组分i在平衡温度下饱和蒸气压，可用安托尼（Antoine）公式计算；、分别为组分i在液相和气相中的摩尔分率；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。（4）本实验中活度系数和组成关系采用 Wilson 方程关联。Wilson 方程为：（5）Wilson方程

4、二元配偶参数12和21采用非线性最小二乘法，由二元气液平衡数据回归而得。目标函数选为气相组成误差的平方和，即（6）三、实验装置和试剂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、液相不返混及不易爆沸等。本实验用气液双循环的小平衡釜，其结构如图2 所示。2阿贝折射仪一台。3超级恒温槽一台。450100十分之一的标准温度计一支、050十分之一的标准温度计一支。5所用试剂（苯、正庚烷）为优级品。61mL 注射器十支、5mL 注射器三支。图2 小气液平衡釜示意图1磨口；2气相取样口；3气相储液槽；4连通管；5缓冲球；6回流管；7平衡室；8钟罩；9温度计套

5、管；10液相取样口；11液相储液槽；12提升管；13沸腾室；14加热套管；15真空套夹；15加料液面；四、实验步骤1首先开启超级恒温槽，调节温度至测定折射率所需温度30。2测温套管中道入甘油，将标准温度计插入套管中，并在温度计露出部分中间固定一支温度计。因本实验对温度要求较严，需对温度进行校正。3检查整个系统的气密性，因为我们这个系统都是密闭的。检测方法是将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，发现硅油 U 型管的两个液柱差不变时（说明系统是密闭的），然后再通大气。4我们做的是常压下的气液平衡，需读出当天实验时的大气压值。5在平衡釜内加入一定浓度的苯正庚烷混合液

6、约 2030ml ，使液体处在图 2 中加料液面处，一般由实验点数决定，通常取摩尔浓度在0.10.15 之间变化，故开始加入的浓度可使轻组分含量较多，然后慢慢增加重组分的浓度。打开冷却水，安放好加热器，接通电源。控制加热电流，开始时给 0.1A ，5min后给0.2A ，慢慢调到 0.25A 左右即可，以平衡釜内液体沸腾为准。冷凝回流液控制在每秒23 滴。稳定地回流 15min 左右，以建立平衡状态。6达到平衡后，需要记录下两个温度计的读数，此温度为平衡温度，并用微量注射器分别取两相样品，通过阿贝折射仪测其组成。关掉电源，加热器拿下，釜液停止沸腾。7用注射器从釜中取出 7-8ml 的混合液，然

7、后加入8-9ml的一种纯物料，重新建立平衡。加哪一种纯物料，根据你上一次的平衡温度而定，以免各实验点分配不均。8实验完毕，关掉电源和水源。五、实验数据处理方法 将实验测得的平衡数据以表格形式列出；平衡温度的计算方法如下：通过查精确温度计的修正值得到；： k水银在玻璃中的膨胀系数取 0.00016； n露出部分的温度系数取 60；：在介质中的温度；： 露出水银柱的平均温度（辅助温度计的读数）Antoine（安托尼）公式：算出(t，； mmHg）纯物料安托尼常数组分ABCt范围（）苯6.879871196.76219.1611584正庚烷6.893861264.37216.643127用Wilso

8、n 方程求得配偶参数，再求出气相组成，并与实验进行比较。实验值和计算值作出温度组成图（Txy）。温度修正值温度示值80859095100修正值+0.01+0.00+0.02+0.00-0.04六、实验数据记录和处理1. 实验记录原始数据如下：表1 实验数据记录序号主温度（t主）辅助温度（ts）气相液相折光率y1折光率x1183.9531.01.43590.6371.42140.552285.6031.01.42580.5571.41140.426387.5831.51.41710.4831.40290.320489.2532.01.40860.3901.39680.2432. 平衡温度的计算以

9、第一组数据为例，计算过程如下：校正温度t校正值=knt主-ts=0.00016×60×83.95-31.0=0.51其中，k水银在玻璃中的膨胀系数取0.00016；n露出部分的温度系数取60；修正温度的计算采用内差法，t修正=0.0021平衡温度t实际=t主+t修正+t校正值=83.95+0.0021+0.51=84.5其他数据的计算方法如上。表2 平衡温度值序号主温度（t主）辅助温度（ts）修正值（t修正）校正温度（t校正）平衡温度（t实际）183.9531.00.0021 0.5184.5285.6031.00.00240.5286.1387.5831.50.01030

10、.5488.1489.2532.00.01700.5589.83. Pi0和活度系数的实验值计算苯：以第一组数据的计算过程为例：lgP10=6.87987-1196.76219.161+84.5P10=10(6.87987-1196.76/(219.161+84.5)/760*101.3=115.8KPa 1=101.3×0.637115.8×0.552=1.0095表3 苯的Pi0和活度系数实验值序号平衡温度总压KPa饱和蒸汽压KPay1x11184.5101.3115.80.6370.5521.0095286.1101.3121.40.5570.4261.0910388

11、.1101.3128.70.4830.3201.1871489.8101.3135.30.3900.2431.2025正庚烷：以第一组为例进行计算：lgP10=6.89386-1264.37216.64+84.5P10=10(6.89386-11264.37/(216.64+84.5)/760*101.3=66.1KPa 2=101.3×0.36366.1×0.448=1.2418表4 正庚烷的Pi0和活度系数实验值序号平衡温度总压KPa饱和蒸汽压KPay2x22184.5101.366.10.3630.4481.2418286.1101.369.50.4430.5741.

12、1249388.1101.374.10.5170.681.0394489.8101.378.10.6100.7571.04524. 根据Wilson方程，调用EXCEL规划求解模块进行求解迭代，结果如表5。表5 Wilson方程关联结果1实验2实验1计算2计算y1实验y2实验y1计算y2计算1221F1.00951.24181.03351.19310.6370.3630.652 0.349 0.16941.73890.0013491.09101.12491.07721.13310.5570.4430.550 0.446 1.18711.03941.15071.07310.4830.5170.4

13、68 0.534 1.20251.04521.24661.02400.3900.6100.4040.598 七、实验结果与讨论1. T-x-y 图根据平衡温度、气液相组成以及纯物质的沸点数据（苯80.1，正庚烷98.4）作T-x-y图，如图所示。图3 T-x-y图2. 误差分析表6 苯和正庚烷活度系数计算值和实验值的比较序号平衡温度实验值计算值1212184.51.00951.24181.03351.1931286.11.09101.12491.07721.1331388.11.18711.03941.15071.0731489.81.20251.04521.24661.0240由上表中可以看出，实验值和理论计算值相差不大，实验结果较为精确，但也存在一定的误差。误差的可能来源有：温度计精度不够，读数时也产生一定的误差；利用阿贝斯折光仪测定折光率时产生的误差；利用折光率查组成时产生一定的误差；实验测得的数据经过计算时有效数字的保留导致的