CO2临界状态观测及PVT关系测试

1、专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 实验报告课程名称： 化工专业实验 指导老师： 成绩：_实验名称： CO2临界状态观测及PVT关系测试 实验类型：热力学实验 同组学生姓名： 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理三、主要仪器设备四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析七、讨论、心得装 订 线一、实验目的1了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识；2掌握CO2的P-V-T关系的测定方法。学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧；3加深对流体的凝结、汽化、饱和状态等热力学基本概念的理解；4掌握有关仪器的正确使用方法。二、实验原理对简单可压缩热力系

2、统，当工质处于平衡状态时，其状态参数P、V、T之间有：f(P、V、T)=0 或 T=f(P、V) （1）本实验就是根据（1），采用定温方法来测定CO2的P-V之间的关系，从而找出CO2的P-V-T的关系。实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部迫使水银进入预先装了CO2 气体的承压玻璃管，CO2 被压缩。压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节；温度由供给水夹套的超级恒温水浴调节控制。实验中工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出，温度由插在恒温水套中的温度计读出，比容首先由承压玻璃管内CO2柱的高度来度量，而后再根据承压玻璃管内径均匀，截面积不变等条件换算得。承压玻璃罐内CO2

3、的质量面积比常数k值的测量方法：由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内径或面积（A）又不易测准，因而实验中是采用间接办法来确定CO2的比容。认为CO2的比容V与其高度是一种线性关系，具体如下：a) 已知CO2液体在20，100atm时的比容b) 实测本试验台CO2在20，100atm时的CO2液柱高度h*（m）。c) 由(a)可知，因为，所以则任意温度、压力下CO2的比容为式中： 任意温度、压力下水银柱高度 承压玻璃管内径顶端刻度实验中注意：做各条定温线时，试验压力不大于100atm，否则承压玻璃管有破裂的危险；试验温度不大于50 。三、实验仪器及设备实验装置由压力台、恒温器和试

4、验本体及其防护罩三大部分组成，试验台本体如下图所示：试验台本体示意图四、实验步骤1开启超级恒温槽，调好所需要的恒温温度。2砝码式压力计抽油，方法如下：（1）关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆大部退出，这时压力台油缸中充满了油。（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。 如此反复以上步骤，直至压力表上有压力读数为止。（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启，若均已稳妥即可进行实验。3测定温度为 20时的等温线及（20，100atm 下）K 值。（1）压力记录从

5、水夹套管上有刻度开始，当玻璃管内水银升起来后，应足够缓慢地摇进（退）活塞螺杆，以保证定温条件。（2）仔细观察 CO2 液化、汽化等现象。（3）仔细观察、测定、记录 CO2 最初液化和完全液化时的压力及水银柱高度。（4）在测定等温线时，可慢慢地摇进活塞，使压力升至 90atm 左右，然后缓慢减低压力。注意观察现象，记录数据。（5）求 K 值的操作为温度为 20时，将压力升至 100atm，此时的液柱高度即为h*(m)。4在 20 之间，测定 CO2 的饱和蒸汽压和温度的对应关系（利用水浴升温过程中测试，并要求测 45 个实验点，注意为减少系统误差，每个点对应的液汽比应尽量一致）。5测定 CO2

6、的临界等温线和临界参数；观察临界现象。 a）测定临界等温线 b）临界乳光现象观察 保持临界温度不变，摇进活塞杆压力升至 Pc 附近处，然后突然摇退活塞杆（注意勿使试验本体晃动）降压，在此瞬间玻璃管内将出现圆锥状的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象，这是由于 CO2 分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反复几次来观察这一现象。 c）整体相变现象 由于临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合与一点，所以这时汽液的相互转变不是像临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个逐变的过程，而这时当压力稍有变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。 d）汽、液两相模糊不清现象

7、 处于临界点时，CO2 具有共同参数（P、V、T），因而是不能区别此时 CO2 是气态还是液态的。如果说它是气体，那么这个液体又是接近气态的液体。我们可用实验证明这个结论，因为这时是处于临界温度下，如果按等温线过程进行来使 CO2 压缩或膨胀，那么管内是什么也看不到的。现在我们按绝热过程来进行，使压力等于临界压力突然降低，CO2 状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内 CO2 出现了明显的液面，这就说明，如果这次管内的 CO2 是气体的话，那么这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当在膨胀之后，突然压缩 CO2 时，这个液面又突然消失了，这就告诉我们这时 CO2 既接近气态又接近液态，所

8、以只能处于临界点附近，临界状态是一种汽液不分的流体。这就是临界点附近饱和汽液模糊不清的现象。6测定高于临界温度，如 t=45时的等温线。7试验结束，将油抽回，整理试验台。五、实验数据记录和处理、实验结果讨论1K值的确定水银柱起始高度h0 = 2.4 cm，实验测得临界温度tC =31.5 20、100atm 下，测得水银柱高度h1 = 5.6 cm 计算K值：K=mA=h0.00117=5.6-2.4×10_20.00117=27.3504kg/m22等温线数据记录及处理表格 1 温度20下等温线数据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 计算示例：取温度20，压强5.65 MPa下的数据点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 临界温度31.5下等温线数据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 超临界温度33.1下等温线数据p / Mpa7.66.795.55h / cm914.520.3h / cm6.612.117.9V / 10-3m3·kg-12.413 4.424 6.545 表格 4 饱和线数据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曲线，如图1图 1实验测得CO2的P-V图蓝色线t=20下等温线；绿色线t=31.5临界温

11、度下等温线；黑色线t=33.1下等温线；红色线饱和线；C点临界点 将实验测得P-V图与标准图相比较：图 2 CO2的标准P-V图比较图1和图2可以看出，实验测得的等温线与标准等温线图线趋势基本吻合。但在实测图中，存在曲线局部不平滑、等温线在气液平衡区不水平、两条等温线有所重叠等问题。造成差异的原因可能有： 1、 改变压力后，读数时水银柱高度和压强示数不完全稳定，h、P值的读取存在一定误差；2、 由于人为因素，对于CO2汽化和液化的转折点判断存在误差，使得饱和气液相线和标准曲线有所差别；对临界乳光现象的产生点的判断亦存在一定误差，使得Tc、Pc与标准值存在偏差。3、 温度计的选取的位置在CO2的

12、套管外层，相当于测量恒温水的温度，与CO2的真实温度有一定偏差；4、实验中每条等温线只有3个数据点，数据点个数不够，只能大致画出曲线趋势而不能准确画出等温线。5、P-V图中在气液平衡区内，等温线理论上应水平，而实际20下测得的饱和液相与饱和气相的压强相差0.74MPa，猜想可能是由于实验装置中以压强为自变量进行探究，压强由油压控制，CO2在液气相变过程中要保持恒压膨胀，需将水银柱向外压；在一定范围内，CO2能够压出水银柱，保持恒压膨胀；当到达一定程度时，由于油压装置的阻力，CO2无法将继续水银往外压了，于是停留在了一定气液平衡态；当通过油压装置减小压力时，CO2继续汽化。猜想在这台装置下，若将

13、P-V图的微观表现出来，P是呈梯度很小的阶梯状下降的。3饱和蒸汽压数据处理将实验测得的饱和温度和饱和压力的对应值拟合出Atonie常数并与资料上的数据进行比较：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理论（Ps：kPa）3.75823.84053.8726Ps理论 / Mpa5.7316.9267.458计算示例：以t=28.2数据为例T=28.2+273.15=301.35K气液平衡区压力有变化，由上述

14、P-V图误差分析第5点，我认为应以刚开始汽化时的数据为准，由表格4得 P=7.08MPa lgPs理论=7.76331-1566.08/(31.35+97.87)=3.8405Ps理论=103.8405=6926KPa=6.926MPa做出蒸汽压曲线，图3：图 3 理论P-T与实验所测P-T曲线黑色实验测得曲线；红色理论值曲线使用origin软件以Antoine方程对饱和温度和压力数据进行拟合，得下图。图 4 Antoine方程拟合曲线分析：（1） Antoine方程形式为lgPs=A-BT+C，可得Ps=eAln10-Bln10T+C，实验得到的三个数据点以方程y=ea+bx+c形式拟合时，

15、无法收敛得到参数，故并未拟合出Antoine常数。猜想可能是由于数据点不够。（2） 由图3可得实测的蒸汽压数据与利用文献Antoine方程计算出的理论蒸汽压数据非常接近，可以看出由在实验所测温度范围内Antoine能较好地拟合Ps和T的关系。4临界点数据处理实验测得临界参数：tc = 31.5pc =7.38Mpa临界比容：(1)实验测定值：Vc =h/K=0.05/27.3504=1.828*10 -3m3/ kg(2)按理想气体状态方程： Vc=1000RTc/(MPc)=1000*8.314*(273.15+31.5)/(44*7380000)=7.80 *10-3m3/ kg(3)按范

16、德华方程：Vc=3000RTc/(8MPc)=3000*8.314*(273.15+31.5)/(8*44*738000)=2.925 *10-3m3/ kg(4)教材给的值：Vc=0.0942m3/kmol=2.141 *10-3m3/ kg表格 5 临界比容实验测定值理想气体状态方程范德华方程理论值临界比容10 -3m3/ kg1.8287.802.9252.141由上述数据可以看出，实验测得的临界比容要小于1、2计算结果，与按范德华方程计算得到的数据较为接近，用理想气体模型推算出来的值则相差很大；实验结果与实验指导书所给的临界参数值较为接近。 由化工热力学教材内容可知，理想气体的临界压缩因子Zc为1，而范德华尔斯方程的临界压缩因子Zc=0.375，实际流体的Zc在0.230.29之间，明显低于前两者的Zc，故在一定的Pc、Tc下，由理想气体方程和范德华尔斯方程计算的临界比容Vc大于实际流体的Vc，反映了两方程在描述实际流体P-V-T性质方面有所不足，且说明临界流体严重偏离理想流体状态