CO2临界状态观测及PVT关系测试

1、专业:姓名:闭沪必岁实验报告学号:日期:地点:课程名称：实验名称：C02临界状态观测及 PVT关系测试 一、实验目的和要求三、主要仪器设备五、实验数据记录和处理七、讨论、心得化工专业实验成绩:指导老师：_ 实验类型：热力学实验二、实验容和原理四、操作方法和实验步骤六、实验结果与分析同组学生:一、实验目的i i.了解co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CO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；I3.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f对简单可压缩热力系统，当工质处于

2、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 CO的P-V之间的关系，从而找出 CQ的P-V-T的关系。 装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CO气体的承压玻璃管，CO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 订 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，比线容首先由承压玻璃管 CO柱的高度来度量，而后再根据承压玻璃管径均匀，截面积不变等条件换算得。承压玻璃罐CO的质量面积比常数

3、 k值的测量方法：；由于充进承压玻璃管的 CO质量不便测量，而玻璃管径或面积（A）又不易测准，因而实验中是采用间f接办法来确定CO的比容。认为 CO的比容V与其高度是一种线性关系，具体如下：:a）已知 CO液体在 20C, 100atm 时的比容 v（20 C,100atm）0.00117m3/kg:b）实测本试验台 CO在20C, 100atm时的CQ液柱高度厶h* （ m）。：c）由 可知，因为 V（20 C,100atm） 止A 0.00117m3/kg，所以 m 一h一 k（kg/m2）mA 0.00117j则任意温度、压力下 CO的比容为V （m3/kg）jm/ A kJ式中：h h

4、 h0h承压玻璃管径顶端刻度h任意温度、压力下水银柱高度实验中注意：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 三、实验仪器及设备实验装置由压力台、恒温器和试验本体及其防护罩三大部分组成，试验台本体如下图所示: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

5、，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 C时的等温线及(20C, 100atm下)K值。(1) 压力记录从水夹套管上有刻度开始，当玻璃管水银升起来后，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 C时，将压力升至lOOatm，此时的液柱

6、高度即为 h*(m)。4. 在20 Ctc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CQ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

7、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处于临界点时，CO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，CO状态点由等温线沿绝热线降到液区，管CO2出现了明显的液面，这就说明，如果这次管的CO2是气

8、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 C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1. K值的确定水银柱起始高度ho = 2.4 cm ，实验测得临界温度 tc =31.5 C20 C、100atm 下，测得水银柱高度 m = 5.6 cm计算K值:m ?hA = 000117(56 - 24) X102000

9、117=273504kgm 22 等温线数据记录及处理表格1温度20 C下等温线数据p / Mpa105.75.655.155.054.964.6h / cm5.65.771620.120.724.2 h / cm3.23.34.613.617.718.321.8V /-33-110 m kg1.1701.2071.6824.9736.4726.6917.971计算示例：取温度 20C，压强5.65 MPa下的数据点 h=h-h 1=5.7-2.4=4.6cm33V=A h/K=4(100*27.3504)=1.682*10- m/kg表格2临界温度31.5 C下等温线数据p / Mpa8.3

10、27.387.1h / cm6.37.412.5 h / cm3.9510.1TZ-33-1 V/ 10 m kg1.4261.8283.693表格3超临界温度33.1 C下等温线数据p / Mpa7.66.795.55h / cm914.520.3 h / cm6.612.117.9. . . _-33.-1V/ 10m kg2.4134.4246.545表格4饱和线数据t/ C28.22031.5p / Mpa7.086.015.74.967.38h / cm6.216.45.720.77.4 h / cm3.8143.318.35V / 10 -3ni kg-11.3895.1191.2

11、076.6911.828作CO的P-V曲线，如图1V (10A-3 mA3/kg)图1实验测得 CO2的P-V图蓝色线一t=20 C下等温线；绿色线一t=31.5 C临界温度下等温线;黑色线一t=33.1 C下等温线；红色线一饱和线；C点一临界点将实验测得P-V图与标准图相比较:川；P八“图2 CO 2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

12、，对于CO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 CQ的套管外层，相当于测量恒温水的温度，与CO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，等温线理论上应水平，而实际20C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，CQ在液气相变过程中要保持恒压膨胀，需将水银柱向外压；在一定围，CQ能够压出

13、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，CQ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，CQ继续汽化。猜想在这台装置下，若将P-V图的微观表现出来，P是呈梯度很小的阶梯状下降的。Atonie常数并与资料上的数据进行比较:3 饱和蒸汽压数据处理(A = 7.76331T C将实验测得的饱和温度和饱和压力的对应值拟合出t/ C2028.231.5T / K293.15301.35304.65FF MFa5.707.087.38lg Fs理论(Fs： kPa)3.75823.84053.8726Fs理论/ Mpa5.7316.9267.458An

14、toine 方程：lg R A，B = 1566.08 ，C= 97.87 ，T = 273 304K )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 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)=3.8405FS 理论=10A3.8405=6926KPa=6.926MPa做出蒸汽压曲线，图 3：图3理论F-T与实验所测F-T曲线黑色一实验测得曲线；红色一理论值曲线使用origin软件以Antoine方程对饱和温度

15、和压力数据进行拟合，得下图。图4 Antoine方程拟合曲线分析：Bln 10(1) Antoine方程形式为IgPs = A-；，可得Ps= eAln10- t+c，实验得到的三个数据点以方程y =l+Cbea+x+c形式拟合时，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 = 31.5 Cpc =7.38Mpa临界比容：(1)实验测定值：Vc = h/K

16、=0.05/27.3504=1.828*10-3卅/ kg(2) 按理想气体状态方程：Vc=1000RT；/(MPc)=1000*8.314*(273.15+31.5)/(44*7380000)=7.8033*10- m/ kg33(3) 按德华方程： Vc=3000RT/(8MPc)=3000*8.314*(273.15+31.5)/(8*44*738000)=2.925 *10m/ kg333(4) 教材给的值： Vc=0.0942m /kmol=2.141 *10- m/ kg表格5临界比容实验测定值；理想气体状态方程德华方程理论值临界比容10 -3m/ 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。由化工热力学教材容可知，理想气体的临界压缩因子Zc为1，而德华尔斯方程的临界压缩因子Zc=0.375 ,实际流体的 乙在0.230.29之间，明显低于前两者的乙，故在一定的Pc、Tc下，由理想气体方程和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