1、化工专业实验报告实验名称： 二元气液平衡数据的测定 实验人员：同组人 实验地点：天大化工技术实验中心 606 室实验时间： 2015 年 4 月 20 日下午 14：00 年级： 2014 硕 ；专业： 工业催化 ；组号： 10（装置 2） ；学号：指导教师：_赵老师_实验成绩：_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
2、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。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。所以，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
3、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。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：常压下，气相可视为理想气体， i=1；再忽略压力对液体逸度的影响，fi=pi0， 从而得出低压下气液平衡关系式为：式中，p-体系压力（总压）；pi0-纯组分 i 在平衡温度下饱和蒸气压；xi、y i-分别为组分 i 在液相和气相中的摩尔分率；ri-组分 i 的活度系数；由实验测得等压下气液平衡数据，
4、则可用下式计算不同组成下的活度系数：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：目标函数选为气相组成误差的平方和，即：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（4）50-100 十分之一的标准温度计一支、0-50 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。（6）注射器（1ml、5ml）若干。图 2 小气液平衡釜示意图四
5、、实验过程（1）首先开启超级恒温槽，调节温度至测定折射率所需温度 25。（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（已由教师检测完成）。（4）我们做的是常压下的气液平衡，当天的大气压需要读出。（5）在平衡釜内加入一定浓度的苯正庚烷混合液约 20-30ml（已加好），使液体处在图 2 中加料液面处，一般
6、由实验点数决定，通常取摩尔浓度在 0.1 -0.15 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 2-3 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，通过阿贝折射仪测定样品的折射率，然后根据平衡图，查得不同的组成含量。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 3ml 的混合液
7、，然后加入 4 或 5ml 左右的苯纯溶液，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，重复上述操作 5 次，得到不同组成下平衡组成。（8）实验完毕，关掉电源和水源。五、实验数据记录和处理通过多次改变混合液的组成，得到五组实验数据如下表 1 所示：（一）混合液气液平衡时原始数据表 1 实验数据记录表t 主 （） t 辅 （） 液相折射率 液相组成（%）气相折射率 气相组成（%）94.00 25.00 1.3946 21.4 1.3965 24.488.55 24.80 1.4015 30.4 1.4134 45.087.90 25.80 1.4106 41.
8、2 1.4196 50.886.15 25.11 1.4150 46.6 1.4302 59.284.25 24.50 1.4270 56.8 1.4420 68.8（二）实际平衡温度的计算平衡温度的计算方法如下：t 实际 = t 主 +t 修正 +t 校正其中：t 校正=kn(t 主-t 辅) k 取 0.00016；n 取 60；t 修正 可以通过温度计修正记录表（表 2）数据使用三阶样条插值法，得到每次的修正温度。表 2 温度计修正记录表温度50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100修正0.01 0.07 0.1 0.12 0.09 0.05 0.08 0.07
9、0.07 0.09 0.08例如使用 t 主=87.9 为例：（当 x=87.9 时，修正值：0.069）07.85907.90580.9850 xxx修 正 值经过计算得到液体平衡时实际的温度如表 3 所示：表 3 气液平衡时实际温度t 主 （ ） t 辅 （） t 修正 （） t 校正 （） t 实际 （）94.00 25.00 0.0884 0.6624 94.750888.55 24.80 0.0689 0.6120 89.230987.90 25.80 0.0688 0.5962 88.565086.15 25.11 0.0691 0.5860 86.805184.25 24.50
10、0.0708 0.5736 84.8944（3）苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压和活度系数的计算（1）苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压的计算由 Antoine（安托尼）公式：lgPi0=AiBi/(Ci+t)式中：t温度，（即计算所得的实际温度） P0饱和蒸汽压，mmHg所以可得到：Pi0=10(Ai-Bi/(Ci+t)纯物料的 Antoine 常数见表 4表 4：纯物料的安托尼常数组分 A B C t 范围（）苯 6.87987 1196.76 219.161 1584正庚烷 6.89386 1264.37 216.64 3127以 87.90为例：苯的饱和蒸气压
11、 p10=10(6.87987-1196.76(219.161+88.5650)=979.10mmHg正庚烷的饱和蒸气压 P20=10(6.89386-1264.37(216.64+88.5650)=563.86mmHg计算五组纯组分饱和蒸汽计算结果见表 5表 5：纯组分饱和蒸汽在实验温度下计算结果组号 1 2 3 4 5P10/ mmHg 1168.05 998.21 979.10 929.91 878.77P20/ mmHg 681.49 575.69 563.86 533.48 502.04（2）苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的活度系数的计算由实验测得等压下气液平衡数据，则可用下式计
12、算不同组成下的活度系数：以 87.90为例计算： 0.957.12.487601pxy.286.3).(02表 6 苯和正庚烷活度系数计算表t 实际（）苯的液相组成（%）苯的气相组成（%）苯的饱和蒸气压 （ mmHg）正庚烷饱和蒸气压 （mmHg）苯的活度系数正庚烷的活度系数94.7508 21.4 24.4 1168.05 681.49 0.7418 1.072689.2309 30.4 45.0 998.21 575.69 1.1270 1.043288.5650 41.2 50.8 979.10 563.86 0.9570 1.127886.8036 46.6 59.2 929.90 5
13、33.48 1.0383 1.088584.8944 56.8 68.8 878.77 502.04 1.0476 1.0933（4）用非线形最小二乘法回归配偶参数 12 、 21 并求液相组成活度系数和组成关系采用 Wilson 方程关联ln1=-ln 212)(xx)(1221xxln2=-ln )()( 211212 xxx目标函数选为气相组成误差的平方和,即F= (y1 实 -y1 计 )2j+(y2 实 -y2 计 )2jmj 用非线性最小二乘法拟合：matlab 拟合程序见下:function F=li(bb) x1=0.214 0.304 0.412 0.466 0.568 x2
14、=0.786 0.696 0.588 0.534 0.432 y1=0.244 0.450 0.508 0.592 0.688 y2=0.756 0.550 0.492 0.0.408 0.312 p10=1168.05 998.21 979.10 929.90 878.77 p20=681.49 575.69 563.86 533.48 502.04 fori=1:4 F(i)=y1(i)-p10(i)*x1(i)/760*exp(-log(x1(i)+bb(1)*x2(i)+x2(i)*(bb(1)/(x1(i) +bb(1)*x2(i)-bb(2)/(x2(i)+bb(2)*x1(i)e
15、nd fori=5:8j=i-4 F(i)=y2(j)-p20(j)*x2(j)/760*exp(-log(x2(j)+bb(2)*x1(j)+x1(j)*(bb(2)/(x2(j) +bb(2)*x1(j)-bb(1)/(x1(j)+bb(1)*x2(j) end运行得：bb= 0.0737 2.6058Resnorm= 0.0137即所得的二元配偶参数 12=0.0737; 21=2.6058，方差为 0.0137。（2）计算苯的气相浓度：取平衡温度 87.90为例： 0.96.412.6058.-058.730.412.580730.412lnexp1 r .699.y11 分别计算五组
16、数据可得表 5表 5 苯的计算气相浓度平衡温（） 94 88.55 87.90 86.15 84.25X1,实验（% ）21.4 30.4 41.2 46.6 56.8Y1,实验（% ）24.4 45.0 50.8 59.2 68.8Y1,计算（% ）32.6 38.5 51.0 55.03 64.1得到实验和计算的 t-x-y 相图如下：（六）结果分析讨论1）实验结果讨论从实验的结果的相图和气相组成的实验值和计算值的比较来看，本次实验测得以及回归所得实验数据可靠，误差均在实验允许范围内。从相图可以看出，第一点的数据误差大，估计和操作有关，但总体来说本实验数据很好的体现了常规二元气液平衡相图规
17、律。（2）实验误差分析由于本次实验只是降温操作，每次均是取出混和液，加入纯苯，所以整个实验过程测定的温度是逐渐下降的，而且实验测定的气液相平衡组成是采集的数据点也不是十分的充足，以致相点分布欠佳。在使用阿贝折射仪测定折射率的时候存在读数误差，以及由折射率在折射率组成的工作曲线上读取气液相组成时候存在误差。读取温度计的温度的时候存在估读误差。（七）、思考题（1）实验中怎样判断气液两相已达到平衡？答：实验中采用对比法来判断气液两相是否达到平衡。即先记录下来一个体系的温度，然后每隔 2 至 3 分钟读一次温度，如果相邻两次温度读数不再发生变化，则可判定气液两相达到平衡。 （2）影响气液平衡测定准确度的原因有那些？答：装置的气密性； 平衡温度的读取；由阿贝折射仪读取混和液折射率的误差； 在阿贝折射仪工作曲线上由折射率读取气液相组成存在读数误差；取样时气液是否达到平衡； 是否选取了合理的取样点。
