气液平衡实验报告word精品

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：

肌 py 、=

常压下，气相可视为理想气体，①i =i ；再忽略压力对液体逸度的影响，￡=戸0, 从而得出低压下气液平衡关系式为：

py, = "%

式中，p ---------------- 体系压力（总压）；

pF ---------- 纯组分i 在平衡温度下饱和蒸气压；

x i 、y i ---------- 分别为组分i 在液相和气相中的摩尔分率； r i ------------------ 组分i 的活度系数；

由实验测得等压下气液平衡数据，则可用下式计算不同组成下的活度系数：

兀p

计算出不同组成下的活度系数：

In/: = -ln （x -l-1 + x, ----------------- - --------------- -----

伍 x 2 + A JJ X J j

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。

本实验中活度系数和组成关系采用 Wilso n 方程关联。

In 2 = - In (x 2 + A 21X J )+x {

Wilso n 方程为:

A,2 1

x 2 + A 21X ) A ：| + A (2X 2 J

曲厂

（儿-儿）〉+（九 -九):]

图2小气液平衡證示意图

1—磨口： 2—气相取样口； 相F 液槽；4—連通管；予一缓冲球：百一回流曾：7—

平衡室8—钟軍* ?—ifiJ?计套管；10-酒相取杆丨|： I 】一液相贮液椚：ITHI 乐

13—?#^^： 14—加热套哲：泊一宜空兴奁：I 召一加料液商

图2小气液平衡釜示意图

四、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 25C 。

（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一正庚烷混合液约 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，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。

2

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

（C ） t 辅

（C ）

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 24.4 88.55 24.80 1.4015 30.4 1.4134 45.0 87.90 25.80 1.4106 41.2 1.4196 50.8 86.15

25.11 1.4150 46.6 1.4302 59.2 84.25

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60C ；

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。

例如使用t 主=879C 为例：（当x=87.9时，修正值：0.069）

经过计算得到液体平衡时实际的温度如表 3所示:

修正值

x-85 x -90 80 -85 80-90

0.08 x-80 x-90

0.07

85 -80 85-90

x - 80 x - 85 90 -80 90-85

（三）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: |gP i°=A i - B i /(C i +t) 式中：

t —温度，C （即计算所得的实际温度） 所以可得到：

Pi 0=10

纯物料的Antoine 常数见表4

以87.90C 为例：

苯的饱和蒸气压 p 10=10(6.87987-1196.76 ^e 219-161+88-5650)) =979.10 mmHg 正庚烷的饱和蒸气压

P 20=10(6-89386-126437 ^(216-64+88-5650) =563.86 mmHg

计算五组纯组分饱和蒸汽计算结果见表 5

表:纯组分饱和蒸汽在实验温度下计算结果

（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

P o —饱和蒸汽压，mmHg

由实验测得等压下气液平衡数据，则可用下式计算不同组成下的活度系数:

兀=匹

Z i

x

ipi

以87.90C 为例计算：

=py 2 _ 760x(100 — 50.80) =〔 1278

Y

_ X 2P 0 _ (100_41.2) 563.86 - .

表6苯和正庚烷活度系数计算表

t 实际（C ）

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 1.0726 89.2309 30.4 45.0 998.21 575.69 1.1270 1.0432 88.5650 41.2 50.8 979.10 563.86 0.9570 1.1278 86.8036 46.6 59.2 929.90 533.48 1.0383 1.0885 84.8944

56.8

68.8

878.77

502.04

1.0476

1.0933

（四）用非线形最小二乘法回归配偶参数

A 12

活度系数和组成关系采用Wilson 方程关联

In 1=-ln （为 .\12

x 2

） x 2

（—— ------------------ ——）

X 1 +A12X 2 x

^ + A 21x 1

目标函数选为气相组成误差的平方和，

即 m

2 2

F=、 （y 1 实-y 1 计）j +（y 2 实-y 2 计）j

j #

用非线性最小二乘法拟合：matlab 拟合程序见下：

fun cti on F=li （bb ）

x1=[0.214 0.304 0.412 0.466 0.568] x2=[0.786 0.696 0.588 0.534 0.432]

py i 0 X 1P

1

760 50.80 41.2 979.10

二 0.9570

A 21并求液相组成

ln 2=-ln (x 2

.\21

x 1) x 1

(—

X 2 -；21 ■ -'1 21 x X 1 -；12

--\

12x 2