二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定

1、二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏?zhǔn)確的汽液平衡數(shù)據(jù)是進(jìn)行蒸餾過(guò)程或吸收過(guò)程的工藝計(jì)算及設(shè)備設(shè)計(jì)不可缺少的重要依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)的目的主要有：1. 掌握循環(huán)法測(cè)定二元汽液平衡數(shù)據(jù)的原理和方法；2. 了解非理想體系液相活度系數(shù)的計(jì)算方法；3. 掌握二元汽液平衡相圖的繪制方法。二、實(shí)驗(yàn)原理恒壓汽液平衡數(shù)據(jù)的測(cè)定方法以循環(huán)法最普遍。循環(huán)法測(cè)定汽液平衡數(shù)據(jù)的基本原理示意圖如圖1-1所示。冷凝液循環(huán)蒸汽循環(huán)ab圖1-1 循環(huán)法測(cè)定汽液平衡數(shù)據(jù)示意圖在恒定壓力下加熱沸騰容器a中的一定組成的二元溶液，液體沸騰后，逸出的蒸汽經(jīng)冷凝器完全冷凝后流入收集容器b。收集容器b中的液體達(dá)到一定量后開始溢流，經(jīng)回流管循環(huán)流

2、至沸騰容器a中。由于氣相組成與液相組成不同，所以隨著沸騰的進(jìn)行，a、b容器中的組成不斷變化。當(dāng)體系達(dá)到平衡后，兩容器中的組成不再變化而保持恒定，此時(shí)可分別從a、b兩容器中取樣分析，即可得到平衡時(shí)的液相組成及汽相組成。本實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)法測(cè)定常壓下醋酸-水二元體系的汽液相平衡數(shù)據(jù)。由于汽相中醋酸存在多分子締合現(xiàn)象，即使在常低壓下也不可將醋酸-水體系的汽相近似為理想氣體，故醋酸-水體系是汽相為非理想氣體、液相為非理想溶液的非理想體系，其汽液相平衡計(jì)算較復(fù)雜。為了便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，這里提出一種簡(jiǎn)化計(jì)算法。汽相中僅考慮醋酸的單分子及雙分子締合（忽略不計(jì)三分子及以上的締合現(xiàn)象），液相中僅考慮單分子的存在。

3、此時(shí)，汽相中存在著醋酸的單分子體與二聚體的締合反應(yīng)平衡，即 雙分子締合平衡常數(shù) (1-1)其中，：醋酸二聚體的汽相分壓； ：醋酸單分子體的汽相分壓； ：汽相中醋酸的壓力； ：分別為汽相中醋酸單分子體和二聚體的真實(shí)摩爾分?jǐn)?shù)。 由于汽相中醋酸的壓力是單分子體和二聚體的總壓，而醋酸的逸度則是指單分子體的逸度，故汽相醋酸逸度為不考慮醋酸與水之間的的交叉締合，則體系中汽相有三個(gè)組成，即醋酸單分子體hac、醋酸二聚體(hac)2 和水分子h2o。故，汽相中hac的真實(shí)組成： （1-2）汽相的表觀組成（下標(biāo)a表示醋酸）和真實(shí)組成之間的關(guān)系可如下推導(dǎo)： 將上式中分子、分母同除以，并結(jié)合式（1-2），則 解得

4、(1-3)將式（1-3）代入式（1-1），整理得： (1-4)解此關(guān)于的一元二次方程得，代入式（1-1）可求得。即： （1-5）水的真實(shí)組成則可通過(guò)歸一化方程進(jìn)行計(jì)算，即： (1-6)醋酸的雙分子締合平衡常數(shù)k2與平衡溫度t存在以下關(guān)系： (1-7)醋酸的汽相組分逸度 水的汽相組分逸度 由上兩式分別解得：醋酸的汽相組分逸度系數(shù) （1-8a) 水的汽相組分逸度系數(shù) (1-8b)對(duì)于純物質(zhì)以上標(biāo)0表示；i. 純醋酸：因，故由（1-8）得；ii. 純水：因低壓下的水蒸汽可視作理想氣體，故。其中，可根據(jù)純物質(zhì)醋酸的締合平衡關(guān)系求出： 因，代入上式，整理得： (1-9)解上述一元二次方程可得。 再利用汽

5、液平衡時(shí)各組分在汽液兩相的逸度相等，則可求出活度系數(shù)： （1-10） 其中，純物質(zhì)的飽和蒸汽壓可由如下antoine方程求得 ： ， （1-11）根據(jù)以上醋酸-水體系的汽液相平衡計(jì)算過(guò)程可知，當(dāng)體系達(dá)到相平衡時(shí)，只要測(cè)定平衡壓力、平衡溫度、汽相組成和液相組成，則可計(jì)算得到醋酸和水的液相活度系數(shù)，并可繪制汽液平衡相圖。三、實(shí)驗(yàn)裝置流程及實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作1. 實(shí)驗(yàn)裝置流程 本實(shí)驗(yàn)采用改進(jìn)的ellis汽液兩相雙循環(huán)型蒸餾器，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。在平衡釜加熱部分的下方設(shè)有磁力攪拌器以攪拌液體。在平衡釜蛇管處的外層與汽相溫度計(jì)插入部分的外層分別設(shè)有上、下電熱絲保溫，通過(guò)電子控制裝置可以調(diào)節(jié)釜的加熱電壓及上

6、下電熱絲保溫的加熱電壓以調(diào)節(jié)上下保溫的熱量。溫度測(cè)量使用分度為0.1的水銀溫度計(jì)。圖1-2 改進(jìn)的ellis汽液兩相雙循環(huán)型蒸餾器1. 蒸餾釜；2.加熱夾套內(nèi)插電熱絲；3.蛇管；4.液體取樣口；5.進(jìn)料口； 6.測(cè)定平衡溫度的溫度計(jì)；7.測(cè)定汽相溫度的溫度計(jì)；8.蒸氣導(dǎo)管；9、10.冷凝器；11.氣體冷凝液回路；12.凝液貯器；13.汽相凝液取樣口；14.放料口 本實(shí)驗(yàn)采用酸堿滴定法分析測(cè)定汽相及液相組成，每套實(shí)驗(yàn)裝置配有2個(gè)取樣瓶，2個(gè)1ml注射器及配套針頭，1個(gè)堿式滴定管，4個(gè)錐形瓶及架分析天平。實(shí)驗(yàn)室中安裝有大氣壓力測(cè)定儀，用于測(cè)定實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫及大氣壓力。2. 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作（1）檢查實(shí)驗(yàn)

7、裝置是否工作正常，注意檢查取樣口玻璃旋塞是否堵塞；（2）檢查大氣壓力測(cè)定儀是否工作正常；（3）藥品：0.1mol/l naoh標(biāo)準(zhǔn)溶液1l；指示劑、蒸餾水適量；（4） 裝置需配備：2只干燥、潔凈的取樣瓶；2只1ml 干燥、潔凈的注射器及配套針頭（備用2套）；1臺(tái)電子天平；4只滴定分析用錐形瓶（20ml）；1支堿式滴定管；1只蒸餾水洗瓶。四、實(shí)驗(yàn)操作步驟及注意事項(xiàng)1. 加料：從加料口加入配制好的醋酸水二元溶液。打開冷卻水。2. 加熱：開啟磁力攪拌器，調(diào)節(jié)合適的攪拌速度。接通加熱電源，調(diào)節(jié)加熱電壓約在4060v左右。約10min后，緩慢升溫，調(diào)節(jié)加熱電壓最高至90100v，加熱至釜液沸騰時(shí)，分別接

8、通上、下保溫電源，其電壓調(diào)節(jié)在4050v左右。保溫的目的在于防止氣相部分冷凝。3. 溫控：溶液沸騰，汽相冷凝液出現(xiàn)，直到冷凝回流。起初，平衡溫度計(jì)讀數(shù)不斷變化，調(diào)節(jié)加熱量，使冷凝液控制在每秒鐘1滴左右。調(diào)節(jié)上下保溫的熱量，最終使平衡溫度逐漸趨于穩(wěn)定，汽相溫度控制在比平衡溫度高（0.51）左右。平衡的主要標(biāo)志由平衡溫度的穩(wěn)定加以判斷，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須注意蒸餾速度、平衡溫度和汽相溫度的數(shù)值，不斷加以調(diào)整，經(jīng)半小時(shí)至一小時(shí)穩(wěn)定后，記錄平衡溫度及汽相溫度讀數(shù)，讀取室溫及大氣壓力。4. 取樣：分別迅速取約8 ml的汽相冷凝液及液相于干燥、潔凈的取樣瓶中。注意，取樣后須將瓶塞蓋緊，以防醋酸揮發(fā)。5. 分

9、析：采用0.1mol/l 的naoh標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定分析汽、液兩相組成。用注射器從取樣瓶中吸取0.2 ml待測(cè)溶液，經(jīng)電子天平稱重后，移入錐形瓶?jī)?nèi)用蒸餾水稀釋后滴定分析，每組試樣分析兩次，分析誤差應(yīng)小于0.5%。6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先把加熱及保溫電壓逐步降低到零，切斷電源，待釜內(nèi)溫度降至室溫，關(guān)冷卻水，整理實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)臺(tái)。五、實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的記錄 實(shí)驗(yàn)裝置號(hào)：no. ， 室溫： ， 大氣壓力： mpa 平衡溫度： ， 汽相溫度： ， 平衡溫度計(jì)暴露出溫度計(jì)套管口外水銀柱的高度： , naoh標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度： mol·l-1 hac分子量：60.04表1-1 實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)記錄序號(hào)汽相組成分析液

10、相組成分析“注射器+試樣”質(zhì)量（g）“注射器”質(zhì)量（g）naoh消耗體（ml）“注射器+試樣”質(zhì)量（g）“注射器”質(zhì)量（g）naoh消耗體積（ml）1234六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 平衡溫度的露莖校正 實(shí)際平衡溫度的露莖校正按如下方法進(jìn)行： 式中，：校正后的實(shí)際平衡溫度，； : 平衡溫度計(jì)的讀數(shù)，； : 室溫，； : 平衡溫度計(jì)暴露在套管口外空氣中的水銀柱高，； 0.00016：水銀在玻璃中的膨脹系數(shù)。2. 沸點(diǎn)校正：為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，需要將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的汽液相平衡數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)（見附錄）進(jìn)行比較。由于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mmhg）下的平衡數(shù)據(jù)，而本實(shí)驗(yàn)壓力并不是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，所以數(shù)據(jù)

11、處理時(shí)必須將本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的數(shù)據(jù)才可進(jìn)行對(duì)比。通常，可以使用如下young方程將實(shí)驗(yàn)時(shí)觀測(cè)大氣壓下的沸點(diǎn)校正為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)： 式中，: 正常沸點(diǎn)，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（760mmhg）下的沸點(diǎn)； : 實(shí)驗(yàn)時(shí)觀測(cè)的大氣壓，mmhg。3. 根據(jù)滴定分析的數(shù)據(jù)，計(jì)算hac在汽液兩相中的質(zhì)量百分組成及： = = 。4. 將，輸入計(jì)算機(jī)軟件，并將計(jì)算結(jié)果列入表1-2：表1-2 計(jì)算結(jié)果5. 在二元汽液平衡相圖中，將附錄中給出的醋酸-水二元體系的汽液平衡數(shù)據(jù)作成光滑的曲線，并將本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)標(biāo)繪在相圖上。七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論1. 計(jì)算實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差，分析誤差的來(lái)源。2. 為何液相中的濃度大于汽相？3. 利用本實(shí)驗(yàn)裝置如何獲得醋酸-水體系汽液平衡的完整相圖？主要符號(hào)說(shuō)明 組分的摩爾數(shù)； 壓力； 飽和蒸汽壓； 液相摩爾分?jǐn)?shù)； 汽相摩爾分?jǐn)?shù)（表觀）； 活度系數(shù)；t 攝氏溫度； 汽相中組分的真實(shí)摩爾分?jǐn)?shù)。下標(biāo)1、2 分別表示平衡汽相中單分子和雙分子醋酸；下標(biāo)、 分別表示醋酸與水；上標(biāo)0 表示純物質(zhì)。附錄：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，醋酸水二元體系的汽液平衡數(shù)據(jù)not, xhacyhacnot, xhacyhac1118.11.001.007104.30.500.3562115.20.950.908103.20.400.2743113.10.90