CO2臨界狀態(tài)觀測及PVT關系測試

1、專業(yè)： 姓名： 學號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱： 化工專業(yè)實驗 指導老師： 成績：_實驗名稱： CO2臨界狀態(tài)觀測及PVT關系測試 實驗類型：熱力學實驗 同組學生姓名： 一、實驗目的和要求 二、實驗內(nèi)容和原理三、主要儀器設備四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結果與分析七、討論、心得裝 訂 線一、實驗目的1了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認識；2掌握CO2的P-V-T關系的測定方法。學會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧；3加深對流體的凝結、汽化、飽和狀態(tài)等熱力學基本概念的理解；4掌握有關儀器的正確使用方法。二、實驗原理對簡單可壓縮熱力系

2、統(tǒng)，當工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)P、V、T之間有：f(P、V、T)=0 或 T=f(P、V) （1）本實驗就是根據(jù)（1），采用定溫方法來測定CO2的P-V之間的關系，從而找出CO2的P-V-T的關系。實驗中由壓力臺送來的壓力油進入高壓容器和玻璃杯上半部迫使水銀進入預先裝了CO2 氣體的承壓玻璃管，CO2 被壓縮。壓力通過壓力臺上的活塞桿的進、退來調(diào)節(jié)；溫度由供給水夾套的超級恒溫水浴調(diào)節(jié)控制。實驗中工質(zhì)二氧化碳的壓力由裝在壓力臺上的壓力表讀出，溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出，比容首先由承壓玻璃管內(nèi)CO2柱的高度來度量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻，截面積不變等條件換算得。承壓玻璃罐內(nèi)CO2

3、的質(zhì)量面積比常數(shù)k值的測量方法：由于充進承壓玻璃管內(nèi)的CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或面積（A）又不易測準，因而實驗中是采用間接辦法來確定CO2的比容。認為CO2的比容V與其高度是一種線性關系，具體如下：a) 已知CO2液體在20，100atm時的比容b) 實測本試驗臺CO2在20，100atm時的CO2液柱高度h*（m）。c) 由(a)可知，因為，所以則任意溫度、壓力下CO2的比容為式中： 任意溫度、壓力下水銀柱高度 承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度實驗中注意：做各條定溫線時，試驗壓力不大于100atm，否則承壓玻璃管有破裂的危險；試驗溫度不大于50 。三、實驗儀器及設備實驗裝置由壓力臺、恒溫器和試

4、驗本體及其防護罩三大部分組成，試驗臺本體如下圖所示：試驗臺本體示意圖四、實驗步驟1開啟超級恒溫槽，調(diào)好所需要的恒溫溫度。2砝碼式壓力計抽油，方法如下：（1）關閉壓力表及進入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進油閥。（2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿大部退出，這時壓力臺油缸中充滿了油。（3）先關閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進入本體油路的兩個閥門。（4）搖進活塞螺桿，使本體充油。 如此反復以上步驟，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。（5）再次檢查油杯閥門是否關好，壓力表及本體油路閥門是否開啟，若均已穩(wěn)妥即可進行實驗。3測定溫度為 20時的等溫線及（20，100atm 下）K 值。（1）壓力記錄從

5、水夾套管上有刻度開始，當玻璃管內(nèi)水銀升起來后，應足夠緩慢地搖進（退）活塞螺桿，以保證定溫條件。（2）仔細觀察 CO2 液化、汽化等現(xiàn)象。（3）仔細觀察、測定、記錄 CO2 最初液化和完全液化時的壓力及水銀柱高度。（4）在測定等溫線時，可慢慢地搖進活塞，使壓力升至 90atm 左右，然后緩慢減低壓力。注意觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。（5）求 K 值的操作為溫度為 20時，將壓力升至 100atm，此時的液柱高度即為h*(m)。4在 20 之間，測定 CO2 的飽和蒸汽壓和溫度的對應關系（利用水浴升溫過程中測試，并要求測 45 個實驗點，注意為減少系統(tǒng)誤差，每個點對應的液汽比應盡量一致）。5測定 CO2

6、的臨界等溫線和臨界參數(shù)；觀察臨界現(xiàn)象。 a）測定臨界等溫線 b）臨界乳光現(xiàn)象觀察 保持臨界溫度不變，搖進活塞桿壓力升至 Pc 附近處，然后突然搖退活塞桿（注意勿使試驗本體晃動）降壓，在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐狀的乳白色的閃光現(xiàn)象，這就是臨界乳光現(xiàn)象，這是由于 CO2 分子受重力場作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反復幾次來觀察這一現(xiàn)象。 c）整體相變現(xiàn)象 由于臨界點時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合與一點，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是像臨界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為一個逐變的過程，而這時當壓力稍有變化時，汽、液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。 d）汽、液兩相模糊不清現(xiàn)象

7、 處于臨界點時，CO2 具有共同參數(shù)（P、V、T），因而是不能區(qū)別此時 CO2 是氣態(tài)還是液態(tài)的。如果說它是氣體，那么這個液體又是接近氣態(tài)的液體。我們可用實驗證明這個結論，因為這時是處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進行來使 CO2 壓縮或膨脹，那么管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在我們按絕熱過程來進行，使壓力等于臨界壓力突然降低，CO2 狀態(tài)點由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi) CO2 出現(xiàn)了明顯的液面，這就說明，如果這次管內(nèi)的 CO2 是氣體的話，那么這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當在膨脹之后，突然壓縮 CO2 時，這個液面又突然消失了，這就告訴我們這時 CO2 既接近氣態(tài)又接近液態(tài)，所

8、以只能處于臨界點附近，臨界狀態(tài)是一種汽液不分的流體。這就是臨界點附近飽和汽液模糊不清的現(xiàn)象。6測定高于臨界溫度，如 t=45時的等溫線。7試驗結束，將油抽回，整理試驗臺。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理、實驗結果討論1K值的確定水銀柱起始高度h0 = 2.4 cm，實驗測得臨界溫度tC =31.5 20、100atm 下，測得水銀柱高度h1 = 5.6 cm 計算K值：K=mA=h0.00117=5.6-2.4×10_20.00117=27.3504kg/m22等溫線數(shù)據(jù)記錄及處理表格 1 溫度20下等溫線數(shù)據(jù)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 計算示例：取溫度20，壓強5.65 MPa下的數(shù)據(jù)點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 臨界溫度31.5下等溫線數(shù)據(jù)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 超臨界溫度33.1下等溫線數(shù)據(jù)p / Mpa7.66.795.55h / cm914.520.3h / cm6.612.117.9V / 10-3m3·kg-12.413 4.424 6.545 表格 4 飽和線數(shù)據(jù)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曲線，如圖1圖 1實驗測得CO2的P-V圖藍色線t=20下等溫線；綠色線t=31.5臨界溫

11、度下等溫線；黑色線t=33.1下等溫線；紅色線飽和線；C點臨界點 將實驗測得P-V圖與標準圖相比較：圖 2 CO2的標準P-V圖比較圖1和圖2可以看出，實驗測得的等溫線與標準等溫線圖線趨勢基本吻合。但在實測圖中，存在曲線局部不平滑、等溫線在氣液平衡區(qū)不水平、兩條等溫線有所重疊等問題。造成差異的原因可能有： 1、 改變壓力后，讀數(shù)時水銀柱高度和壓強示數(shù)不完全穩(wěn)定，h、P值的讀取存在一定誤差；2、 由于人為因素，對于CO2汽化和液化的轉(zhuǎn)折點判斷存在誤差，使得飽和氣液相線和標準曲線有所差別；對臨界乳光現(xiàn)象的產(chǎn)生點的判斷亦存在一定誤差，使得Tc、Pc與標準值存在偏差。3、 溫度計的選取的位置在CO2的

12、套管外層，相當于測量恒溫水的溫度，與CO2的真實溫度有一定偏差；4、實驗中每條等溫線只有3個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點個數(shù)不夠，只能大致畫出曲線趨勢而不能準確畫出等溫線。5、P-V圖中在氣液平衡區(qū)內(nèi)，等溫線理論上應水平，而實際20下測得的飽和液相與飽和氣相的壓強相差0.74MPa，猜想可能是由于實驗裝置中以壓強為自變量進行探究，壓強由油壓控制，CO2在液氣相變過程中要保持恒壓膨脹，需將水銀柱向外壓；在一定范圍內(nèi)，CO2能夠壓出水銀柱，保持恒壓膨脹；當?shù)竭_一定程度時，由于油壓裝置的阻力，CO2無法將繼續(xù)水銀往外壓了，于是停留在了一定氣液平衡態(tài)；當通過油壓裝置減小壓力時，CO2繼續(xù)汽化。猜想在這臺裝置下，若將

13、P-V圖的微觀表現(xiàn)出來，P是呈梯度很小的階梯狀下降的。3飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)處理將實驗測得的飽和溫度和飽和壓力的對應值擬合出Atonie常數(shù)并與資料上的數(shù)據(jù)進行比較：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理論（Ps：kPa）3.75823.84053.8726Ps理論 / Mpa5.7316.9267.458計算示例：以t=28.2數(shù)據(jù)為例T=28.2+273.15=301.35K氣液平衡區(qū)壓力有變化，由上述

14、P-V圖誤差分析第5點，我認為應以剛開始汽化時的數(shù)據(jù)為準，由表格4得 P=7.08MPa lgPs理論=7.76331-1566.08/(31.35+97.87)=3.8405Ps理論=103.8405=6926KPa=6.926MPa做出蒸汽壓曲線，圖3：圖 3 理論P-T與實驗所測P-T曲線黑色實驗測得曲線；紅色理論值曲線使用origin軟件以Antoine方程對飽和溫度和壓力數(shù)據(jù)進行擬合，得下圖。圖 4 Antoine方程擬合曲線分析：（1） Antoine方程形式為lgPs=A-BT+C，可得Ps=eAln10-Bln10T+C，實驗得到的三個數(shù)據(jù)點以方程y=ea+bx+c形式擬合時，

15、無法收斂得到參數(shù)，故并未擬合出Antoine常數(shù)。猜想可能是由于數(shù)據(jù)點不夠。（2） 由圖3可得實測的蒸汽壓數(shù)據(jù)與利用文獻Antoine方程計算出的理論蒸汽壓數(shù)據(jù)非常接近，可以看出由在實驗所測溫度范圍內(nèi)Antoine能較好地擬合Ps和T的關系。4臨界點數(shù)據(jù)處理實驗測得臨界參數(shù)：tc = 31.5pc =7.38Mpa臨界比容：(1)實驗測定值：Vc =h/K=0.05/27.3504=1.828*10 -3m3/ kg(2)按理想氣體狀態(tài)方程： Vc=1000RTc/(MPc)=1000*8.314*(273.15+31.5)/(44*7380000)=7.80 *10-3m3/ kg(3)按范

16、德華方程：Vc=3000RTc/(8MPc)=3000*8.314*(273.15+31.5)/(8*44*738000)=2.925 *10-3m3/ kg(4)教材給的值：Vc=0.0942m3/kmol=2.141 *10-3m3/ kg表格 5 臨界比容實驗測定值理想氣體狀態(tài)方程范德華方程理論值臨界比容10 -3m3/ kg1.8287.802.9252.141由上述數(shù)據(jù)可以看出，實驗測得的臨界比容要小于1、2計算結果，與按范德華方程計算得到的數(shù)據(jù)較為接近，用理想氣體模型推算出來的值則相差很大；實驗結果與實驗指導書所給的臨界參數(shù)值較為接近。 由化工熱力學教材內(nèi)容可知，理想氣體的臨界壓縮因子Zc為1，而范德華爾斯方程的臨界壓縮因子Zc=0.375，實際流體的Zc在0.230.29之間，明顯低于前兩者的Zc，故在一定的Pc、Tc下，由理想氣體方程和范德華爾斯方程計算的臨界比容Vc大于實際流體的Vc，反映了兩方程在描述實際流體P-V-T性質(zhì)方面有所不足，且說明臨界流體嚴重偏離理想流體狀態(tài)