氣液平衡實驗報告

一．實驗?zāi)康臏y定苯－正庚烷二元體系在常壓下的氣液平衡數(shù)據(jù)；通過實驗了解平衡釜的結(jié)構(gòu)，掌握氣液平衡數(shù)據(jù)的測定方法和技能；應(yīng)用Wilson方程關(guān)聯(lián)實驗數(shù)據(jù)。二．實驗原理氣液平衡數(shù)據(jù)是化學(xué)工業(yè)發(fā)展新產(chǎn)品、開發(fā)新工藝、減少能耗、進行三廢處理的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一?；どa(chǎn)中的蒸餾和吸收等分離過程設(shè)備的改造與設(shè)計、挖潛與革新以及對最佳工藝條件的選擇，都需要精確可靠的氣液平衡數(shù)據(jù)。這是因為化工生產(chǎn)過程都要涉及相間的物質(zhì)傳遞，故這種數(shù)據(jù)的重要性是顯而易見的。平衡數(shù)據(jù)實驗測定方法有兩類，即間接法和直接法。直接法中又有靜態(tài)法、流動法和循環(huán)法等。其中循環(huán)法應(yīng)用最為廣泛。若要測得準確的氣液平衡數(shù)據(jù)，平衡本實驗用的小型平衡釜主要特點是釜外有真空夾套保溫，釜內(nèi)液體和氣體分別形成循環(huán)系統(tǒng)，可觀察釜內(nèi)的實驗現(xiàn)象，且樣品用量少，達到平衡速度快，因而實驗時間短。1A和B兩容器中取樣分析，即可得到一組平衡數(shù)據(jù)。圖1平衡法測定氣液平衡原理圖即逸度相等，其熱力學(xué)基本關(guān)系為：i常壓下，氣相可視為理想氣體，Φ=1；再忽略壓力對液體逸度的影響，fi=pi0，i從而得出低壓下氣液平衡關(guān)系式為：式中，p 體系壓力（總壓）；pi0 i在平衡溫度下飽和蒸氣壓；xi、分別為組分i在液相和氣相中的摩爾分率；ri i的活度系數(shù)；由實驗測得等壓下氣液平衡數(shù)據(jù)，則可用下式計算不同組成下的活度系數(shù)：計算出不同組成下的活度系數(shù)：本實驗中活度系數(shù)和組成關(guān)系采用Wilson方程關(guān)聯(lián)。Wilson方程為：目標函數(shù)選為氣相組成誤差的平方和，即：三、實驗裝置和試劑準確、氣相中不夾帶液滴、液相不返混及不易爆沸等。本實驗用氣液雙循環(huán)的小平衡釜，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。阿貝折射儀一臺。超級恒溫槽一臺（4）50-100十分之一的標準溫度計一支、0-50十分之一的標準溫度計一支。所用試劑（苯、正庚烷）為優(yōu)級品。注射器（1ml、5ml）若干。圖2小氣液平衡釜示意圖四、實驗過程首先開啟超級恒溫槽，調(diào)節(jié)溫度至測定折射率所需溫度25℃。100毫U型（說明系統(tǒng)是密閉的（已由教師檢測完成我們做的是常壓下的氣液平衡，當(dāng)天的大氣壓需要讀出。在平衡釜內(nèi)加入一定濃度的苯—正庚烷混合液約已加好），使液體處在圖2中加料液面處，一般由實驗點數(shù)決定，通常取摩爾濃度在0.1-0.15之間變化，故開始加入的濃度可使輕組分含量較多，然后慢慢增加重組分的濃度。打開0.1A，5min后給慢慢調(diào)到0.25A左右即可，以平衡釜內(nèi)液體沸騰為準。冷凝回流液控制在每秒2-3滴。穩(wěn)定地回流15min左右，以建立平衡狀態(tài)。用注射器從釜中取出3ml的混合液，然后加入4或5ml5次，得到不同組成下平衡組成。實驗完畢，關(guān)掉電源和水源。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理通過多次改變混合液的組成，得到五組實驗數(shù)據(jù)如下表1所示：（一）混合液氣液平衡時原始數(shù)據(jù)主液相折射率液相組成（%）氣相折射率氣相組成（%）94.0025.00主液相折射率液相組成（%）氣相折射率氣相組成（%）94.0025.001.394621.41.396524.488.5524.801.401530.41.413445.087.9025.801.410641.21.419650.886.1525.111.415046.61.430259.284.2524.501.427056.81.442068.8

表1實驗數(shù)據(jù)記錄表（二）實際平衡溫度的計算平衡溫度的計算方法如下：t =t +t +t實際 主 修正 校正其中：t校正=kn(t主-t輔) k取0.00016；n取60℃；t （表的修正溫度。表2溫度計修正記錄表溫 50 55度6065707580859095100修 0.01 0.07正0.10.120.090.050.080.070.070.090.08例如使用t主=87.9℃為例：（當(dāng)x=87.9時，修正值：0.069）

85修正值808580900.08858085900.07908090850.07經(jīng)過計算得到液體平衡時實際的溫度如表3所示：表3氣液平衡時實際溫度t （℃）主（℃）t輔t （℃）修正t （℃）校正t （℃）實際94.0025.000.08840.662494.750888.5524.800.06890.612089.230987.9025.800.06880.596288.565086.1525.110.06910.586086.805184.2524.500.07080.573684.8944（三）苯和正庚烷純組分在本實驗不同溫度下的飽和蒸汽壓和活度系數(shù)的計算苯和正庚烷純組分在本實驗不同溫度下的飽和蒸汽壓的計算由Antoine（安托尼）公式：lgPi0=Ai–Bi/(Ci+t)式中：t—溫度，℃（即計算所得的實際溫度） P0—飽和蒸汽壓，mmHg所以可得到：Pi0=10(Ai-Bi/(Ci+t))純物料的Antoine常數(shù)見表4表4：純物料的安托尼常數(shù)組分組分苯A6.87987B1264.37C216.64t范圍（℃）15～843～127以87.90℃為例：苯的飽和蒸氣壓p10=10(6.87987-1196.76÷(219.161+88.5650))=979.10mmHg正庚烷的飽和蒸氣壓P20=10(6.89386-1264.37÷(216.64+88.5650)=563.86mmHg計算五組純組分飽和蒸汽計算結(jié)果見表5表5：純組分飽和蒸汽在實驗溫度下計算結(jié)果組號組號P10/mmHgP20/mmHg1681.492575.693979.104929.915苯和正庚烷純組分在本實驗不同溫度下的活度系數(shù)的計算由實驗測得等壓下氣液平衡數(shù)據(jù)，則可用下式計算不同組成下的活度系數(shù)：以87.90℃為例計算：γ1

py1x

76050.800.957041.2979.10γ py

11760(10050.80) 2 xp022

1.127841.2)563.86表6苯和正庚烷活度系數(shù)計算表實際組成（%）組成（%實際組成（%）組成（%）蒸氣壓和蒸氣壓系數(shù)度系數(shù)（mmHg）（mmHg）94.750821.424.41168.05681.490.74181.072689.230930.445.0998.21575.691.12701.043288.565041.250.8979.10563.860.95701.127886.803646.659.2929.90533.481.03831.088584.894456.868.8878.77502.041.04761.0933

苯的液相

苯的氣相

苯的飽和

正庚烷飽

苯的活度

正庚烷的活（四）用非線形最小二乘法回歸配偶參數(shù)Λ 、Λ12 21

并求液相組成活度系數(shù)和組成關(guān)系采用Wilson方程關(guān)聯(lián) 1lnγ=-ln(x11

x122

)x2

( 12xx1 12

x2

)lnγ2=-ln(x

x)x( 21 x

12 )2 21

1 2

x21

xx1 122目標函數(shù)選為氣相組成誤差的平方和,即F=m(y -y 2+(y -y )21實1計jj1

2實2計j用非線性最小二乘法擬合：matlab擬合程序見下:functionF=li(bb)x1=[0.2140.3040.4120.4660.568]x2=[0.7860.6960.5880.5340.432]y1=[0.2440.4500.5080.5920.688]y2=[0.7560.5500.4920.0.4080.312]p10=[1168.05998.21979.10929.90878.77]p20=[681.49575.69563.86533.48502.04]fori=1:4F(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))))endfori=5:8j=i-4F(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運行得：bb=0.0737 2.6058Resnorm=0.0137即所得的二元配偶參數(shù)Λ

=0.0737;Λ

=2.6058，方差為0.0137。12 21（2）計算苯的氣相濃度：取平衡溫度87.90℃為例：rexp0.07370.5880.588

0.0737 -

2.6058

0.9609 1 rxp0 0.96090.412

0.4120.07370.5880.5882.60580.412y111 0.511 p 760分別計算五組數(shù)據(jù)可得表5表5苯的計算氣相濃度9488.5587.9086.159488.5587.9086.1584.2521.430.441.246.656.824.445.050.859.268.832.638.551.055.0364.1X（%）X1,實驗Y（%）Y1,實驗Y（%）Y1,計算得到實驗和計算的t-x-y相圖如下：（六）結(jié)果分析討論1）實驗結(jié)果討論從實驗的結(jié)果的相圖和氣相組成的實驗值和計算值的比較來看，本次實驗測得以及回歸所得實驗數(shù)據(jù)可靠，誤差均在實驗允許范圍內(nèi)。從相圖可以看出，第一點的數(shù)據(jù)誤差大，估計和操作有關(guān)，但總體來說本實驗數(shù)據(jù)很好的體現(xiàn)了常規(guī)二元氣液平衡相圖