实验四 易挥发性液体摩尔质量的测定最全word资料.docx
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实验四易挥发性液体摩尔质量的测定
实验目的
1.用维克托－梅耶（VictorMeyer）法测定易挥发液体乙酸乙酯的摩尔质量；
2.要求掌握质量、温度、压力、体积测量的基本操作。
实验原理
在温度不太低、压力不太高的条件下，蒸气或气体可以近似地视为理想气体用理想气体状态方程处理，
（1）
式中p为气体压力，V为气体体积，m为气体的质量，M为气体的摩尔质量，R为摩尔气体常数，T为气体的热力学温度。
维克托-梅耶法，是将一定质量的易挥发的液态物质，在一个温度高于该液体沸点的蒸发管中迅速蒸发为蒸气，该蒸气就把蒸发管中与其相等的物质的量的空气赶出管外。
在常温、常压下，用水量气管测量被赶出的这部分空气的体积，并测得量气管内空气的温度与压力，就可按上式算出液体的摩尔质量。
仪器和试剂
电子天平、水抽气泵、测定装置（如图1）、300W电炉、乙酸乙酯（AR）
操作步骤
1.将样品小玻泡在电子天平上准确称量后，置于酒精灯微火焰上加热一会儿，速将开口一端插入装有乙酸乙酯液体的瓶中，吸入样品管中约0.20g左右，然后将小玻泡开口端用火焰烧封，再在天平上准确称量。
2.检查实验装置是否漏气。
3.打开活塞8、9，旋转活塞10使蒸发管2与水抽气泵相通，加热外管的水浴至沸腾并同时进行抽气，用经过干燥管7的干燥空气将蒸发管净化。
4.抽气净化后关掉活塞8、9，从装置上取下铜管3，换上玻璃棒5和样品小管4，检查加热管内热平衡是否建立。
方法如下：
先将活塞10旋至三路均不通的位置，几分钟后突然旋至使量气管与蒸发管相通，观察量气管中水面是否变化。
若无变化，说明蒸发管中已达到热平衡，即蒸发管中各点的温度不随时间而变。
5.保持活塞10使量气管14与蒸发管2相通的位置，并使水位瓶与量气管中的水面相平，读出量气管中液面的初读数。
用力压下玻璃棒5，使样品小玻泡破碎而掉到蒸发管底部，样品随即气化。
移动水位瓶使其液面始终和量气管中液面相平，待量气管内液面不再变化，记下其终读数。
并记下量气管中气体温度。
6.从气压计上读出大气压力
7.重复1～5
数据记录和处理
1.将实验数据填入下表
样品质量
排气体积
量气管温度
水蒸气压
1
2
1
2
排除空气的压力应该扣除该温度下水的饱和蒸气压：
（2）
2.按实验原理中的公式计算乙酸乙酯的摩尔质量
1.计算相对误差
思考题
1.为什么可以用室温下测得的量气管中空气的压力、体积和温度来计算被测物质的摩尔质量？
2.系统如何检漏？
如何判断系统已达热平衡？
3.本实验装置对被测物质的摩尔质量和沸点有什么要求？
为什么？
4.为什么实验前蒸发管内应通以干燥空气？
5.如果乙酸乙酯在测定过程中已扩散到了蒸发管外，其结果将导致测量值偏高还是偏
低？
为什么？
讨论
1.此方法的系统误差在于应用了理想气体状态方程所引进的。
若精确测量可选择范德华方程或贝特洛方程等真实气体状态方程。
2.若量气管中空气没有被水饱和则按式
（2）计算压力就会有误差。
例如，饱和度为80％则应该在水的饱和蒸气压上乘0.8即：
。
3.液体是在蒸发管下部蒸发，排出同样量的空气进入量气管，所以蒸发管的温度梯度不影响实验结果。
但必须保持蒸发管温度梯度的稳定，即各部位温度是稳定的。
4.本实验装置还可以用来测定气态分子的缔合度。
实验一填充管式反应器
液体停留时间分布及其流动模型参数的测定
一、实验目的当流体（气体或液体流经填充层进行均相反应,或者流体通过固体颗粒层（固定床进行非
均相反应或非均相催化反应时,由于各种原因造成流体质点在反应器内停留时间不一,形成
不同的停留时间分布。
不同的停留时间分布直接影响反应结果,如反应的最终转化不同。
填
充管式反应器或固定床反应器均可视为连续流动的管式反应器,其理想流动模型为活塞流模
型。
这类反应器的理想流动模型能够的检验,实现理想流动的边值操作条件的确定,以及非
理想流动反应器的流动模型和模型参数的确定,都应先通过实验测定流体流经反应器的停留
时间分布。
停留时间分布的实验测定方法通常用两种方法:
脉冲激发——响应法和阶跃激发——响
应法。
本实验以水为主体流体,以氯化钾饱和溶液为示踪剂,采用脉冲输入的方法测定流体
流经填充层或固定床层的停留时间分布。
这种方法不仅用于检验或确定填充管式均相反应器
和固定床均相反应器的流动模型,也适用于填料塔等传质设备。
通过本实验掌握一种测定停留时间分布的实验技术,同时初步掌握对流体流经固体颗粒
层这类是设备的流动模型检验和模型参数的实验测定方法。
毫无疑问。
通过实验对于数学模
型方法和流动模型等方面的有关概念,原理和方法会有更深入的理解。
二、实验原理采用脉冲激发——响应法测定停留时间分布的实验方法,是当主流流体以恒定的体积流
率流经具有一定堆积的填充层时,在反应器如口出瞬时脉冲注入一定量的示踪剂,与此同时
在反应器出口处检测示踪物浓度与时间的关系曲线,即ttc-（曲线,并可转化为停留时间
分布密度与时间的关系曲线,即ttE-（曲线。
由停留时间分布实验曲线可以定性地诊断流体流经反应器的流动状况。
停留时间分布属
于随机变量的分布,概率上还可以定量地用数字特征加以描述,表征这种随机分布的数字特
征主要是数学期望和方差。
（1停留时间分布的数学期望,t随机变量的数学期望也就是该变量的平均数。
流体流经反应器停留时间分布的数学期
望也就是停留时间的平均值。
停留时间分布数学期望的定义式为
⎰⎰∞∞=
00（（dttEdtttEt（1
图1停留时间分布的实验曲线
Figure1ExperimentalcurveofRTD（residencetimedistribution
如果取一定时间间隔的离散数据,则上述定义式可用离散型随机变量数学期望定义式
替代,即
∑∑==∆∆=niiiinii
it
tEttEtt0
（（ˆ（2
如果取等时间间隔的离散数据,即it∆为一定值。
则（2式可简化为
∑∑===niii
niitEtEtt1
1
（（ˆ（3
本实验以水为主流体,其体积流率恒定为0.SV,KCl为示踪剂,注入量为0n,则停留
时间分布密度与浓度的关系为
（（0
0.tcnVtES=（4本实验采用电导率仪测定出口处的示踪剂浓度,且已知水溶液的电导率与水溶液中KCl
的浓度呈过原点的线性关系,水溶液的电导率又与电导率仪输出的电压显示值（tU呈线性
关系,则停留时间分布密度（tE与（tU存在如下线性关系:
（（（0
0.tKUtcnVtES==（5式中K为换算系数,在固定测试条件下为一常数。
由此,可将（3式改写为
∑∑===niin
ii
itUtUtt1
1
（（ˆ（6
如果流体流经反应器无密度变化,即流经反应器体积流率SV为一定值,且0.SSVV=,反应器进出口又无返混,则平均停留时间t可按下式计算
.0SCSVVVVtε==（7式中0V——流体流经反应器的流通体积,亦即固体颗粒填充层内的自由体积;ε——固体颗粒填充层的空隙率;
CV——固体颗粒填充层的堆积体积。
（2停留时间分布的方差,2tσ
停留时间分布的数学期望只表征停留时间分布的中心,但不能反映停留时间分布的离
散程度,而反应器内物料停留时间分布的离散程度正是反映物料在反应器内的返混程度。
因
此,停留时间分布的离散程度,统计学上用另一个特征数——方差来表征。
停留时间分布方
差的定义式为
2tσ=⎰⎰∞∞-002（（ˆ（dt
tEdttEt
t（8
如果采集等时间间隔的离散随机变量数据,则停留时间分布的方差可按下式计算:
2tσ=∑∑==-n
iiniitEtEtt11
2
（（ˆ（（9展开上式并整理后可得:
2tσ=211
2ˆ
（（ttEtEt
n
iiniii-∑∑==（10根据前述相同的理由,本实验中的方差还可以计算:
2tσ=2020
2ˆ
（（ttUtUt
niiniii-⎰∑∑∞==（11
（3理想流动模型的检验
由实验测得的停留时间分布方差值,可按下式计算无因次方差:
=2θσ22ˆttσ（12由无因次方差2θσ的数值,可对被测反应器的流动状况作出判断,对其是否已经达到理
想流动模型进行检验。
当2θσ=0时,则该反应器为理想流动反应器,其流动模型为理想活塞流模型。
当2
θσ=1时,则该反应器也为理想流动反应器,但其流动模型为理想的全混流模型。
只有当102<<θσ时,则该反应器为非理想流动反应器。
（4非理想流动反应器的流动模型与模型参数
对于非理想流动反应器的流动模型,需要采用各种不同的方法加以模拟,建立等效于原
型的数学模型。
目前,常用的流动模型有凝集流模型,分散活塞流模型（或称扩散模型,多级全混流
模型,循环流模型和组合模型等。
分散活塞流模型（DispersionPlugFlowModel
流体流经填充层时,如果流体在填充床层内作返混程度不大的一维定常流动,并且床层
内维持等温。
则非理想流动反应器可采用分散活塞流模型,即在活塞流中,由于轴向扩散引
起返混来模拟实际的返混状况。
根据模型假设可导出数学模型为022=--θddcdZdcdZ
dcDl（13式中c——示踪物的浓度,3
-⋅mmol;lD——轴向等效扩散系数,12-⋅sm;
l——长度,m;
u——流体在反应器内的流动速度,1-⋅sm。
当反应器的长度为L,无因次时间为θ,且ltutt//==θ。
若令ZL=1无因次长度,
则轴向分散模型又可表达为
0（22=--θ
ddcdZdcdZdcuLDl（14式中uLDl/为无因次数群的倒数等于
eP,即
el
PDuL=（15
称eP为彼克列模数（Peclectmodulus。
eP即为一维轴向分散模型的模型参数,其数
值可用来度量返混程度的大小。
eP数值越大（即lD愈小,则返混程度愈小;反之,则返
混程度愈大。
当eP趋于∞（uLDl/趋于0时,则流动状况趋于完全无返混,即流动模型
接近活塞模型。
根据各种反应器的不同边界条件和示踪物的输入方法,求解（14式可得到不同的解。
各种求解方法及其解得结果,文献中多有报道。
本实验设备和操作条件下,保证设备进
出口无返混,即属于闭式设备。
当返混程度很小（eP≥100时,则可解得eP与2θσ的关系
式为2θσ=2/eP（16
当返混程度较大（eP<100时,则需要根据下式进行试差计算模型参数:
1（1（2222epe
eePP---=θσ（17多级全混流模型
多级全混流模型是以多级串联全混流反应器模拟各种非理想流动反应器。
该模型也属于
单参数模型,模型参数为虚拟的串联级数N。
由式（8的停留时间分布方差定义式,经展开并整理后,又可表达为如下形式:
2022ˆ（tdttEtt-=⎰∞
σ（18
多级全混流反应器的停留时间分布密度为tNtNetNttNNtEˆ/1ˆ（ˆ!
1（1（--⋅⋅⋅-=
（19联立上列两式求解可得:
2
2/ˆttNσ=（20或21θσ=N（21
由模型参数N的数值可度量非理想流动反应器的返混程度。
N数值愈大,返混程度愈
小;反之,则愈大。
当N值趋于∞时,则反应器的流动模型趋于活塞流模型。
一般情况下;
当N≥50时,已可视为活塞流反应器。
三、实验装置
本实验装置主要有反应器,循环水系统,电导率仪,信号放大和A/D转换器,以及微
型电子计算机等几个部分组成,其装置流程如图2所示。
化学工程专业实验图2填充管式反应器测定停留时间分布及流动模型参数的实验装置流程Figure2ExperimentalequipmentflowsfordeterminationofRTD（residencetimedistributionandflowmodelparametersoffillingtubereactor本实验采用的反应器是由直径64´4mm总高度1600mm的圆管构成，管内填充有f5-6mm的玻璃珠，填充高度为1400mm。
主体流体（水）从循环水槽由泵压送至反应器顶部，流量由调节阀调节，并由流量计显示。
反应器顶部流入的水，自上而下流经填充层后，由器底出口排出，排出的水经电导池与电极接触后，再经C型管排入下水道。
反应器内液层高度由C型管高度控制，并由器顶放空阀进行微调。
固体颗粒填充至示踪剂注入口的下沿，而也面调至以淹没示踪剂入口为度，一般以高出填料层约15mm左右为宜。
示踪剂采用KCl饱和溶液，用注射器由器顶示踪剂注入口注入。
由点导率仪测得出口溶液的浓度变化信号，经放大器放大和A/D转换后，输入微型电子计算机。
四、实验方法1．实验前的准备工作
（1）将循环水槽灌满水，关闭泵出口阀，启动水泵。
（2）按预定的实验计划，用调节阀调节流量。
流量一般可在10—100l×h范围内选取。
（3）利用C型管和器顶放空阀，调节填料上方的水垫层高度（约15mm左右），并维持稳定。
（4）待水流量和水垫层高度稳定以后，启动点导率仪和电子计算机，并调节好实验数据采集程序。
校验带内导率仪的零点。
满度和测量档次，待屏幕上显示的初始电压值稳定不变后，可以开始测定停留时间分布实验。
2．停留时间分布测定实验
（1）用注入器将适量的示踪剂（KCl饱和溶液），有反应器上方示踪剂注入口迅速注入器内的水垫层中，示踪剂用量应与主体流体的流量相适应，以使屏幕上显示的最高电压值不超出程序预先设定的值（以500mV左右为宜）。
示踪计注入量一般约为0.5—1ml。
（2）在注入示踪剂的同时，在计算机键盘上按下数据采集指令键（S键）。
（3）当连续采集的电压值，再次出现初始值时，按下终止数据采集的指令键（Q键），终-31-1
合肥学院化学与材料工程系止采集。
将采集的实验数据付于文件名后存入机内，待用。
按上述操作步骤重复操作二、三次，以便获得相同操作条件下的平行数据，进而可改变流量，重复上述实验步骤，取得不同流量下的实验数据。
3．实验结束工作当最后一组实验数据采集完毕之后，按下列步骤进行停机操作：
（1）先关闭计算机，再关闭电导率仪。
（2）先关闭水调节阀，再关闭泵的出口阀，最后停泵。
（3）排尽设备内的存水。
4．实验注意事项
（1）填充的固体颗粒层要填充均匀，避免出现“死区”或“短路”。
（2）实验过程中一定要控制水流量，水垫层高度和测试仪器的稳定，保证基准电压不飘移。
（3）示踪剂注入量要适量，注射时动作要快速，同时又要保证示踪剂全部注入水垫层内，防止飞溅。
五、实验结果1．记录实验设备结构参数与操作参数
（1）实验设备参数固体颗粒物的种类：
固体颗粒物的直径：
填充层的直径：
填充层的高度：
填充层的堆积体积：
填充层的自由体积：
填充层的空隙率：
（2）操作参数主体流体（水）的体积流率：
示踪剂（KCl饱和溶液）注入量：
数据采集率：
2．参考下列格式记录实验数据并绘制实验曲线实验序号或文件名称：
___________________初始电压值：
U（n=0=起峰电压值：
U（n=r=最终电压值：
U（n=f=dp=d=h=mmmmmmmlmlVc=V0=e=VS.0=Vi=f=l×h-1ml次/秒mVmVmV-32-
化学工程专业实验实验数据：
采集的实验序号数据采集的累计数电压值n/次U（nmV实验曲线：
3．参考下列步骤整理实验数据
（1）列出实验数据整理表采集数据序号时间电压tsU（tmVtU（tt2U（t
（2）标绘U（t-t曲线。
（3）列出停留时间分布的特征数和模型参数的计算结果。
实验序号或文件名称主流体（水）的体积流率平均停留时间停留时间分布的数学期望停留时间分布的方差停留时间分布的无因次方差轴向分散模型参数多级全混流量模型参数VS.0/m3×s-1
（1）t/s
（2）（3）（4）（5）（6）（7）ˆt/sst2/s2sq2/-Pe/—N/—列出表中各项计算公式。
4．从实验数据整理结果中，可作出哪些判断和结论？
-33-
二、关于数据文件名的命名规则文件名由程序自动生成,主文件名由实验的日期时间（计算机系统的年月日时分构成：
第1,2个字符是日期的“年”，用00～99表示，第3个字符是日期的“月”，用1～9,A,B,C表示12个月，第4,5个字符是日期的“日”，用01～31表示，第6,7个字符是时间的“时”，用00～23表示，第8个字符是时间的“分/6”，用0～9表示，文件的扩展名使用，由一个字母和二位数字组成。
其中字母表示班级，数字表示学号。
自动使用仪表界面中由用户输入的“操作员号”的左边三位半角ASCII字符。
例如：
01525176.a00表示是2001年5月25日17时36～42分之间开始的实验。
三、关于数据文件的数据存储格式数据文件中的数据以ASCII格式（即纯文本方式）存放，因此数据文件可被微软EXECL软件读入并处理。
其中前部是有关参数及说明,随后是若干行数据。
11
实验五液体饱和蒸气压的测定
一、实验目的
1．掌握纯液体饱和蒸气压与温度的关系；
2．熟悉用克劳修斯－克拉贝龙方程计算摩尔汽化热；
3．掌握测定液体饱和蒸气压的方法。
二、基本原理
纯液体的饱和蒸气压是指在一定温度下，气－液两相平衡时蒸气的压力。
处于一定温度下的纯液体，其中动能较大的分子，要不断地从液体表面逸出变成蒸气，此过程称为蒸发；与此同时，也会有蒸气分子回到液体中，此过程称为凝聚。
当蒸发与凝聚的速率相等时，就达到了动态平衡，此时的蒸气压力就是该温度下液体的饱和蒸气压。
温度越高，能逸出液面的分子数越多，因此，达到动态平衡时，液面上的饱和蒸气压就越高。
当液体的饱和蒸气压与外界压力相等时，液体便沸腾，此时的温度成为液体的沸点。
液体的沸点随外压的变化而变化，若外压为标准压力（通常取101325Pa），则液体沸点就称为正常沸点。
蒸发一摩尔液体所需要吸收的热量，即为该温度下该液体的摩尔汽化热（焓）。
从热力学的知识中我们知道，液体饱和蒸气压随温度变化的定量关系，可由克劳修斯－克拉贝龙（C1ausius－Clapeyron）方程给出：
d（lnP）vapHm（5－1）2dTRT
式中：
R——摩尔气体常数；
vapHm——液体的摩尔气化热。
如果温度改变区间不大，则可把vapHm视作常数，将上式积分得：
vapHm1C（5－2）lgP2.303RT
以lgP对1/T作图，即得一直线，其斜率应为：
mvapHm
2.303R
所以vapHm2.303Rm（5－3）
由实验测定几个不同温度下待测液体的饱和蒸气压，用图解法求得直线的斜率m，根据（5－3）式即可求出vapHm。
测定饱和蒸气压常用的方法有两种：
1．动态法
其中常用的有饱和气流法，即通过一定体积的待测液体所饱和的气流，用某物质完全吸收，然后称量吸收物质增加的重量，求出蒸气的分压力。
2．静态法
把待测物质放在一个封闭体系中，在不同温度下直接测量蒸气压或在不同外压下测液体的沸点。
测定时要求体系内无杂质气体。
本实验采用静态法。
静态法的测定仪器如图5－1所示的平衡管，平
衡管是由三个相连的玻璃球a、b和c组成。
a球中
储存有待测液体，故a称之为样品池，b、c球中的
待测液体在底部用玻璃管连通，bc部分称为等压计。
当a、b球的上部纯粹是待测液体的蒸气，b球与c
球之间的管中液面在同一水平时，则表示加在b管
液面上的蒸气压与加在c管液面上的外压相等。
此时
液体的温度即是体系的气液平衡温度，亦即沸点。
图5—1平衡管
测定时先将a与b之间的空气抽净，然后从c的上方缓慢放入空气，使等压计bc两端的液面平齐，且不再发生变化时，则ab之间的蒸气压即为此温度下被测液体的饱和蒸气压，因为此饱和蒸气压与c上方的压力相等，而c上方的压力可由压力计直接读出，温度则由温度计直接读出，这样便得到一个温度下的饱和蒸气压数据。
当升高温度时，因饱和蒸气压增大，则等压计内b液面逐渐下降，c液面逐渐上升。
同样从c的上方再缓慢放入空气，以保持bc两液面的平齐，当恒温槽达到所需测定的温度时，在bc两液面平齐时，即可读出该温度下的饱和蒸气压。
用同样的方法可测定其它温度下的饱和蒸气压。
待测液体的体积占a球的4/5为宜。
三、仪器与药品
饱和蒸气压测定组合装置（如图5－2，包括SYP玻璃恒温水浴、SWQ智能数字恒温控制器、缓冲储气罐、DP－A精密数字压力计、管路连接盒等）、真空泵、乳胶管、真空管、滴管、吸耳球；
无水乙醇（AR）。
图5－2DP－AF饱和蒸气压测定组合装置
四、实验步骤
1．体系减压，排除空气：
按图5－3将仪器装好。
在实验开始前要检查装置是否漏气，关闭储气气罐的平衡阀1，打开进气阀和平衡阀2，开动真空泵，当测压仪（DP－A精密数字压力计的使用见附录1）的示数为-50～-60kPa时，关闭进气阀，观察测压仪读数，若读数不变，则系统不漏气；若真空度下降，则系统漏气，要查清漏气原因并排除之。
若体系不漏气，则用滴管向等压计内加入无水乙醇，再用吸耳球挤压进样品池内，使其中的无水乙醇约占球a体积的五分之四即可。
此时b、c球之间的U形管中也装入了少量的无水乙醇。
注意：
U形管中不可装太多，否则既不利于观察液面，也易于倒灌。
将平衡管
安装到装置上，通冷凝水，同时开始对体系减压至真空度达-90kPa以上，减压数分钟以赶净平衡管中的空气，然后关闭进气阀。
图5－3液体饱和蒸气压测定装置
1—平衡管2—冷凝管3—桓温槽4—冷阱5—真空管6—储气罐7—进气阀
8、9—平衡阀1、210—数字压力计11—温度计探头12—搅拌器13—恒温控制仪
2．测量不同温度下的饱和蒸气压：
将恒温槽恒温至20℃，慢慢打开平衡阀1，当b、c球之间的U形管内两液面相平时，立即关闭平衡阀1，读取测压仪的真空度示数。
重复上述操作，再进行一次测定，若两次测定的结果相差小于0.27kPa（即2mmHg），即可进行下一步测定。
注意：
在第二次测定时，等压计内的无水乙醇可能被抽干，当抽气结束时关闭真空泵后，应轻轻摇晃等压计，使样品池内的无水乙醇溅入等压计内，以保持等压计内有足够量的无水乙
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