浙大过程工程原理实验甲CO2临界状态观测及PVT关系测试实验报告_精品文档.docx
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化工专业实验
装订线
专业：
化学工程与工艺
姓名：
学号：
日期：
地点：
西溪化学楼
实验报告
课程名称：
专业实验指导老师：
李昌圣成绩：
__________________
实验名称：
CO2临界状态观测及PVT关系测试实验类型：
__________同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的
1．了解CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态的感性认识。
2．掌握CO2的P-V-T关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。
3．加深对流体的凝结、汽化、饱和状态等热力学基本概念的理解。
4．掌握有关仪器的正确使用方法。
二、实验设备及原理
1．整个实验装置由压力台，恒温器和实验台本体及其防护罩三大部分组成，如图1所示。
实验台本体如图2所示。
2．对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数P、V、T有：
F（P,V,T）=0
或T=F（P,V）
（1）
本实验就是根据式
（1），采用定温方法来测定CO2的P-V关系，从而找出CO2的P-V-T关系。
3．实验中由压力台送来的压力油进入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管。
CO2被压缩，其压力和容积通过压台上的活塞杆的进、退来调节，温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
4．实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出（如果提高精度可由加在活塞转盘上的平衡砝码读出，并考虑水银柱高度的修正）。
温度由插在恒温水套中的温度计读出。
比体积首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来度量，然后再根据承压玻璃管内径均匀、截面积不变等条件换算得出。
5．抽油、充油操作
因为压力台的油缸容量比主容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器充油，才能在压力表上显示压力读数。
压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，很容易损坏实验设备，所以务必按下述步骤仔细操作：
⑴关闭压力表及进入本体油路的两个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。
⑵摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出，这时压力台油缸中抽满了油。
⑶先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两阀门。
⑷摇进活塞螺杆，经本体充油，如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
⑸再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启，即可进行实验。
⑹实验结束后要将油抽回油杯。
注意保持系统略有正压，千万不可不断抽油！
6．测定承压玻璃管内CO2的质量面积比常数K值。
由于充进承压管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积A又不易测准，因而实验中是采用间接办法来确定CO2的比体积，认为CO2比容V与其高度是一种线性关系，具体如下：
a）已知CO2溶液在20℃，100atm时的比容
V（20℃，100atm）=0.0017m3/kg
b）实测本实验台CO2在20℃，100atm时的CO2液柱高度Δh*（m）（注意玻璃水套上刻度的标记方法）。
c）由a）可知：
因为V（20℃，100atm）=Δh*/m=0.0017m3/kg，所以
则任意温度、压力下CO2的比容为
式中：
Δh=h-h0
h—任意温度、压力下的水银柱高度
h0—承压玻璃管内径顶端刻度
实验中应注意：
做各条定温线时，实验压力P≤10MPa，否则承压玻璃管有破裂的危险；实验温度t≤50℃。
三、实验内容及步骤
1．开启超级恒温槽，调节到所需的恒温温度。
2．压力计抽油，方法见原理部分。
3．测定温度为20℃时的等温线及（20℃，100atm）k值。
4．在20℃～tc之间，测定CO2的饱和蒸汽压和温度的对应关系（利用水浴升温过程中测试，并要求测4～5个点）。
5．测定CO2的临界等温线和临界参数；观察临界现象。
6．测定高于临界温度的等温线。
四、实验数据记录及处理
表1．k值的测定
h/cm
h0/cm
Δh/cm
k/（kg/m2）
5.4
2.6
2.8
23.9
计算示例:
∆h=h-h0=5.4-2.6=2.8cm
k=∆hv=2.8÷100÷0.00117=23.9kg/m2
表2．数据记录与处理
温度/℃
P/MPa
h/cm
Δh/cm
v/（m3/kg）
20.0
10.0
5.4
2.8
0.001172
8.5
5.5
2.9
0.001213
7.0
5.6
3.0
0.001255
5.6
5.8
3.2
0.001339
5.6
7.4
4.8
0.002008
5.5
15.7
13.1
0.005481
5.0
18.9
16.3
0.00682
4.0
26.0
23.4
0.009791
3.0
36.8
34.2
0.014310
28.0
7.0
6.2
3.6
0.001506
6.9
11.4
8.8
0.003682
31.0（临界点）
7.3
7.3
4.7
0.001967
33.0
10.0
5.8
3.2
0.001339
8.0
6.4
3.8
0.00159
6.0
16.6
14
0.005858
4.0
28.3
25.7
0.010753
计算示例（以20℃第二组为例）：
v=∆hk=2.9÷100÷23.9=0.001213m3/kg
3．饱和蒸汽压与温度的关系数据
T/K
Ps/kPa
logPs
logPs（理论）
293.15
5650
3.752
3.758
301.15
6950
3.842
3.838
304.15
7300
3.863
3.868
计算示例（以20℃为例）：
logPs理论=7.76331-1566.08T+97.87=7.76331-1566.08293.15+97.87=3.758
五、实验结果及分析
1．在P-V图上绘制等温线
图1.实验测得的CO2等温线
标准等温线：
图2.标准CO2等温线
2．用实测的蒸汽压数据和计算的蒸汽压数据在P-T图上分别作蒸汽压曲线：
图3.实测蒸汽压数据与理论蒸汽压数据比较图
使用OriginPro8.2按Antoine方程拟合实验所得的P~T曲线时，发现无法收敛，故没有得出实验曲线对应的Antoine常数。
但由上图可看出实验曲线与理论曲线十分接近，几乎重合，可以判断Antoine方程是可以较准确描述二氧化碳的饱和温度与饱和蒸汽压的关系的。
3．临界比容Vc实验值与理论值的比较
实验值/（m3/kmol）
理论值
Vc=RTc/Pc
3/8RTc
0.08656
0.0942
0.3429
0.1286
六、实验讨论与误差分析
1．比较实验等温线和标准等温线可得，两图总体上比较相近，曲线的形状和趋势相似，这说明实验结果与实际相符，实验比较成功。
同时，实验结果存在着一定误差，其原因主要有以下方面：
未等恒温槽温度稳定下来就开始实验；活塞螺杆摇动过快，使CO2温度发生变化，未等系统达到稳定就读数；压力表灵敏性较差，存在较大的系统误差；实验数据不够多，特别是等温线拐点处数据不够密集，造成曲线不准确；超临界等温线取的温度不够高，导致部分超临界等温线与露点线重合。
2．实验测得的蒸汽压数据基本符合Antoine方程，但仍略有误差，一方面实验数据有一定误差，另一方面Antoine方程也不是非常准确。
可惜未能拟合出测得P~T曲线的Antoine常数，可能是因为实验数据太少的原因。
3．从临界比容Vc的比较可以得到，实验值与实验书上提供的理论值较接近，误差小于10%。
由于临界状态的CO2严重偏离理想气体状态，因此根据理想气体状态方程计算得到的比容值远大于理论值。
而范德华方程有很大的局限性，根据范德华方程得到的值也大于理论值，但要比理想状态方程更接近实际。
4．通过这次实验，我们对临界现象有了直观的了解，观察到了临界乳光现象、汽液两相突变现象。
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