二元汽液平衡数据docx.docx

1、二元汽液平衡数据docx一、实验目的1测定甲醇乙醇二元体系在常压下的气液平衡数据，绘制相图。2通过实验了解平衡釜的结构，掌握气液平衡数据的测定方法和技能。3掌握气相色谱仪的操作。4应用Wilson方程关联实验数据。二、实验原理气液平衡数据是化学工业发展新产品、开发新工艺、减少能耗、进行三废处理的重要基础数据之一。化工生产中的蒸馏和吸收等分离过程设备的设计、改造以及对最佳工艺条件的选择，都需要精确可靠的气液平衡数据。化工生产过程均涉及相间物质传递，故气液平衡数据的重要性是显而易见的。随着化工生产的不断发展，现有气液平衡数据远不能满足需要。许多物系的平衡数据，很难由理论直接计算得到，必须由实验测定

2、。相平衡研究的经典方法是首先测定少量的实验数据，然后选择合适的模型关联，进而计算平衡曲线；这其中，最常用到的是状态方程法和活度系数法。气液平衡数据实验测定方法有两类，即间接法和直接法。直接法中有静态法、流动法和循环法等。其中以循环法应用最为广泛。若要测得准确的气液平衡数据，平衡釜的选择是关键。现已采用的平衡釜形式有多种，且各有特点，应根据待测物系的特征，选择适当的釜型。平衡釜的选择原则是易于建立平衡、样品用量少、平衡温度测定准确、气相中不夹带液滴、液相不返混及不易爆沸等。用常规的平衡釜测定平衡数据，需样品量多，测定时间长。本实验用的小型平衡釜主要特点是釜外有真空夹套保温，釜内液体和气体分别形成

3、循环系统，可观察釜内的实验现象，且样品用量少，达到平衡速度快。 以循环法测定气液平衡数据的平衡釜类型虽多，但基本原理相同，如图1所示。当体系达到平衡时，两个容器的组成不随时间变化，这时从A和B两容器中取样分析，即可得到一组平衡数据。图1 平衡法测定气液平衡原理图当达到平衡时，除了两相的压力和温度分别相等外，每一组分的化学位也相等，即逸度相等，其热力学基本关系为：fiL=fiV(1) ipyi=ifi0xi(2)常压下，气相可视为理想气体，i=1；再忽略压力对液体逸度的影响，fi=pi0从而得出低压下气液平衡关系式为：pyi=ipi0xi(3)式中p体系压力（总压）；pi0纯组分I在平衡温度下饱

4、和蒸汽压，可用安托尼（Antoine）公式计算；xi、yi分别为组分I在液相和气相中的摩尔分率；i组分i的活度系数。由实验测得等压下气液平衡数据，则可用.(4)计算出不同组成下的活度系数。三、实验试剂和仪器1无水甲醇（分析纯）、无水乙醇（分析纯）。 2平衡釜一台。310mL注射器三支、1.0mL注射器十支、10L微量进样器两支。4气相色谱仪一台。5计算机数据采集和处理系统一台。图2 小气液平衡釜示意图1 磨口； 2气相取样口； 3气相贮液槽；4连通管；5缓冲球；6回流管；7平衡室；8钟罩；9温度计套管；10液相取样口；11液相贮液槽；12提升管；13沸腾室；14加热套管；15真空夹套；16加料

5、液面四、实验步骤1实验测定常压下的甲醇乙醇气液平衡数据，需读取实验时的大气压值，室温。 2在平衡釜内加入一定浓度的甲醇乙醇混合液约40mL，使液体处在图2中加料液面处。 3打开冷却水。 4安放好加热棒，测温用铂电阻。打开仪表电源开关，调节平衡釜电流缓慢加热混合液。首先设置加热电流为0.10A，约5min后混合液中有气泡冒出，再调至0.20A。加热电流以平衡釜内液体沸腾为准，冷凝回流液控制在23滴/秒。 5稳定地回流15min左右，以建立平衡状态，每隔2min记录加热控制仪表温度示数。达到平衡后，该读数即为平衡温度。 6采用1.0mL小注射器分别取平衡气、液两相样品0.2mL，置于离心管中待分析

6、。然后采用10L微量进样器取样0.2L，通过气相色谱仪测平衡的气、液相组成。 7关闭加热电流，待混合液停止沸腾。 8采用10mL大注射器从平衡釜中取出8mL的混合液，然后加入等量的乙醇。9重复48操作步骤，重新建立平衡，完成5组平衡数据点。10实验完毕，关闭水源、电源。回收废旧试剂，实验物品放回原位。实验数据交由指导教师签字。五、实验数据记录和处理实验数据记录：1记录条件，包括室温，大气压值，设备号，组号，试剂物化性质等。表1 实验条件记录实验名称二元汽液平衡数据的测定实验人宋佳音同组人杜岩、刘春晓实验日期2017年5月10日实验时间13:00实验地点50楼B-316实验人数3天气晴大气压/k

7、Pa100.45室温/25.0设备号1表2 试剂物化性质试剂名称结构简式沸点/分子量纯度密度(g/cm3)(20)生产厂商生产批号无水甲醇CH3OH64.732.04分析纯0.791-0.793天津大学科威公司2005年6月3日无水乙醇C2H5OH78.446.07分析纯0.789-0.791利安隆博华（天津）医药化学有限公司2017年2月13日2记录平衡釜电流、加热控制仪表的温度示数，实验现象以及釜内混合液的换液量、加入纯组分种类。表3 甲醇-乙醇汽液平衡实验过程记录表序号时间平衡温度/实验操作实验现象备注113:1467.7抽取8mL混合液，加入8mL乙醇沸腾214:1869.8抽取8mL

8、混合液，加入8mL乙醇沸腾314:3771.5抽取8mL混合液，加入8mL乙醇沸腾414:5773.1抽取8mL混合液，加入8mL乙醇沸腾515:2574.6抽取8mL混合液，加入8mL乙醇沸腾4记录色谱分析条件，平衡气、液两相样品的色谱分析数据。表4 气相色谱分析条件项目色谱条件色谱型号GC-9800载气H2色谱柱不锈钢管填充柱柱箱温度/100汽化室温度/80检测器温度/100柱前压/MPa0.025进样量/L0.20桥电流/mA100mA摩尔校正因子f*甲醇2.1191表5 甲醇-乙醇汽液平衡平衡色谱分析数据记录表序号液相气相备注保留时间/min色谱峰面积百分比A%保留时间/min色谱峰面

9、积百分比A%甲醇乙醇甲醇乙醇甲醇乙醇甲醇乙醇11-10.7112.11872.8024.650.6222.14083.1915.231-20.7292.11872.5224.860.6472.10183.2015.0822-10.7312.05856.0942.440.7412.12367.2428.692-20.7122.11955.7542.560.7252.08269.3429.4333-10.7182.00143.1355.210.7182.01056.3742.663-20.7052.09841.7156.250.7532.03556.6342.1644-10.7742.06031.

10、8466.610.7572.03044.5654.414-20.7852.04631.3267.370.7492.05644.7053.8455-10.8012.04123.8374.820.7471.92834.7664.315-20.8212.08423.3775.120.7651.98134.5264.31实验数据处理：（至少以一组数据为例写出详尽计算过程）1气相色谱仪分析结果两相样品成分分析采用GC9800型气相色谱仪分析。热导检测器配以色谱数据处理机计算峰面积，采用修正面积归一化定量，定量校正因子在实验取样操作条件下测定。气、液相样品组成以甲醇的摩尔分数计。(1) 求平衡温度时，液相

11、样中的甲醇的质量分数及摩尔分数由表2-1 样品气相色谱数据记录表，我们分别可知序号2（平衡温度为69.8）的两次液相取样的甲醇-乙醇混合物中的甲醇和乙醇的峰面积百分比：第一组：A甲醇=56.09 A乙醇=42.44第二组：A甲醇=55.75 A乙醇=42.56已知甲醇对乙醇的相对校正因子为f*甲醇 =2.1191，为方便计算，设f*乙醇 = 1。由归一化法可得达到平衡时，甲醇在液相中的质量分数：Xt甲醇= A甲醇 f*甲醇/( A甲醇 f*甲醇 + A乙醇 f*乙醇)将上面数据带入上式可得Xt甲醇1 = 56.09 2.1191/(56.09 2.1191 + 42.44 1) = 0.736

12、9Xt甲醇2 = 55.75 2.1191/(55.75 2.1191 + 42.56 1) = 0.7352两次测量结果取平均值可得：Xt甲醇平均 = （Xt甲醇1 + Xt甲醇2）/2 = (0.7369 +0.7352)/2 = 0.7360 (2) 求平衡温度时，气相样中的甲醇的质量分数及摩尔分数由样品气相色谱数据记录表，我们分别可知序号2（平衡温度为69.8）的气相取样的甲醇-乙醇混合物中的甲醇和乙醇的峰面积百分比：第一组：A甲醇=67.24 A乙醇=28.69第二组：A甲醇=69.34 A乙醇=29.43计算过程与（1）的计算过程相同，最终求得yt甲醇1 = 0.8324 ;yt甲

13、醇2 = 0.8331 ;yt甲醇平均 = 0. 8328其他序号里的达到平衡温度时，液相、气相中的甲醇的质量分数及摩尔分数计算方式相同。所有数据的计算结果汇总如下表：表6 气液平衡时甲醇的质量分数和摩尔分数结果表序号平衡温度/状态组号nt甲醇nt甲醇平均167.7气相10.92050.920820.9212液相10.86220.861520.8608269.8气相10.83240.832820.8331液相10.73690.736020.7352371.5气相10.73690.738420.7400液相10.62340.617320.6111473.1气相10.63440.636020.63

14、76液相10.50320.499720.4963574.6气相10.53390.533020.5322液相10.40300.400120.3973表7 气液平衡时气相中甲醇、乙醇的平均摩尔分数表序号平衡温度/yt甲醇平均yt乙醇平均167.70.92080.0792269.80.83280.1672371.50.73840.2616473.10.63600.3640574.60.53300.4670纯乙醇78.401纯甲醇64.710表8 气液平衡时液相中甲醇、乙醇的平均摩尔分数表序号平衡温度/xt甲醇平均xt乙醇平均167.70.86150.1385269.80.73600.2640371.

15、50.61730.3827473.10.49970.5003574.60.40010.5999纯乙醇78.401纯甲醇64.710将上表中气液平衡时液相中甲醇、乙醇的平均摩尔分数连接成线，可以得到甲醇-乙醇二元气液平衡相图，如下图所示：图3 甲醇-乙醇二元气液平衡相图2纯组分饱和蒸汽压𝑝𝑖0采用Antoine公式算出平衡温度下两纯组分的𝑝𝑖0，Antoine公式为：lgPi0=Ai Bi/(Ci+t) （5）表6 纯物料安托尼常数组分ABCT/K甲醇7.094981521.23-39.18338-487乙醇7.302431630.

16、868-43.569273-352表7 甲醇及乙醇在各平衡温度下的纯组分饱和蒸气压温度/甲醇饱和蒸气压𝑝𝑖A0/kPa乙醇饱和蒸汽压𝑝𝑖B0/kPa67.7112.793665.536469.8122.220871.608371.5130.321176.863773.1138.344982.102274.6146.232987.28203气液平衡数据的关联 根据公式(4)可以计算出不同组成的活度系数。以序号2样品数据为例：甲醇活度系数100.45*0.8775/（122.2208*0.8004）=0.9010乙醇活度系数100.4

17、5*0.1225/（71.6083*0.1996）=0.8609同理可以得到其他平衡温度时甲醇和乙醇的活度系数，见表8。表8 不同平衡温度下各组分活度系数温度/甲醇活度系数乙醇活度系数67.70.95190.876569.80.93000.888471.50.92200.893373.10.92410.890274.60.91510.8959采用Wilson方程关联本实验活度系数和组成的关系。二元体系的Wilson方程为：ln1=-ln（6）ln2=-ln（7）Wilson方程二元配偶参数12和21采用非线性最小二乘法，由二元气液平衡数据回归而得。 目标函数选为气相组成误差的平方和，即F= (

18、y1实-y1计) j 2+(y2实-y2计) j 2 （8）根据实验值求得Wilson方程中模型参数，计算气相组成𝑦𝑖 计 。分别采用实验值和计算值作出二元气液平衡相图（Txy），并进行比较分析。用非线性最小二乘法拟合：matlab拟合程序见下：bb0=1,1;bb,resnorm,residual=lsqnonlin(Funlv,bb0)function F=Funlv(bb) x1=0.8615 0.7360 0.6173 0.4997 0.4001;x2=1-x1;y1=0.9208 0.8328 0.7384 0.6360 0.5330;y2=1-y1;

19、p10=845.96 916.66 977.41 1033.74 1096.75; p20=491.52 537.06 576.48 613.25 654.62;for i=1:5 F(i)=y1(i)-p10(i)*x1(i)/753.437*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); end for i=6:10 j=i-5;F(i)=y2(j)-p20(j)*x2(j)/753.437*exp(-log(x2(j)+bb(2)*x1(j)+x1(j)*(bb(2)

20、/(x2(j)+bb(2)*x1(j)-bb(1)/(x1(j)+bb(1)*x2(j); Endbb = 2.1661 0.4616resnorm = 0.0038residual = Columns 1 through 7 -0.0280 -0.0261 -0.0090 0.0155 0.0202 0.0088 0.0069 Columns 8 through 10 -0.0027 -0.0182 -0.0335F=(y1实-y1计)2j+(y2实-y2计)2j=(-0.0280)2+(-0.0261)2+（0.0182）2+(-0.0335)2=0.0038此F值与程序拟和的resnom

21、e结果参数一致，说明拟合的效果比较好。F值是各温度下yi实际测量值与计算值的偏差，前5项是甲醇，后5项是乙醇。由于偏差已经算出，因此，由yi计算值=yi测量值yi可以得出yi计算值，结果填入表9：表9 Wilson方程计算各组分气相组成样品平衡温度()甲醇气相组成乙醇气相组成yi测量值yi计算值偏差yiyi测量值yi计算值偏差yi167.70.92080.8928-0.02800.07920.08800.0088269.80.83280.8067-0.02610.16720.17410.0069371.50.73840.7294-0.00900.26160.2589-0.0027473.10.

22、63600.65150.01550.36400.3458-0.0182574.60.53300.55320.02020.46700.4335-0.0335由此得出的二元平衡相图如下：图4 甲醇-乙醇气液平衡相图六、实验中注意事项1加热电流不能太大，能保持待测液体沸腾即可，以气泡连续、均匀冒出为好，不要过于剧烈，也不要过于缓慢。2实验过程中必须在冷凝管中通入冷却水，以使气相全部冷凝。样品要回流充分，控制气液平衡要严格，其重要标志是在该条件下沸点相对稳定。3平衡后取气、液相样品不得用时过长，用气相色谱仪测样品组成时要迅速，以避免不同组分挥发速率不一，而影响待测样品组成。七、思考题1待测的混合液浓度

23、是否需要精确计量？为什么？ 答：不需要，因为本实验的目的不是严格的定量，而是找出合适组分比例间隔的数据点来做出相图并将实验曲线和理论曲线进行比较，因此不用严格的定量。2体系在达到平衡过程中，溶液出现过热或分馏现象，会使相图图形发生什么变化？如何避免？ 答：根据相图测定原理，过热时将导致液相线向高温处移动，就是向乙醇的沸点方向移动；分馏作用会导致出来的气相组分含有的易挥发成份偏多，该气相点会向易挥发组分那边偏移。就是向甲醇沸点方向偏移。加热时应注意控制电流的大小，气体冷凝成缓慢均匀下降的液滴的电流即可。不使用过大的的电流加热，冷凝时采取全凝器，并使液相回流。3依据实验结果，讨论影响气液平衡测定准

24、确度的因素。如何避免？ 答：装置的气密性；对气液两相达到平衡的判断以及温度计读数的误差；取样时的操作准确性和读数误差、样品取出后在室温放置，造成挥发引起误差；气液平衡釜等实验仪器气密性的误差，温度计测定误差；实验过程中的室内大气压和室温的变化等等。严格规范实验操作、实验前对于实验装置进行严格的检查可以从一定程度上避免这些问题。4查阅相关文献，讨论本装置还适合哪些实验体系？哪些体系更适合于实验教学？答：环己烷-异丙醇、丙酮-氯仿、乙醇-苯、乙醇-正丙醇、乙醇-环己烷、乙醇-水、乙酸乙酯-乙醇、正丙醇-水、异丙醇-水和苯-甲苯、甲醇-水等等；经过文献以及实验报告对比分析，个人觉得甲醇-水体系和甲醇-乙醇体系比较适合，因为水、甲醇和乙醇为毒性比较小且为常见的溶剂，并且两种组分之间沸点相差比较大，因此作为实验体系比较合适。5对本实验的意见和建议。答：建议多准备一些备用的针头和配套的取样器，因为取样的时候会因为取样器漏气的问题导致取样困难，大大延长了取样时间。