化工专业实验报告

实验名称：二元气液平衡数据的测定

实验人员： 

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指导教师：

实验成绩：

二元气液平衡数据的测定

一、             实验目的

1．  测定苯—正庚烷二元体系在常压下的气液平衡数据

2．  通过实验了平衡釜的结构，掌握气液平衡数据的测定方法和技能

3．  应用Wilson方程关联实验数据

二、             实验原理

与循环法测定气液平衡数据的平衡釜基本原理相同，如下图所示，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，可得到一组平衡数据。

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：

f_i^L=f_i^V……………………………………….(1)

φ_ipy_i=γ_if_i⁰x_i

常压下，气相可视为理想气体，再忽略压力对液体逸度的影响，f_i=p_i⁰从而得出低压下气液平衡关系为：

py_i=γ_ip_i⁰x_i…………………………………(2)

       式中，p——体系压力（总压）；

p_i⁰——纯组分I在平衡温度下饱和蒸汽压，可用安托尼（Antoine）公式计算；

x_i、y_i——分别为组分I在液相和气相中的摩尔分率；

γ_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

………………………………..(3)

       计算出不同组成下的活度系数。

       本实验中活度系数和组成关系采用Wilson方程关联。Wilson方程为：

lnγ₁=-ln………(4)

       lnγ₂=-ln………(5)

       Wilson方程二元配偶参数和采用非线形最小二乘法,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=(y_1实-y_1计)²_j+(y_2实-y_2计)²_j…………………………………(6)

三、实验装置和试剂

1．  平衡釜一台（平衡釜的选择原则：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、液相不返混及不易暴沸等。本实验采用气液双循环的小平衡釜，其结构如图2所示）

2．  阿贝折射仪一台

3．  超级恒温槽一台

4．  50-100十分之一的标准温度计一支、0-50十分之一的标准温度计一支

5．  所用试剂（苯、正庚烷）为优级品。

6．  1ml注射器十支、5ml注射器三支。

四、实验步骤

1.         开启超级恒温槽，调温度至测定折射率所需温度25℃或30℃

2.         测温套管中倒入甘油，将标准温度计插入套管中，并在其露出部分中间固定一支温度计，对温度进行校正

3.         查整个系统的气密性，以保证实验装置具有良好的气密性，将气压球与三通管连接好，与大气相通，用手压瘪气压球，然后开启气压球所连小阀直通系统，抽气使设备处于负压状态，U型管压力计的液面升起，在一定值下停止。注意操作不能过快，以免将U型管液体抽入系统。关闭气压球所连小阀，停10分钟，U型管内液体位差不下降为合格。开启气压球所连小阀[j1] ，使系统直通大气。

4.         于实验测定的是常压下的气液平衡数据，读取当天实验室的大气压值。

5.         平衡釜内加入一定浓度的苯—正庚烷混合液约20—30毫升，打开冷却水，安放好加热器，接通电源。开始时加热电流给到0.1A加热，5分钟后给到0.2A，再等5分钟后慢慢调到0.25A左右即可，以平衡釜内液体能沸腾为准。冷凝回流液控制在每秒2—3滴，稳定回流15分钟左右，以建立平衡状态。

6.         到平衡后，需要记录下两个温度计的读数，并用微量注射器分别取两相样品2毫升，用阿贝折射仪测定其折射率，并在本实验给定的苯的组成—折射率曲线上确定样品的组成。关掉电源，拿下加热器，釜液停止沸腾。

7.         注射器从釜中取出2～5毫升的混合液，然后加入同量的一种纯物质，重新加热建立平衡。加入那种物质，可以依据你上一次的平衡温度而定，以免实验点分布不均。本实验是降温操作，取出的混和液5毫升，加入苯7毫升，实验重复5次。

8.         实验完毕，关掉电源和水源，处理实验数据。

五、实验数据处理及结论

（一）实验条件及给定数据

①实验条件

实验温度：25.5℃                                      大气压：101.19Kpa

②纯组分在常压下的沸点

苯：80.4 ℃          正庚烷：98.4℃

③水银温度计检定结果

表1：水银温度计显示值及修正值对应表（实验给定）

④苯和正庚烷纯物料的Antoine常数

表2：纯物料的安托尼常数

（二）苯—正庚烷混合液气液平衡数据的测定实验原始数据

             表3  苯—正庚烷混合液测定实验沸点温度，以及气（苯含量）液平衡组成

（三）平衡温度计算

平衡温度的计算方法如下：

t_实际＝t_主＋t_修正＋t_校正值

t_修正：通过精查温度计的修正值得到，见表1

t_校正值：t_校正值＝kn(t_主-t_s)

k——水银在玻璃中间的膨胀系数取0.00016；

n——露出部分的温度系数取60

t_主——在介质中的温度；

t_s——露出水银柱的平均温度（即辅助温度计的读数）

平衡温度计算结果见表4

表4  苯—正庚烷混合液测定实验实际温度计算结果

表4注：表中修正温度由主温度在表1所给温度修正值在三次样条插值而得，最终实际温度计算结果保留一位小数，是因为主温度测定的精度决定的。

附：修正水银温度计时所用三次样条插值程序（用matlab编写）

t0=[87.8 84.0 82.4 81.3]

x=[50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100]

y=[0.01 0.07 0.10 0.12 0.09 0.05 0.08 0.07 0.07 0.09 0.08]

yy=spline(x,y,t0)

ts=[26.0 26.0 25.0 25.0 25.0];

tj=0.00016 * 60 .*(t0-ts);

t=t0+tx+tj

运行结果：

t = 88.49 84.65      83.05      81.94

（四） 苯和正庚烷纯组分在本实验不同温度下的饱和蒸汽压的计算

由Antoine（安托尼）公式：

lgP_i⁰=A_i – B_i/(C_i+t)

 式中：

t—温度，℃（即计算所得的实际温度）   P⁰—饱和蒸汽压，mmHg

所以可得到：

P_i⁰=10^{(Ai-Bi/(Ci+t))}

纯物料的Antoine常数见表2

纯组分饱和蒸汽计算结果见表5

表5：纯组分饱和蒸汽在实验温度下计算结果

（五）用非线形最小二乘法回归配偶参数Λ₁₂、Λ₂₁并求液相组成

①活度系数和组成关系采用Wilson方程关联

lnγ₁=-ln

       lnγ₂=-ln

目标函数选为气相组成误差的平方和,即

                  F=(y_1实-y_1计)²_j+(y_2实-y_2计)²_j

用非线性最小二乘法拟合：matlab拟合程序见下

主程序：

bb0=[1,1]

[bb,resnorm]=lsqnonlin('qiye',bb0)

子程序：

function F=qiye(bb)

x1=0.01*[37.2 55.2 65.2 74.8];

x2=1-x1;

y1=0.01*[52.0 67.2 75.2 81.8];

y2=1-y1;

Pa0 =[976.962 872.390    831.487  804.001];

Pb0 =[562.536 498.125    473.079  456.299];

for i=1:4

F(i)=y1(i)-Pa0(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))))

end

for i=5:8

j=i-4

F(i)=y2(j)-Pb0(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

拟合结果为：

bb = 1.0361    0.7112

resnorm = 6.2948e-004

也就是：

Λ₁₂= 1.0361

Λ₂₁= 0.7112

resnorm= 6.2948e-004

（六）求气相组成：

由matlab算出y_实测－y_计算程序如下：

bb =[1.0361    0.7112];

x1=0.01*[37.2 55.2 65.2 74.8];

x2=1-x1;

y1=0.01*[52.0 67.2 75.2 81.8];

y2=1-y1;

Pa0 =[976.962 872.390  831.487   804.001];

Pb0 =[562.536 498.125  473.079   456.299];

for i=1:4

F(i)=y1(i)-Pa0(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))));

end

for i=5:8

j=i-4

F(i)=y2(j)-Pb0(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

F

得到

F = -0.0156   -0.0020    0.0105    0.0098   -0.0005    0.0106     0.0055    0.0055

F=(y_1实-y_1计)²_j+(y_2实-y_2计)²_j=（－0.0156）²+(-0.0020)²+…+0.0055²+0.0055²=0.000627

与程序拟和的结果参数一致。

（七）用实验值和计算值作温度组成图（t—x—y）

图3  苯的气液平衡图

（八） 实验结果讨论及误差分析

（1）实验结果讨论

    从实验的结果的相图和气相组成的实验值和计算值的比较来看，本次实验测得以及回归所得实验数据可靠，误差均在实验允许范围内。从相图可以看出，本实验数据很好的体现了常规二元气液平衡相图规律。应用Wilson方程关联实验数据，并采用非线性最小二乘法进行回归处理，得出配偶参数，再求出气相组成，所得气相组成误差平方和为0.00627。即计算值和实验值的误差非常小，可以用关联得到的Wilson方程计算该物系的组成。

（2）实验误差分析

由于本次实验只是降温操作，每次均是取出混和液，加入纯苯，所以整个实验过程测定的温度是逐渐下降的，而且实验测定的气液相平衡组成是采集的数据点也不是十分的充足，以致相点分布欠佳。在使用阿贝折射仪测定折射率的时候存在读数误差，以及由折射率在折射率—组成的工作曲线上读取气液相组成时候存在误差。读取温度计的温度的时候存在估读误差。对计算结果回造成影响。取样的时候是否平衡釜已经达到气液平衡，且平衡釜上方汽相贮液槽内液体组成是否已经等于平衡气相组成，会对测定产生很大影响。

六、思考题

（1）实验中怎样判断气液两相已达到平衡？

答：实验中采用对比法来判断气液两相是否达到平衡。即先记录下来一个体系的温度，然后每隔2至3分钟读一次温度，如果相邻两次温度读数不再发生变化，则可判定气液两相达到平衡。

（2）影响气液平衡测定准确度的原因有那些？

答：①装置的气密性；②平衡温度的读取；③由阿贝折射仪读取混和液折射率的误差；④在阿贝折射仪工作曲线上由折射率读取气液相组成存在读数误差；⑤取样时气液是否达到平衡；⑥是否选取了合理的取样点。

（3）为什么要确定模型参数，对实际工作有何作用？

答：由于温度变化，但参数不会变，确定模型参数后，对于同样的物系，都可以使用，省去了实验的时间，直接计算就可，获得数据更快速、更方便。模型参数对于实际工作中有着很好的指导作用，而且Wilson方程有了二元参数后，可以用来预测多元混合物的性质。

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 [j1]调节三通阀

第二篇：二元系统气液平衡数据的测定

室温 ℃大气压 氢氧化钠浓度 （1）.实验室温度记录

（2）.汽、液相组成数据

0.2637480.44959

00.4300910.2992620.2992620.430091

0.4300910.430091-1.3E-120.299262-9.3E-0800103.5103.5103.5103.5103.5103.5