二元汽液平衡数据

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。
(1)求平衡温度时，液相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=56.09A乙醇=42.44
第二组：A甲醇=55.75A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。
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
1
67.7
气相
1
0.9205
0.9208
2
0.9212
液相
1
0.8622
0源自文库8615
2
0.8608
2
69.8
气相
1
0.8324
0.8328
2
0.8331
液相
1
0.7369
0.7360
2
0.7352
3
71.5
气相
1
53.84
\
5
5-1
0.801
2.041
23.83
74.82
0.747
1.928
34.76
64.31
\
5-2
0.821
2.084
23.37
75.12
0.765
1.981
34.52
64.31
\
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。
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：
序号
平衡温度/℃
yt甲醇平均
yt乙醇平均
1
67.7
0.9208
0.0792
2
69.8
0.8328
0.1672
3
71.5
0.7384
0.2616
4
73.1
0.6360
0.3640
5
74.6
0.5330
0.4670
纯乙醇
78.4
0
1
纯甲醇
64.7
1
0
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/℃
\
1-2
0.729
2.118
72.52
24.86
0.647
2.101
83.20
15.08
\
2
2-1
0.731
2.058
56.09
42.44
0.741
2.123
67.24
28.69
\
2-2
0.712
2.119
55.75
42.56
0.725
2.082
69.34
29.43
\
3
3-1
0.718
2.001
43.13
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
67.7
0.9519
0.8765
69.8
0.9300
0.8884
71.5
0.9220
0.8933
73.1
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4~8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。
xi、yi——分别为组分I在液相和气相中的摩尔分率；
γi——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。
3．10mL注射器三支、1.0mL注射器十支、10μL微量进样器两支。
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) =0.7369
Xt甲醇2=55.75×2.1191/(55.75×2.1191+42.56×1) =0.7352
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)
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。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。
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/kPa
100.45
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
沸腾
\
5
15:25
74.6
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/MPa
0.025
进样量/μL
0.20
第一组：A甲醇=67.24A乙醇=28.69
第二组：A甲醇=69.34A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：
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2~3滴/秒。
φipyi=γifi0xi………………………………………(2)
常压下，气相可视为理想气体，фi=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=γipi0xi…………………………………………(3)
式中
p——体系压力（总压）；
pi0——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；
1521.23
-39.18
338-487
乙醇
7.30243
1630.868
-43.569
273-352
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A0/kPa
乙醇饱和蒸汽压B0/kPa
67.7
112.7936
65.5364
69.8
122.2208
71.6083
71.5
桥电流/mA
100mA
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
色谱峰面积百分比A%
甲醇
乙醇
甲醇
乙醇
甲醇
乙醇
甲醇
乙醇
1
1-1
0.711
2.118
72.80
24.65
0.622
2.140
83.19
15.23
0.7369
0.7384
2
0.7400
液相
1
0.6234
0.6173
2
0.6111
4
73.1
气相
1
0.6344
0.6360
2
0.6376
液相
1
0.5032
0.4997
2
0.4963
5
74.6
气相
1
0.5339
0.5330
2
0.5322
液相
1
0.4030
0.4001
2
0.3973
表7气液平衡时气相中甲醇、乙醇的平均摩尔分数表
xt甲醇平均
xt乙醇平均
1
67.7
0.8615
0.1385
2
69.8
0.7360
0.2640
3
71.5
0.6173
0.3827
4
73.1
0.4997
0.5003
5
74.6
0.4001
0.5999
纯乙醇
78.4
0
1
纯甲醇
64.7
1
0
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：
55.21
0.718
2.010
56.37
42.66
\
3-2
0.705
2.098
41.71
56.25
0.753
2.035
56.63
42.16
\
4
4-1
0.774
2.060
31.84
66.61
0.757
2.030
44.56
54.41
\
4-2
0.785
2.046
31.32
67.37
0.749
2.056
44.70
130.3211
76.8637
73.1
138.3449
82.1022
74.6
146.2329
87.2820
3．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 100.45*0.1225/（71.6083*0.1996）=0.8609
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
1
13:14
67.7
抽取8mL混合液，加入8mL乙醇
沸腾
\
2
14:18
69.8
抽取8mL混合液，加入8mL乙醇
沸腾
\
3
14:37
71.5
抽取8mL混合液，加入8mL乙醇
沸腾
\
4
14:57
73.1
抽取8mL混合液，加入8mL乙醇
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—加料液面
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。然后采用10μL微量进样器取样0.2μL，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。
无水甲醇
CH3OH
64.7
32.04
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
C2H5OH
78.4
46.07
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。
图3甲醇-乙醇二元气液平衡相图
2．纯组分饱和蒸汽压0
采用Antoine公式算出平衡温度下两纯组分的0，Antoine公式为：
lgPi0=Ai– Bi/(Ci+t)∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙（5）
表6纯物料安托尼常数
组分
A
B
C
△T/K
甲醇
7.09498