气液平衡-实验报告解读

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：

同组人

实验地点：天大化工技术实验中心 606 室

实验时间： 2015年4月20日下午14：00

年级： 2014硕；专业：工业催化；组号： 10（装置2）；学号：指导教师：______赵老师________

实验成绩：_____________________

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）通过实验了解平衡釜的结构，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

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改造与设计、挖潜与革新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。这是因为化工生产过程都要涉及相间的物质传递，故这种数据的重要性是显而易见的。

平衡数据实验测定方法有两类，即间接法和直接法。直接法中又有静态法、流动法和循环法等。其中循环法应用最为广泛。若要测得准确的气液平衡数据，平衡釜是关键。现已采用的平衡釜形式有多种，而且各有特点，应根据待测物系的特征，选择适当的釜型。用常规的平衡釜测定平衡数据，需样品量多，测定时间长。所以，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，因而实验时间短。

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：

常压下，气相可视为理想气体，Φ

i =1；再忽略压力对液体逸度的影响，f

i

=p

i

0，

从而得出低压下气液平衡关系式为：

式中，p----------------体系压力（总压）；

p

i

0------------纯组分i在平衡温度下饱和蒸气压；

x

i 、y

i

-------分别为组分i在液相和气相中的摩尔分率；

r

i

-------------组分i的活度系数；

由实验测得等压下气液平衡数据，则可用下式计算不同组成下的活度系数：

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：

目标函数选为气相组成误差的平方和，即：

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、液相不返混及不易爆沸等。本实验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）注射器（1ml、5ml）若干。

图2 小气液平衡釜示意图

四、实验过程

（1）首先开启超级恒温槽，调节温度至测定折射率所需温度 25℃。

（2）测温套管中道入甘油，将标准温度计插入套管中，并在温度计露出部分中间固定一支温度计。因本实验对温度要求较严，需对温度进行校正。

（3）检查整个系统的气密性，因为我们这个系统都是密闭的。检测方法是将 100 毫升针筒与系统相连，并使系统与大气隔绝，针筒缓缓抽出一点压力，发现硅油 U 型管的两个液柱差不变时（说明系统是密闭的），然后再通大气（已由教师检测完成）。（4）我们做的是常压下的气液平衡，当天的大气压需要读出。

（5）在平衡釜内加入一定浓度的苯—正庚烷混合液约 20-30ml（已加好），使液体处在图 2 中加料液面处，一般由实验点数决定，通常取摩尔浓度在 0.1 -0.15 之间变化，故开始加入的浓度可使轻组分含量较多，然后慢慢增加重组分的浓度。打开冷却水，安放好加热器，接通电源。控制加热电流，开始时给 0.1A， 5min 后给0.2A，慢慢调到 0.25A左右即可，以平衡釜内液体沸腾为准。冷凝回流液控制在每秒 2-3 滴。稳定地回流 15min左右，以建立平衡状态。

（6）达到平衡后，需要记录下两个温度计的读数，此温度为平衡温度，并用微量注射器分别取两相样品，通过阿贝折射仪测定样品的折射率，然后根据平衡图，查得不同的组成含量。关掉电源，加热器拿下，釜液停止沸腾。

（7）用注射器从釜中取出 3ml 的混合液，然后加入 4或5ml 左右的苯纯溶液，重新建立平衡。加哪一种纯物料，根据你上一次的平衡温度而定，以免各实验点分配不均，重复上述操作5次，得到不同组成下平衡组成。

（8）实验完毕，关掉电源和水源。

五、实验数据记录和处理

通过多次改变混合液的组成，得到五组实验数据如下表1 所示：

（一）混合液气液平衡时原始数据

表1 实验数据记录表

t 主（℃） t 辅（℃） 液相折射率 液相组成（%） 气相折射率

气相组成（%）

88.55 24.80 1.4015 30.4 1.4134 45.0 87.90 25.80 1.4106 41.2 1.4196 50.8 86.15 25.11 1.4150 46.6 1.4302 59.2 84.25 24.50

1.4270

56.8

1.4420

68.8

（二）实际平衡温度的计算

平衡温度的计算方法如下：

t 实际= t 主+t 修正+t 校正

其中：t 校正=kn(t 主-t 辅) k 取0.00016；n 取60℃；

t 修正可以通过温度计修正记录表（表2）数据使用三阶样条插值法，得到每

次的修正温度。

例如使用t 主=87.9℃为例：（当x=87.9时，修正值：0.069）

()()()()()()()()()()()()

07.085090809850807.090580858900808.0908085809085⨯----+⨯----+⨯----=

x x x x x x 修正值

经过计算得到液体平衡时实际的温度如表3 所示：