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

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： CO 2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CO 2临界状态的观测方法，增强对临界状态的感性认识。

2．掌握CO 2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CO 2的P -V 关系，从而找出CO 2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CO 2气体的承压玻璃管。CO 2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

专业： 化学工程与工艺 姓名：

学号： 日期： 地点： 西溪化学楼

装

订

线

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CO 2的质量面积比常数K 值。

由于充进承压管内的CO 2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CO 2的比体积，认为CO 2比容V 与其高度是一种线性关系，具体如下：

a)已知CO 2溶液在20℃，100atm 时的比容

V （20℃，100atm ）=0.0017m 3/kg

b ）实测本实验台CO 2在20℃，100atm 时的CO 2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=0.0017m 3/kg ，所以

*

2(/)0.00117

m h k kg m A ∆== 则任意温度、压力下CO 2的比容为

3

(/)/h h v m kg m A k

∆∆=

= 式中：Δh=h -h 0

h —任意温度、压力下的水银柱高度 h 0—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℃～t c 之间，测定CO 2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CO 2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

计算示例:

∆h=h−ℎ0=5.4−2.6=2.8cm

k=∆ℎ

v

=2.8÷100÷0.00117=23.9kg/m2

计算示例（以20℃第二组为例）：

v=∆ℎ

k

=2.9÷100÷23.9=0.001213 m3/kg

计算示例（以20℃为例）：logPs(理论)=7.76331−

1566.08

T+97.87

=7.76331−

1566.08

293.15+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Origin Pro8.2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。

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。