二元汽液平衡数据

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。

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，

釜液体和气体分别形成循环系统，可观察釜的实验现象，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：

f i L =f i V ................................................(1) φi py i =γi f i 0x i (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，f i =p i 0从而得出低压下气液平衡关系式为：

py i =γi p i 0x i (3)

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； 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

i

i i i p x py =

γ (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。 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

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

热电流以平衡釜液体沸腾为准，冷凝回流液控制在2~3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。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。

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。

表1 实验条件记录

入纯组分种类。

表3 甲醇-乙醇汽液平衡实验过程记录表

表4 气相色谱分析条件

表5 甲醇-乙醇汽液平衡平衡色谱分析数据记录表

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：

X t甲醇= A甲醇× f*甲醇/( A甲醇× f*甲醇 + A乙醇× f*乙醇)