二元气液平衡数据测定_实验指导书

1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：实验时间：班级：学号：指导教师：实验成绩：2二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。冷凝器凝液蒸气循环线蒸气加热液体液体循环线图1平衡法测定气液平衡原理图BA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)φipyi=γifi0xi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，fi=pi0从而得出低压下气液平衡关系为：pyi=γipi0xi…………………………………(2)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；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0iiiipxpy………………………………..(3)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=-ln22121)(xxx)(121221212112xxxx………(4)lnγ2=-ln)()(21211212122111212xxxxxxx………(5)Wilson方程二元配偶参数12和21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=mj1(y1实-y1计)2j+(y2实-y2计)2j…………………………………(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。12345678910111213141516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.开启超级恒温槽，调温度至测定折射率所需温度25℃或30℃42.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，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：101.19Kpa②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）温度示值（℃）50556065707580859095100修正值（℃）0.010.070.100.120.090.050.080.070.070.090.08④苯和正庚烷纯物料的Antoine常数表2：纯物料的安托尼常数组分ABCt范围（℃）苯6.879871196.76219.16115～84正庚烷6.893861264.37216.643～127（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）液平衡组成组号主温度t主/℃辅助温度tS/℃汽相液相折射率nymol%折射率nxmol%187.823.01.421452.01.406737.2284.023.51.440667.21.425955.2382.422.11.450575.21.437465.2481.322.71.461081.81.450074.8（三）平衡温度计算5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1t校正值：t校正值＝kn(t主-ts)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60t主——在介质中的温度；ts——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组号主温度T主/℃修正温度T修正/℃校正温度T校正值/℃实际温度T实际/℃187.80.0700.6220888.49284.00.0720.5808084.65382.40.0750.5788883.05481.30.0770.5625681.94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=[87.884.082.481.3]x=[50556065707580859095100]y=[0.010.070.100.120.090.050.080.070.070.090.08]yy=spline(x,y,t0)ts=[26.026.025.025.025.0];tj=0.00016*60.*(t0-ts);t=t0+tx+tj运行结果：t=88.4984.6583.0581.94（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：lgPi0=Ai–Bi/(Ci+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：Pi0=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组号1234P10/mmHg976.962872.390831.487804.001P20/mmHg562.536498.125473.079456.299（五）用非线形最小二乘法回归配偶参数Λ12、Λ21并求液相组成6①活度系数和组成关系采用Wilson方程关联lnγ1=-ln22121)(xxx)(121221212112xxxxlnγ2=-ln)()(21211212122111212xxxxxxx目标函数选为气相组成误差的平方和,即F=mj1(y1实-y1计)2j+(y2实-y2计)2j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：functionF=qiye(bb)x1=0.01*[37.255.265.274.8];x2=1-x1;y1=0.01*[52.067.275.281.8];y2=1-y1;Pa0=[976.962872.390831.487804.001];Pb0=[562.536498.125473.079456.299];fori=1:4F(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))))endfori=5:8j=i-4F(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=1.03610.7112resnorm=6.2948e-004也就是：Λ12=1.0361Λ21=0.7112resnorm=6.2948e-004（六）求气相组成：7由matlab算出y实测－y计算程序如下：bb=[1.03610.7112];x1=0.01*[37.255.265.274.8];x2=1-x1;y1=0.01*[52.067.275.281.8];y2=1-y1;Pa0=[976.962872.390831.487804.001];Pb0=[562.536498.125473.079456.299];fori=1:4F(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))));endfori=5:8j=i-4F(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))));endF得到F=-0.0156-0.00200.01050.0098-0.00050.01060.00550.0055组号（苯）①②③④y测量0.52000.67200.75200.8180y计算0.50440.670.76250.8278F=mj1(y1实-y1计)2j+(y2实-y2计)2j=（－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）8085909510000.20.40.60.81图3苯的气液平衡图8（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