E05_CO2临界状态观测及PVT关系测试

1|实验报告课程名称：化工专业实验指导老师：成绩：__________________实验名称：CO2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CO2临界状态的观测方法，增强对临界状态的感性认识。2．掌握CO2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。图1CO2实验台系统图图2实验台本体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CO2的P-V关系，从而找出CO2的P-V-T关系。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CO2气体的承压玻璃管。CO2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专业：姓名：学号：日期：地点：装订线化工专业实验2|水温来调节。实验工质二氧化碳的压力由装在压力台上的压力表读出（如要提高精度需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。3.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：（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。（5）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。（6）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！4.测定承压玻璃管内CO2的质量面积比常数K值。由于充进承压管内的CO2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CO2的比体积，认为CO2比容V与其高度是一种线性关系，具体如下：a)已知CO2液体在20℃，100atm时的比容V（20℃，100atm）=0.00117m3/kgb）实测本实验台CO2在20℃，100atm时的CO2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*A/m=0.00117m3/kg，所以*2(/)0.00117mhkkgmA则任意温度、压力下CO2的比容为3(/)/hhvmkgmAk式中：Δh=h-h0h—任意温度、压力下的水银柱高度h0—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，测量两个饱和点及过冷过热两点。4．在20℃～tc之间，测定CO2的饱和蒸汽压和温度的对应关系（可在27℃左右测量气液相饱和压力和体积）。5．测定CO2的临界等温线和临界参数；观察临界现象。a)测定临界等温线b)临界乳光现象观察化工专业实验3|c)整体相变现象d)汽、液两相模糊不清现象6．测定高于临界温度的等温线（31~35℃即可），测量3~5个点。综上，即本实验需要测量1个临界点，3条等温线，再通过5个饱和气液相的点得到饱和线。四、数据处理及报告1．k值的测定承压玻璃管内径顶端刻度h0=3.0cm，在20℃时，测得p=10.0MPa状态下h=6.2cm，则Δh=3.2cm，所以*33.2/10027.35kg/m0.001170.00117mhkAh/cmh0/cmΔh/cmk/(kg/m2)6.23.03.227.352.数据记录及处理临界点以下等温线及饱和线数据（20℃）P/MPah/cmΔh/cmv/(m3/kg)10.006.23.20.0011706.206.63.60.0013165.5017.014.00.0051193.9030.027.00.009872临界点以下饱和线数据（27℃）P/MPah/cmΔh/cmv/(m3/kg)6.0515.812.80.0046806.656.63.60.001316临界等温线数据（32℃）P/MPah/cmΔh/cmv/(m3/kg)6.5016.213.20.0048266.9014.211.20.0040957.407.84.80.0017557.807.24.20.001536临界点以上等温线数据（34℃）P/MPah/cmΔh/cmv/(m3/kg)4.2029.826.80.0097995.7020.017.00.0062166.7516.413.40.0048997.2013.410.40.0038037.708.65.60.002048计算示例（以20℃，P=6.20MPa为例）：33.6/1000.001316m/kg27.35hvk临界点数据：t/℃P/MPav/(m3/kg)32.07.400.001755化工专业实验4|3.根据以上计算结果，在P-V图上绘制等温线、饱和线，如下图：34567891000.0020.0040.0060.0080.010.012压力P,MPav比容,m3/kg标准等温线：比较实验等温线和标准等温线可得，两图总体上比较相近，曲线在各个区域的形状和趋势相似。但同时实验结果在数值上也存在一定误差，比如等温的饱和气液相蒸汽压不一致等，造成误差的原因有以下几个方面：恒温槽温度不恒为设定温度；CO2因压缩产生温度的变化，未等系统达到稳定就读数；压力表在气体发生相变时读数变化剧烈，偶然误差大；实验数据不够多，拟合效果不够好。20℃等温线超临界等温线34℃临界等温线32℃饱和线化工专业实验5|4.蒸汽压数据的拟合理论上来说，同一温度下饱和气相和饱和液相的蒸汽压应一致，但因实验过程的偏差，所得蒸汽压都不一致，故计算饱和蒸汽压时取饱和气液两相的平均压力。结果列表如下：t/℃T/KPs/kPalgPs20293.1558503.767227300.1563503.802832305.1571503.8543以Antoine方程lgBPsATC进行拟合，所得曲线如下图：2922942962983003023043063.763.783.83.823.843.863.88tlgPs理论的Antoine方程曲线图像如下：2922942962983003023043063.743.763.783.83.823.843.863.883.9tlogps实验拟合方程结果中A=7.146，B=1400，C=120，拟合方差R2=0.9427。与理论值A=7.76，B=1566，C=97.87相比，仍有一定的偏差。且因拟合数据组数太少，造成相关指数R2过小，实验结果可信度不高。化工专业实验6|5．临界比容Vc实验值与理论值的比较实验中测得，Tc=32.0℃，Pc=7.40Mpa，Vc=0.001755m3/kg=0.001755m3/kg*44kg/kmol=0.0772m3/kmol，实验结果与几种理论结果列表如下：实验值/(m3/kmol)理论值/(m3/kmol)理想气体cccRTvP范德华方程38cccRTvP0.07720.09420.35060.1315从临界比容Vc的比较可以看到，实验值与理论值相对较为接近。由于临界状态的CO2严重偏离理想气体状态，故根据理想气体状态方程计算会有较大偏差。范德华方程同样有其局限性，对临界状态的CO2也不适用。五、讨论、心得1．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。由于此次实验是第一次接触临界乳光现象，一开始还错把它当成液体的剧烈汽化。气液两相突变这一现象在平时因条件不允许难以见到，这一次且由于管径较细，能看到更为清晰的现象。2.本次实验需要用到较多的曲线拟合和连线绘图，但实验时所测量的数据过少，因而使实验结果的可信度降低。3.造成本次实验误差有较大原因，如恒温水浴锅无法使细管内温度保持恒定，测量过程中体系不稳定导致压强体积的读取不准确，测量数据少导致相对误差大，对临界乳光现象的判断不准确，恒温水浴的升降温较难灵敏条件等。若有更长的实验时间做更多组实验，理应能得到更为准确的结果。