二元系統(tǒng)汽液平衡數(shù)據(jù)測定實驗綜述報告

榮俊鋒，武成利，張曄，李伏虎，劉銘，吳姍姍

（安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽淮南232001）

隨著大學(xué)教學(xué)的不斷深入以及社會上新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)，許多物系的平衡數(shù)據(jù)還未經(jīng)前人測定過。為完成教學(xué)任務(wù)，滿足工業(yè)需求，需要通過實驗測定。

1 實驗?zāi)康?/h2>

（1）了解和掌握用雙循環(huán)汽液平衡器測定二元汽液平衡數(shù)據(jù)的方法。

（2）了解締合系統(tǒng)汽-液平衡數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)方法，從實驗測得的T—P—X—Y數(shù)據(jù)計算各組分的活度系數(shù)。

（3）學(xué)會二元汽液平衡相圖的繪制。

2 實驗原理

以循環(huán)法測定汽液平衡數(shù)據(jù)的平衡器類型很多，但基本原理一致，如圖1所示，當(dāng)體系達(dá)到平衡時，a、b容器中的組成不隨時間而變化，這時從a和b兩容器中取樣分析，可得到一組汽液平衡實驗數(shù)據(jù)。

圖1 循環(huán)法測定汽液平衡

3 實驗步驟

（1）加料：從加料口加入配制好的醋酸—水二元溶液。

（2）加熱：接通加熱電源，調(diào)節(jié)加熱電壓約在150～200 V，開啟磁力攪拌器，調(diào)節(jié)合適的攪拌速度。緩慢升溫加熱至釜液沸騰時，分別接通上、下保溫電源，其電壓調(diào)節(jié)在10～15 V。

（3）溫控：溶液沸騰，至冷凝液回流。起初，平衡溫度計讀數(shù)波動，調(diào)節(jié)加熱量，使冷凝液控制于每分鐘約60滴?？刂破鄿囟缺绕胶鉁囟雀?.5℃～1℃，最終使平衡溫度逐趨穩(wěn)定。

（4）取樣：整個實驗過程中必須注意蒸餾速度、平衡溫度和氣相溫度的數(shù)值，不斷加以調(diào)整，經(jīng)0.5～1h穩(wěn)定后，記錄平衡溫度及氣相溫度讀數(shù)。讀取大氣壓力計的大氣壓力數(shù)值，迅速取約8 mL的氣相冷凝液及液相于干燥、潔凈的取樣瓶中。

（5）分析：用化學(xué)分析法分析氣、液兩相組成，每一組分析兩次，分析誤差應(yīng)小于0.5%，得到WHAC汽及WHAC液兩液體質(zhì)量百分組成。

（6）實驗結(jié)束后，先把加熱及保溫電壓逐步降低到零，切斷電源，待釜內(nèi)溫度降至室溫，關(guān)冷卻水，整理實驗儀器及實驗臺。

4 實驗結(jié)果與討論

4.1 實驗數(shù)據(jù)計算

以室溫下5組學(xué)生數(shù)據(jù)（醋酸-水體系溶液按體積比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5配制）為例，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析[3-12]。

表1 1:1配比溶液實驗數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理（包括計算舉例、數(shù)據(jù)圖表）

以本組數(shù)據(jù)為例（CNaOH=0.1 mol/L）

同理：WHAc液=58.4%

（1）大氣壓力的矯正

轉(zhuǎn)化為水銀柱的高度為：101.95 kPa=760 mm Hg

（2）平衡溫度的校正

露徑溫度：η汽=38℃，η液=33℃

（3）沸點校正

另外四組實驗數(shù)據(jù)，如上述舉例計算，計算結(jié)果見表2。

表2 實驗處理數(shù)據(jù)匯總

通過以上實驗數(shù)據(jù)，在計算機上進(jìn)行驗證有以下數(shù)據(jù)產(chǎn)生：

圖2 計算機處理數(shù)據(jù)展示

將計算機處理數(shù)據(jù)整理成表格數(shù)據(jù)，見表3～表7。

表3 體積比1:1實驗計算機處理數(shù)據(jù)

表4 體積比1:2實驗計算機處理數(shù)據(jù)

表5 體積比1:3實驗計算機處理數(shù)據(jù)

表6 體積比1:4實驗計算機處理數(shù)據(jù)

表7 體積比1:5實驗計算機處理數(shù)據(jù)

（1）仍以第一組數(shù)據(jù)為例，計算P°HAC，P°H2O

4.2 計算結(jié)果分析

圖3 HAc-H2O二元系統(tǒng)汽液平衡相圖

表8 計算處理數(shù)據(jù)

（1）由標(biāo)準(zhǔn)醋酸—水平衡二元相圖，102.35℃的液相XHAc=0.302，汽相YHAc=0.246。誤差分析分別為：

（2）由標(biāo)準(zhǔn)醋酸—水平衡二元相圖，101.64℃的液相XHAc=0.200 4，汽相YHAc=0.139 2。誤差分析分別為：

（3）由標(biāo)準(zhǔn)醋酸—水平衡二元相圖，101.31℃的液相XHAc=0.123 0，汽相YHAc=0.115 9。誤差分析分別為：

（4）由標(biāo)準(zhǔn)醋酸—水平衡二元相圖，100.99℃的液相XHAc=0.101 2，汽相YHAc=0.099 8。誤差分析分別為：

（5）由標(biāo)準(zhǔn)醋酸—水平衡二元相圖，101.64℃的液相XHAc=0.099 8，汽相YHAc=0.099 0。誤差分析分別為：

誤差分析[13-16]：

由標(biāo)準(zhǔn)醋酸—水平衡二元相圖可計算實驗數(shù)據(jù)誤差，η1、η2、γHAC、γH2O的理論計算值與計算機所列的誤差較大。分析原因可知：

（1）實驗過程中由于操作不一定完全規(guī)范，所以或多或少會引入誤差；未充分平衡，造成精餾現(xiàn)象，取樣時存在誤差，如針筒稱樣時液滴有損失；分析時也會造成滴定誤差；滴定終點判別也會有誤差等。

（2）實驗儀器上、下保溫不佳，在實驗剛開始時，加熱了很久但是溫度還是在一定范圍內(nèi)波動。

（3）可能理論數(shù)據(jù)擬合過程帶來部分誤差。

5 結(jié)束語

采取啟發(fā)式教學(xué)，先通過問題引導(dǎo)，導(dǎo)入基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)，然后創(chuàng)設(shè)一個情境，模仿計算實例進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，重在讓學(xué)生理解4個溫度、4個質(zhì)量、2個體積的含義以及如何記錄這些數(shù)據(jù)。經(jīng)過計算預(yù)演練讓大家熟悉計算細(xì)節(jié)。同樣的數(shù)據(jù)，大家計算的結(jié)果可能存在偏差，教會大家如何分析問題的原因。接著通過組內(nèi)同學(xué)之間的協(xié)作完成數(shù)據(jù)采集和樣品分析、數(shù)據(jù)綜合處理以及計算機輸入反饋等環(huán)節(jié)。整個過程環(huán)環(huán)相扣，課堂充實有序。整個流程綜合訓(xùn)練學(xué)生計算、動手操作、理論分析的能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)打下堅實的基礎(chǔ)。