化工专业实验
实验名称：二元系统气液平衡数据测定学院：化学工程学院
专业：化学工程与工艺
班级：化工092班
姓名：芦亚婷学号09402010206 指导教师：王剑锋
日期：2012年5月14日
一、实验目的
1. 了解和掌握用双循环汽液平衡器测定二元系统气液平衡数据的方法。
2. 了解缔合系统汽—液平衡数据的关联方法，从实验测得的T-p-x-y 数据计算各组分的活度系数。
3. 通过实验了解平衡釜的构造，掌握气液平衡数据的测定方法和技能。
4. 掌握二元系统气液平衡相图的绘制。
二、实验原理
以循环法测定气液平衡数据的平衡虽多，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。
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
B
A
图1 平衡法测定气液平衡原理图
当达到平衡时，除了两相的温度和压力分别相等外，每一组分化学位也相等，即逸度相等，其热力学基本关系为：
V i L i f f = (1) i i i x f py 0i i γφ=
常压下，气相可视为理想气体，再忽略压力对流体逸度的影响，0i i p f = 从而得出低压下气液平衡关系式为：
py i =γi 0i p i x (2) 式中，p —体系压力（总压）；
0i p —纯组分i 在平衡温度下的饱和蒸汽压，可用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 p x py i i
i =
γ (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： ln γ1=－ln(x 1+Λ12x 2)+x 2(
2
12112
x x Λ+Λ－121221x x Λ+Λ) (4) ln γ2=－ln(x 2+Λ21x 1)+x 1(
121221x x Λ+Λ－2
12112x x Λ+Λ) (5)
Wilson 方程二元配偶函数Λ12和Λ21采用非线性最小二乘法，由二元气液平衡数据回归得到。
目标函数选为气相组成误差的平方和，即
F =2
221211((j m
j j y y y y ））计实计实-+-∑= (6)
三、主要仪器设备与实验装置流程图
1. 平衡釜一台
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
5. 所用试剂（无水甲醇、异丙醇）为分析纯试剂。
6. 1ML 注射器十支、5ML 注射器三支。
1
23
45
6
7
89
1011121314
15
16
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、测11组二元系统气液平衡标准数据。
实验室大气压值取101.325kPa。
2、平衡釜内加入一定浓度的甲醇－异丙醇溶液，并没过注射器针头。
打开冷却水，接通电源。
开始时加热电流给到0.2A，五分钟后给到0.24A，以平衡釜内液体沸腾，冷凝回流液控制在每秒1~2滴。
稳定回流约15min，以建立平衡状态。
3、到平衡后，记录温度计的读数，用微量注射器分别取两相样品，用阿贝折射仪测定其折射率。
4、注射器从釜中取出2ml混合溶液，然后加入等量的一种纯物质，重新加热建立平衡。
加入哪种物料，视上一次平衡组成而定，以免各实验点分布不均，重复实验5次。
5、实验完毕，关掉电源和水源，处理实验数据。
五、实验数据处理
(1) 数据处理
甲醇密度ρ= 0.792g/ml 甲醇摩尔质量= 32g/mol
异丙醇密度ρ= 0.785g/ml 异丙醇摩尔质量= 60g/mol
表1 二元系统气液平衡标准数据
甲醇的体积分数% 甲醇的摩尔分数% 折射率
100 100 1.3272
90 94.4523 1.3310
80 88.3271 1.3369
70 81.5294 1.3440
60 73.9419 1.3500
50 65.4185 1.3535
40 55.7746 1.3569
30 44.7739 1.3610
20 32.1081 1.3671
10 17.3684 1.3712
0 0 1.3761
表2 实验测定混合液两相平衡数据
组号平衡温度
折射率甲醇气相
摩尔分数
y1
甲醇液相
摩尔分数
x1
气相液相
1 69.9 1.3441 1.3514 0.7640 0.6120
2 70.
3 1.3446 1.3528 0.7526 0.5826
3 70.6 1.3450 1.3548 0.745
4 0.5419
4 71.
5 1.3508 1.3551 0.6265 0.5356
5 72.
6 1.3512 1.3590 0.6151 0.4541
查资料得，列表如下：
表3
组分 A B C
异丙醇 6.86634 1360.183 197.593
根据安托尼(Antoine)公式，lg(P s/kPa)=A-B/(C + t/℃)，求得异丙醇在各温度下饱和蒸汽压。
甲醇的饱和蒸汽压数据由已知数据用内插法求得。
列表如下：
表4 各温度下组分的饱和蒸汽压
温度/℃甲醇的饱和蒸汽压P S/kPa 异丙醇的饱和蒸汽P S/kPa
69.9 126.5360.45
70.3 128.4361.52
70.6 129.8662.33
71.5 134.1564.81
72.6 139.3967.96
计算不同组成下的活度:
已知两个配偶系数分别为Λ12=0，Λ21=1，由式(4)和(5)求得ln γ1和ln γ2，再根据
s i i i
i p x py =
γ可求得y i。
所得数据如下表：
表5 各组分气相摩尔分数的计算值
温度/℃ γ1 γ2 气相甲醇计算值y 1
气相异丙醇计算值y 2
69.9 1.1085 1.8441 0.8472 0.4269 70.3 1.1307 1.7907 0.8350 0.4538 70.6 1.1672 1.7193 0.8106 0.4845 71.5 1.1735 1.7085 0.8321 0.5075 72.6
1.2758
1.5748
0.7970
0.5765
27988.0)5765.03849.0()797.06151.0()5075.03735.0()8321.06265.0()4845.02546.0()8106.07454.0()4538.02474.0()
835.07526.0()4269.0236.0()8472.0764.0(((22222222
222221
211=-+-+-+-+-+-+-+-+-+-=-+-=∑=j m
j j y y y y F ））计实计实(2) 气相组成实验值与计算值的比较
(3) 温度组成图t-x-y（甲醇）
六、实验结果与讨论
1. 影响气液平衡测定准确度的因素：
答：1) 阿贝折射仪的仪器误差；2) 阿贝折射仪的读数误差；3) 气液平衡时间的判定误差；4) 实验器材的气密性；5) 取样时存在的误差等。
2. 误差产生的原因：
答：1) 仪器本身存在的误差；2) 数据处理时有效值的取值存在误差；3) 用针筒取液体时存在主观误差；4) 实验所给的溶液的纯度存在误差。
七、思考题
1、实验中怎样判断气液两相已达到平衡？
答：气液两相达平衡时，回流滴下来的液体速率平稳，大约在每秒1-2滴，且在一段时间内温度维持不变。
2、影响气液平衡测定准确度的因素有那些？
答：影响准确度的因素有温度和压强，装置气密性，温度计灵敏度，折射仪读数准确性等。
3、为什么要确定模型参数，对实际工作有何作用？
答：用于研究生产可能性，在实际操作过程中，有时可以根据实验所得等比放大进行生产。