汽液平衡相图 书籍

1.
测定常压下环己烷-乙醇二元系统的汽液平衡数据,绘制101325Pa下的沸点-组成的相图。

2.
掌握阿贝折射仪的原理和使用方法。

二、实验原理

液体混合物中各组分在同一温度下具有不同的挥发能力。因而,经过汽液见相变达到平衡后,各组分在汽、液两相中的浓度是不相同的。根据这个特点,使二元混合物在精馏塔中进行反复蒸馏,就可分离得到各纯组分。为了得到预期的分离效果,设计精馏装置必须掌握精确的汽液平衡数据,也就是平衡时的汽、液两相的组成与温度、压力见的依赖关系。大量工业上重要的系统的平衡数据,很难由理论计算,必须由实验直接测定,即在恒压(或恒温)下测定平衡的蒸汽与液体的各组分。其中,恒压数据应用更广,测定方法也较简便。

恒压测定方法有多种,以循环法最普遍。循环法原理的示意图见图5-11。在沸腾器P中盛有一定组成的二元溶液,在恒压下加热。液体沸腾后,逸出的蒸汽经完全冷凝后流入收集器R。达一定数量后逸流,经回流管流回到P。由于气相中的组成与液相中不同,所以随着沸腾过程的进行,P、R两容器中的组成不断改变,直至达到平衡时,汽、液两相的组成也保持恒定。分别从R、P中取样进行分析,即得出平衡温度下气相和液相的组成。

本实验测定的恒压下环己烷-乙醇二元汽液平衡相图,如图5-12所示。
图中横坐标表示二元系的组成(以B的摩尔分数表示),纵坐标为温度。显然曲线的两个端点 、 即指在恒压下纯A与纯B的沸点。若溶液原始的组成为 ,当它沸腾达到汽液平衡的温度为 时,其平衡汽液相组成分别为 与 。用不同组成的溶液进行测定,可得一系列 数据,据此画出一张由液相线与汽相线组成的完整相图。图5-12的特点是当系统组成为 时,沸腾温度为 ,平衡的汽相组成与液相组成相同。因为 是所有组成中的沸点最低者,所以这类相图称为具有最低恒沸点的汽液平衡相图。

分析汽液两相组成的方法很多,有化学方法和物理方法。本实验用阿贝折射仪测定溶液的折射率以确定其组成。因为在一定温度下,纯物质具有一定的顺变关系。预先测定一定温度下一系列已知组成的溶液的折射率,得到折射率-组成对照表。以后即可根据待测溶液的折射率,由此表确定其组成。

三、试剂与仪器

试剂:环己烷、乙醇。

仪器:埃立斯(Ellis)平衡蒸馏器、0.5kW调压变压器、电压表、阿贝折射仪、超级恒温槽。

埃立斯平衡蒸馏器是由玻璃吹制而成的,它具有汽液两相同时循环的结构,如图5-13所示。
四、实验步骤

1.
将预先配置好的一定组成的环己烷-乙醇溶液缓缓加入蒸馏器中,使液面略低于蛇管喷口,蛇管的大部分浸在溶液之中。

2.
调节适当的电压通过加热元件1和下保温电热丝对溶液进行加热。同时在冷凝器9、10中通以冷却水。

3.
加热一定时间后溶液开始沸腾,气、液两相混合物经蛇形管口[喷于温度计底部;同时可见气相冷凝液滴入接受器11。为了防止蒸气过早的冷凝,通过变压器将上保温电加热丝加热,要求套管8内温度比套管6内温度高0.5~1.5℃。控制加热器电压,使冷凝液产生速度为每分钟60~100滴。调节下保温电热丝电压,以蒸馏器的器壁上不产生冷凝液为宜。为防止暴沸,在加热升温过程中可借助于双连球通过活塞14向蒸馏器内缓慢而间歇地鼓入少量空气,待溶液沸腾后即取下双连球。

4.
待套管6处的温度约恒定20min后,可认为汽、液相间已达平衡,记下温度计6读数,即为汽、液平衡的温度。

5.
分别从取样口12、13同时取样约2mL,稍冷却后测定其折射率。阿贝折射仪的原理与使用方法见本书2.2.3节。

6.
实验结束,关闭所有加热元件。待溶液冷却后,将溶液放回原来的溶液瓶。

五、数据处理

1.
将测定的各气液相折射率,利用环己烷-乙醇系统的折射率-组成对照表(见本书附录11)查得平衡的液相组成x环与气相组成y环。

2.
平衡温度的确定

(1)
温度计示值校正和露茎校正见《大学基础化学实验(Ⅰ)》。

(2)
气压计读数校正见本书附录4。

(3)
平衡温度的压力校正 溶液的沸点与外压有关,为了将溶液沸点校正到正常沸点,即外压为101325Pa下的汽液平衡温度,应将测得的平衡温度进行校正。环己烷-乙醇系统的校正公式如下:

(5-21)

式中,t常为校正到外压为101325Pa下的平衡常数(℃),t为外压为p大气(Pa)时测得的温度,y环为用环己烷摩尔分数表示的气相组成。

3.
综合实验所得的各组成的平衡数据,绘出101325Pa下环己烷-乙醇的汽液平衡相图。

六、思考题

1.
一般而言,如何才能准确测得溶液的沸点?

2.
埃立斯平衡蒸馏器有什么特点有什么特点?其中蛇管的作用是什么?

3.
埃立斯平衡蒸馏器为何要上下保温?为何气相部分温度应略高于液面部位温度?

4.
取出的平衡汽液相样品,为什么必须在密闭的容器中冷却后方可用以测定其折射率?

七、进一步讨论

1.
为得到精确的相平衡数据,应采用恒压装置以控制外压。有关恒压装置的原理及使用参见本书附录4。

2.
使用埃立斯蒸馏器操作时,应注意防止闪蒸现象、精馏现象及暴沸现象。当加热功率过高时,溶液往往会产生完全汽化,将原组成溶液瞬间完全变为蒸气,即闪蒸。显然,闪蒸得到的汽液组成不是平衡的组成。为此需要调节适当的加热功率,以控制蒸气冷凝液的回流速度。

蒸馏器所得的平衡数据是溶液一次汽化平衡的结果。但蒸气在上升过程中又遇到液相冷凝液,则又可进行再次汽化,这样就形成了多次蒸馏的精馏操作。其结果是得不到蒸馏器应得的平衡数据。为此,在蒸馏器上部必须进行保温,使气相部位略高于液相,以防止蒸气过早的冷凝。

由于沸腾时气泡生成困难,暴沸现象常会发生。避免的方法是提供气泡生成中心或造成溶液局部过热。为此,可在实验中鼓入小气泡或在加热管的外壁造成粗糙表面以利于形成气穴;或将电热丝直接与溶液接触,造成局部过热。

原发布者:小坚坚哦

四.数据记录与处理因为测量环己烷沸点时,大气压为102.41Kpa,测量乙醇沸点时大气压为102.43KPa,所以需要用特鲁顿规则及克劳修斯看—克拉贝隆方程进行校正,△t(环己烷)压=(273.15+80.3)/10*(101325-102410)/101325=-3.215*10−7℃T沸(环己烷)=80.3-(-3.215*10−7)=80.3℃△t(乙醇)压=(273.15+78.3)/10*(101325-102430)/101325=-3.139*10−7T沸(乙醇)=78.3-(-3.139*10−7)=78.3℃表一环己烷-乙醇标准溶液的折光率(1)环己烷的摩尔分数折光率01.36120.11.36120.21.36120.31.36120.41.36120.51.36120.61.36120.71.36120.81.36120.91.36121.01.3612图一表二环己烷-乙醇标准溶液的折光率(2)环己烷的摩尔分数折光率01.36090.11.36090.21.36090.31.36090.41.36090.51.36090.61.36090.71.36090.81.36090.91.36091.01.3609图二表三T(沸点℃)78.376.673.970.367.265.180.279.172.565.565.280.3乙醇-环己烷相图数据X(液相组成摩尔分数)00.04080.07310.1280.09420.4190.9200.9360.9250.8680.7841Y(气相组成摩尔分数)00.1150.2800.4610.5510.5910.6770.6300.6150.6130.6061图三乙醇-环己烷相图BB82D8078767472706866640.00.20.40.60.81.0A由上图得到最低恒沸点的温度为
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