《CO2臨界狀態(tài)觀測及PVT關(guān)系測試教學(xué)應(yīng)用》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《CO2臨界狀態(tài)觀測及PVT關(guān)系測試教學(xué)應(yīng)用（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 專業(yè)： 姓名： 學(xué)號： 日期： 地點： 實驗報告 課程名稱： 化工專業(yè)實驗 指導(dǎo)老師： 成績：________________ 實驗名稱： CO2臨界狀態(tài)觀測及PVT關(guān)系測試 實驗類型：熱力學(xué)實驗 同組學(xué)生姓名： 一、實驗?zāi)康暮鸵? 二、實驗內(nèi)容和原理 三、主要儀器設(shè)備 四、操作方法和實驗步驟 五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理 六、實驗結(jié)果與分析 七、討論、心得 裝 訂 線 一、實驗?zāi)康? 1．

2、了解CO2臨界狀態(tài)的觀測方法，增加對臨界狀態(tài)概念的感性認(rèn)識； 2．掌握CO2的P-V-T關(guān)系的測定方法。學(xué)會用實驗測定實際氣體狀態(tài)變化規(guī)律的方法和技巧； 3．加深對流體的凝結(jié)、汽化、飽和狀態(tài)等熱力學(xué)基本概念的理解； 4．掌握有關(guān)儀器的正確使用方法。 二、實驗原理 對簡單可壓縮熱力系統(tǒng)，當(dāng)工質(zhì)處于平衡狀態(tài)時，其狀態(tài)參數(shù)P、V、T之間有： f(P、V、T)=0 或 T=f(P、V) （1） 本實驗就是根據(jù)（1），采用定溫方法來測定CO2的P-V之間的關(guān)系，從而找出CO2的P-V-T的關(guān)系。 實驗中由壓力臺送來的壓力油進(jìn)入高壓容器和玻璃杯上半部迫使

3、水銀進(jìn)入預(yù)先裝了CO2 氣體的承壓玻璃管，CO2 被壓縮。壓力通過壓力臺上的活塞桿的進(jìn)、退來調(diào)節(jié)；溫度由供給水夾套的超級恒溫水浴調(diào)節(jié)控制。 實驗中工質(zhì)二氧化碳的壓力由裝在壓力臺上的壓力表讀出，溫度由插在恒溫水套中的溫度計讀出，比容首先由承壓玻璃管內(nèi)CO2柱的高度來度量，而后再根據(jù)承壓玻璃管內(nèi)徑均勻，截面積不變等條件換算得。 承壓玻璃罐內(nèi)CO2的質(zhì)量面積比常數(shù)k值的測量方法： 由于充進(jìn)承壓玻璃管內(nèi)的CO2質(zhì)量不便測量，而玻璃管內(nèi)徑或面積（A）又不易測準(zhǔn)，因而實驗中是采用間接辦法來確定CO2的比容。認(rèn)為CO2的比容V與其高度是一種線性關(guān)系，具體如下： a) 已知CO2液體在20℃，100a

4、tm時的比容 b) 實測本試驗臺CO2在20℃，100atm時的CO2液柱高度Δh*（m）。 c) 由(a)可知，因為，所以則任意溫度、壓力下CO2的比容為 式中： ——任意溫度、壓力下水銀柱高度 ——承壓玻璃管內(nèi)徑頂端刻度 實驗中注意： 做各條定溫線時，試驗壓力不大于100atm，否則承壓玻璃管有破裂的危險；試驗溫度不大于50℃ 。 三、實驗儀器及設(shè)備 實驗裝置由壓力臺、恒溫器和試驗本體及其防護(hù)罩三大部分組成，試驗臺本體如下圖所示： 試驗臺本體示意圖 四、實驗步驟 1．開啟超級恒溫槽，調(diào)好所需要的恒溫溫度。 2．砝碼式壓力計抽油，

5、方法如下： （1）關(guān)閉壓力表及進(jìn)入本體油路的兩個閥門，開啟壓力臺上油杯的進(jìn)油閥。 （2）搖退壓力臺上的活塞螺桿，直至螺桿大部退出，這時壓力臺油缸中充滿了油。 （3）先關(guān)閉油杯閥門，然后開啟壓力表和進(jìn)入本體油路的兩個閥門。 （4）搖進(jìn)活塞螺桿，使本體充油。 如此反復(fù)以上步驟，直至壓力表上有壓力讀數(shù)為止。 （5）再次檢查油杯閥門是否關(guān)好，壓力表及本體油路閥門是否開啟，若均已穩(wěn)妥即可進(jìn)行實驗。 3．測定溫度為 20℃時的等溫線及（20℃，100atm 下）K 值。 （1）壓力記錄從水夾套管上有刻度開始，當(dāng)玻璃管內(nèi)水銀升起來后，應(yīng)足夠緩慢地?fù)u進(jìn)（退）活塞螺桿，以保證定溫條

6、件。 （2）仔細(xì)觀察 CO2 液化、汽化等現(xiàn)象。 （3）仔細(xì)觀察、測定、記錄 CO2 最初液化和完全液化時的壓力及水銀柱高度。 （4）在測定等溫線時，可慢慢地?fù)u進(jìn)活塞，使壓力升至 90atm 左右，然后緩慢減低壓力。注意觀察現(xiàn)象，記錄數(shù)據(jù)。（5）求 K 值的操作為溫度為 20℃時，將壓力升至 100atm，此時的液柱高度即為Δh*(m)。 4．在 20℃～ 之間，測定 CO2 的飽和蒸汽壓和溫度的對應(yīng)關(guān)系（利用水浴升溫過程中測試，并要求測 4～5 個實驗點，注意為減少系統(tǒng)誤差，每個點對應(yīng)的液汽比應(yīng)盡量一致）。 5．測定 CO2 的臨界等溫線和臨界參數(shù)；觀察臨界現(xiàn)象。 a）

7、測定臨界等溫線 b）臨界乳光現(xiàn)象觀察 保持臨界溫度不變，搖進(jìn)活塞桿壓力升至 Pc 附近處，然后突然搖退活塞桿（注意勿使試驗本體晃動） 降壓，在此瞬間玻璃管內(nèi)將出現(xiàn)圓錐狀的乳白色的閃光現(xiàn)象，這就是臨界乳光現(xiàn)象，這是由于 CO2 分子受重力場作用沿高度分布不均和光的散射所造成的，可以反復(fù)幾次來觀察這一現(xiàn)象。 c）整體相變現(xiàn)象 由于臨界點時，汽化潛熱等于零，飽和汽線和飽和液線合與一點，所以這時汽液的相互轉(zhuǎn)變不是像臨 界溫度以下時那樣逐漸積累，需要一定的時間，表現(xiàn)為一個逐變的過程，而這時當(dāng)壓力稍有變化時，汽、 液是以突變的形式相互轉(zhuǎn)化。 d

8、）汽、液兩相模糊不清現(xiàn)象 處于臨界點時，CO2 具有共同參數(shù)（P、V、T），因而是不能區(qū)別此時 CO2 是氣態(tài)還是液態(tài)的。如果說它是氣體，那么這個液體又是接近氣態(tài)的液體。我們可用實驗證明這個結(jié)論，因為這時是處于臨界溫度下，如果按等溫線過程進(jìn)行來使 CO2 壓縮或膨脹，那么管內(nèi)是什么也看不到的?，F(xiàn)在我們按絕熱過程來進(jìn)行，使壓力等于臨界壓力突然降低，CO2 狀態(tài)點由等溫線沿絕熱線降到液區(qū)，管內(nèi) CO2 出現(xiàn)了明顯的液面，這就說明，如果這次管內(nèi)的 CO2 是氣體的話，那么這種氣體離液區(qū)很接近，可以說是接近液態(tài)的氣體；當(dāng)在膨脹之后，突然壓縮 CO2 時，這個液面又突然消失了，這就告訴我們這時

9、 CO2 既接近氣態(tài)又接近液態(tài)，所以只能處于臨界點附近，臨界狀態(tài)是一種汽液不分的流體。這就是臨界點附近飽和汽液模糊不清的現(xiàn)象。 6．測定高于臨界溫度，如 t=45℃時的等溫線。 7．試驗結(jié)束，將油抽回，整理試驗臺。 五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理、實驗結(jié)果討論 1．K值的確定 水銀柱起始高度h0 = 2.4 cm，實驗測得臨界溫度tC =31.5 ℃ 20℃、100atm 下，測得水銀柱高度h1 = 5.6 cm 計算K值： K=mA=?h0.00117=5.6-2.410_20.00117=27.3504kg/m2 2．等溫線數(shù)據(jù)記錄及處理 表格 1 溫度20℃下等溫線

10、數(shù)據(jù) p / Mpa 10 5.7 5.65 5.15 5.05 4.96 4.6 h / cm 5.6 5.7 7 16 20.1 20.7 24.2 Δh / cm 3.2 3.3 4.6 13.6 17.7 18.3 21.8 V / 10-3m3kg-1 1.170 1.207 1.682 4.973 6.472 6.691 7.971 計算示例：取溫度20℃，壓強(qiáng)5.65 MPa下的數(shù)據(jù)點 Δh=h-h1=5.7-2.4=4.6cm V=Δh/K=4.6/(100*27.3504)=1.682*10-

11、3 m3/kg 表格 2 臨界溫度31.5℃下等溫線數(shù)據(jù) p / Mpa 8.32 7.38 7.1 h / cm 6.3 7.4 12.5 Δh / cm 3.9 5 10.1 V / 10-3m3kg-1 1.426 1.828 3.693 表格 3 超臨界溫度33.1℃下等溫線數(shù)據(jù) p / Mpa 7.6 6.79 5.55 h / cm 9 14.5 20.3 Δh / cm 6.6 12.1 17.9 V / 10-3m3kg-1 2.413 4.424 6.545 表格 4 飽和線數(shù)據(jù)

12、 t/℃ 28.2 20 31.5 p / Mpa 7.08 6.01 5.7 4.96 7.38 h / cm 6.2 16.4 5.7 20.7 7.4 Δh / cm 3.8 14 3.3 18.3 5 V / 10-3m3kg-1 1.389 5.119 1.207 6.691 1.828 作CO2的P-V曲線，如圖1 圖 1實驗測得CO2的P-V圖 藍(lán)色線—t=20℃下等溫線；綠色線—t=31.5℃臨界溫度下等溫線； 黑色線—t=33.1℃下等溫線；紅色線—飽和線；C點—臨界點 將實驗測得P-

13、V圖與標(biāo)準(zhǔn)圖相比較： 圖 2 CO2的標(biāo)準(zhǔn)P-V圖 比較圖1和圖2可以看出，實驗測得的等溫線與標(biāo)準(zhǔn)等溫線圖線趨勢基本吻合。但在實測圖中，存在曲線局部不平滑、等溫線在氣液平衡區(qū)不水平、兩條等溫線有所重疊等問題。 造成差異的原因可能有： 1、 改變壓力后，讀數(shù)時水銀柱高度和壓強(qiáng)示數(shù)不完全穩(wěn)定，h、P值的讀取存在一定誤差； 2、 由于人為因素，對于CO2汽化和液化的轉(zhuǎn)折點判斷存在誤差，使得飽和氣液相線和標(biāo)準(zhǔn)曲線有所差別；對臨界乳光現(xiàn)象的產(chǎn)生點的判斷亦存在一定誤差，使得Tc、Pc與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差。 3、 溫度計的選取的位置在CO2的套管外層，相當(dāng)于測量恒溫水的溫度，與CO2的真實

14、溫度有一定偏差； 4、實驗中每條等溫線只有3個數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點個數(shù)不夠，只能大致畫出曲線趨勢而不能準(zhǔn)確畫出等溫線。 5、P-V圖中在氣液平衡區(qū)內(nèi)，等溫線理論上應(yīng)水平，而實際20℃下測得的飽和液相與飽和氣相的壓強(qiáng)相差0.74MPa，猜想可能是由于實驗裝置中以壓強(qiáng)為自變量進(jìn)行探究，壓強(qiáng)由油壓控制，CO2在液氣相變過程中要保持恒壓膨脹，需將水銀柱向外壓；在一定范圍內(nèi)，CO2能夠壓出水銀柱，保持恒壓膨脹；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時，由于油壓裝置的阻力，CO2無法將繼續(xù)水銀往外壓了，于是停留在了一定氣液平衡態(tài)；當(dāng)通過油壓裝置減小壓力時，CO2繼續(xù)汽化。猜想在這臺裝置下，若將P-V圖的微觀表現(xiàn)出來，P是呈梯度很小

15、的階梯狀下降的。 3．飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)處理 將實驗測得的飽和溫度和飽和壓力的對應(yīng)值擬合出Atonie常數(shù)并與資料上的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較： Antoine方程：（A = 7.76331，B = 1566.08，C = 97.87，T = 273 ~ 304K） t/℃ 20 28.2 31.5 T / K 293.15 301.35 304.65 P/ MPa 5.70 7.08 7.38 lg Ps理論（Ps：kPa） 3.7582 3.8405 3.8726 Ps理論 / Mpa 5.731 6.926 7.458 計算示例：以t=28.2數(shù)據(jù)為例

16、 T=28.2+273.15=301.35K 氣液平衡區(qū)壓力有變化，由上述P-V圖誤差分析第5點，我認(rèn)為應(yīng)以剛開始汽化時的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，由表格4得 P=7.08MPa lgPs理論=7.76331-1566.08/(31.35+97.87)=3.8405 Ps理論=10^3.8405=6926KPa=6.926MPa 做出蒸汽壓曲線，圖3： 圖 3 理論P-T與實驗所測P-T曲線 黑色—實驗測得曲線；紅色—理論值曲線 使用origin軟件以Antoine方程對飽和溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得下圖。 圖 4 Antoine方程擬合曲線 分析： （1） Ant

17、oine方程形式為lgPs=A-BT+C，可得Ps=eAln10-Bln10T+C，實驗得到的三個數(shù)據(jù)點以方程y=ea+bx+c形式擬合時，無法收斂得到參數(shù)，故并未擬合出Antoine常數(shù)。猜想可能是由于數(shù)據(jù)點不夠。 （2） 由圖3可得實測的蒸汽壓數(shù)據(jù)與利用文獻(xiàn)Antoine方程計算出的理論蒸汽壓數(shù)據(jù)非常接近，可以看出由在實驗所測溫度范圍內(nèi)Antoine能較好地擬合Ps和T的關(guān)系。 4．臨界點數(shù)據(jù)處理 實驗測得臨界參數(shù)：tc = 31.5℃ pc =7.38Mpa 臨界比容：(1)實驗測定值：Vc =△h/K=0.05/27.3504=1.828*10 -3m3/ kg (2)

18、按理想氣體狀態(tài)方程： Vc=1000RTc/(MPc)=1000*8.314*(273.15+31.5)/(44*7380000)=7.80 *10-3m3/ kg (3)按范德華方程：Vc=3000RTc/(8MPc)=3000*8.314*(273.15+31.5)/(8*44*738000)=2.925 *10-3m3/ kg (4)教材給的值：Vc=0.0942m3/kmol=2.141 *10-3m3/ kg 表格 5 臨界比容 實驗測定值 理想氣體狀態(tài)方程 范德華方程 理論值 臨界比容10 -3m3/ kg 1.828 7.80 2.925 2.141

19、 由上述數(shù)據(jù)可以看出，實驗測得的臨界比容要小于1、2計算結(jié)果，與按范德華方程計算得到的數(shù)據(jù)較為接近，用理想氣體模型推算出來的值則相差很大；實驗結(jié)果與實驗指導(dǎo)書所給的臨界參數(shù)值較為接近。 由化工熱力學(xué)教材內(nèi)容可知，理想氣體的臨界壓縮因子Zc為1，而范德華爾斯方程的臨界壓縮因子Zc=0.375，實際流體的Zc在0.23~0.29之間，明顯低于前兩者的Zc，故在一定的Pc、Tc下，由理想氣體方程和范德華爾斯方程計算的臨界比容Vc大于實際流體的Vc，反映了兩方程在描述實際流體P-V-T性質(zhì)方面有所不足，且說明臨界流體嚴(yán)重偏離理想流體狀態(tài)。 六、討論、心得 本次試驗的內(nèi)容主要為對CO2氣體

20、PVT關(guān)系的測試，及對其臨界狀態(tài)的觀測。 綜合上述各項實驗數(shù)據(jù)的處理和分析討論，實驗測得的數(shù)據(jù)所反應(yīng)的規(guī)律跟理論大體相符，其中存在一些小的偏差，偏差產(chǎn)生原因在上述處理過程中已給予討論，故于此不再贅述。 實驗中所測的數(shù)據(jù)點已能夠反映規(guī)律，但若時間允許每條等溫線可多測幾個數(shù)據(jù)點，特別是在曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的飽和氣液點附近，減小擬合的誤差。 參考文獻(xiàn)： [1]浙江大學(xué)化工系化學(xué)工程實驗指導(dǎo)書，2012.9 [2]陳新志等編著.化工熱力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.3:13~14,267~268 11 教育a