二氧化碳PVT关系的测定

PAGE\*MERGEFORMAT#实验2二氧化碳临界现象观测及PVT关系的测定实验目的了解CO2临界状态的观测方法，增加对临界状态概念的感性认识；加深课堂上所讲的纯流体热力学状态：汽化、冷凝、饱和态和超临流体等基本概念的理解；掌握CO2的PVT关系的测定方法，熟悉用实验测定真实气体状态变化规律的方法和技巧。实验原理对纯流体处于平衡态时，其状态P、V和T存在以下关系：F(P,V,T)=0或V=f(P,T)由相律，对纯流体，在单相区，其自由度为2,当温度一定时，体积随压力而变化；在二相区，其自由度为1，温度一定时，压力一定，仅体积发生变化。本实验就是利用定温的方法测定CO2的P和V之间的关系获得CO2的P-V-T数据。实验装置和流程实验装置由试验台本体、压力台和恒温浴及防护罩组成。(参见图1)试验台本体如图2所示。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有CO2气体的承压玻璃管(毛细管),CO2被压缩，其压力和容积通过压力台上的活塞杆的进退来调节。温度由恒温水套的水温调节，水套的恒温水由恒温浴供给。CO2的压力由压力台上的精密压力表读出(注意：绝对压力=表压+大气压)，温度由水套内精密温度计读出。比容由CO2柱的高度和质面比常数计算出。实验步骤按图1装好试验设备。接通恒温浴电源，调节恒温水到所的实验温度(以恒温水套内精密温度计为准)。加压前的准备----抽油充油操作关闭压力表及其进入本体油路的二个阀门，开启压力台上油杯的进油阀。摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。此时压力台上油筒中抽满了油。先关闭油杯的进油阀，然后开启压力表及其进入本体油路的二个阀门。摇进活塞杆，使本体充油。直至压力表上有压力读数显示，毛细管下部出现水银为止。如活塞杆已摇进到头，压力表上还无压力读数显示，毛细管下部未出现水银，则重复--(4)步骤。再次检查油杯的进油阀是否关闭，压力表及其进入本体油路的二个阀门是否开启。温度是否达到所要求的实验温度。如条件均已调定，则可进行实验测定。测定承压玻璃管(毛细管)内CO2的质面比常数K值由于承压玻璃管(毛细管)内的CO2质量不便测量，承压玻璃管(毛细管)内径(截面积)不易测准。本实验用间接方法确定CO2的比容。假定承压玻璃管(毛细管)内径均匀一致，CO2比容和高度成正比。具体方法如下：(1)由文献，纯CO2液体在25C,7.8MPa时，比容V=0.00124m3/kg;(2)实验测定本装置在25C,7.8MPa(表压大约为7.7MP@时，CO2液柱高度为△h。(=、°,h—25C,h-h0）。式中，h。--承压玻璃管（毛细管）内径顶端的刻度（酌情扣除尖部长度）7.8MPa下水银柱上端液面刻度。（注意玻璃水套上刻度的标记方法）图1CO2PVT关系实验装置（3）如m--CO2质量，A--承压玻璃管（毛细管）截面积，h—测量温度压力下水银柱上端液面刻度，K--质面比常数，3则25C,7.8MPa下比谷V=△ho*A/m=0.00124m/kg,K=m/A=△ho/0.00124测量温度压力下比容V=（h-h。）/（m/A）=△h/K测定低于临界温度下的等温线（t=20C或25C）（1）将恒温水套温度调至t=20C或25C,并保持恒定。（2）压力从4.0MPa左右（毛细管下部出现水银面）开始，读取相应水银柱上端液面刻度，记录第一个数据点。（3），提高压力0.3MPa,达到平衡时，读取相应水银柱上端液面刻度，记录第二个数据点。注意加压时，应足够缓慢的摇进活塞杆，以保证定温条件，此时，水银柱高度应稳定在一定数值，不发生波动。（4）按压力间隔0.3MPa左右，逐次提高压力，测量第三、第四……数据点，直到出现第一小滴CO?液体为止。（5）注意此阶段，压力改变后CO2状态的变化，特别是测准出现第一小滴CO2液体时的压力和最后一个CO2小汽泡刚消失时的压力以及相应水银柱上端液面刻度。此阶段压力改变应很小，要交替进行升压和降压操作，压力应按出现第一小滴CO2液体和最后一个CO2小汽泡刚消失的具体条件进行调整。(6)当CO2全部液化后，继续按压力间隔0.3MPa左右升压，直到压力达到8.0MPa为止。ZJ图2试验台本体1-高压容器，2-玻璃杯，3-压力油，4-水银，5-密封填料6-填料压盖，7-恒温水套，8-承压玻璃管，9-CO2，10-温度计测定临界等温线和临界参数，观察临界现象(1)将恒温水套温度调至t=31.1C，按上述5的方法和步骤测出临界等温线，注意在曲线的拐点(P=7.376MPa)附近，应缓慢调整压力(调压间隔可为0.05MPa),以较准确的确定临界压力和临界比容。(2)观察临界现象临界乳光现象保持临界温度不变，摇进活塞杆使压力升至Pc附近处，然后突然摇退活塞杆(注意勿使试验台本体晃动)降压，在此瞬间玻璃管内将出现圆锥型的乳白色的闪光现象，这就是临界乳光现象。这是由于CO2分子受重力场作用沿高度分布不均和光的散射所造成的。可以反复几次观察这个现象。整体相变现象临界点附近时，汽化热接近于零，饱和蒸汽线与饱和液体线接近合于一点。此时汽液的相互转变不象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为一个渐变过程；而是当压力稍有变化时，汽液是以突变的形式相互转化。汽液二相模糊不清现象处于临界点附近的CO2具有共同的参数(P,V,T),不能区别此时CO2是汽态还是液态。如果说它是气体，那么，这气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这液体又是接近气态的液体。下面用实验证明这结论。因为此时是处于临界温度附近，如果按等温过程，使CO2压缩或膨胀，则管内什么也看不到。现在，按绝热过程进行。先在压力处于7.4MPa(临界压力)附近，突然降压，CO2状态点不是沿等温线，而是沿绝热线降到二相区，管内CO2出现了明显的液面。这就是说，如果这是管内CO2是气体的话那么，这种气体离液相区很近，是接近液态的气体；当膨胀之后，突然压缩CO2时，这液面又立即消失了。这就告诉我们，这时CO2液体离汽相区也很近，是接近气态的液体。这时CO2既接近气态，又接近液态，所以只能是处于临界点附近。临界状态流体是一种汽液不分的流体。这就是临界点附近汽液二相模糊不清现象。测定高于临界温度的等温线(t=40C)将恒温水套温度调至t=40C，按上述5相同的方法和步骤进行。实验数据1不同温度下CO2P—V数据测定结果室温C,大气压MPa，毛细管内径顶端的刻度homm，质面比常数KNt=25Ct=31.1Ct=40CP绝/MPa△h/mmV=△h/K现象P绝/MPa△h/mmV=△h/K现象P绝/MPa△h/mmV=△h/K现象123456789101112131415等温实验时间=min等温实验时间=min等温实验时间=min表2CO2的临界比容Vc（m3/kg）值实验值Vc=RTc/PcVc=3RTc/(8Pc)0.00216实验数据处理按25C,7.8MPa时CO2液柱高度△h°（=h'-而）（m）,计算承压玻璃管（毛细管）内CO2的质面比常数K值。按表1△h数据计算不同压力P下CO2的体积v,计算结果填入表1。按表1三种温度下CO2PVT数据在PV坐标系中画出三条PV等温线。将实验得到的等温线与图3的等温线比较，二者的差异及引起差异的原因。估算25C下CO2的饱和蒸汽压，并与Antoine方程计算结果比较。思考题质面比常数K值对实验结果有何影响？为什么？分析本实验的误差来源，如何使误差尽量减少？为什么测量25C下等温线时，严格讲，出现第1个小液滴时的压力和最后一个小汽泡将消失时的压力相等？实验中注意事项实验压力不能超过8MPa,实验温度不高于40Co应缓慢摇进活塞螺杆，否则来不及平衡，难以保证恒温恒压条件。一般，按压力间隔0.3-0.5MPa左右升压。但在将要出现液相，存在汽液二相及汽相将完全消失以及接近临界点的情况下，升压间隔要很小，升压速度要缓慢。严格讲，温度一定时，在汽液二相同时存在的情况下，压力应保持不变。准确测出25C,7.8MPa时CO2液柱高度△h。。准确测出25C下出现第1个小液滴时的压力和体积（高度）及最后一个小汽泡将消失时的压力和体积（高度）。由压力表读得的数据是表压，数据处理时应按绝对压力（=表压+大气压）。参考文献RichardStephenson,HandbookoftheThermodynamicsofOrganicCompounds,1987南京化工大学编，化工热力学实验讲义，1998附CO2的物性数据Tc=304.25K,Pc=7.376MPa,Vc=0.0942m3/kmol,M=44.01Antoine方程：logPS=A-B/（T+C）,式中PS—kPa,T---K,A=7.76331,B=1566.08,C=97.87（273~304K）0O-itDL0,01216O.OO40,006o.oOR0.01Co.Q比容Y【七KG图3CO2的PVT关系曲线