二氧化碳PVT关系的测定.docx

实验2二氧化碳临界现象观测及PVT关系的测定一． 实验目的1．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；2．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；3．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 和技巧二． 实验原理对纯流体处于平衡态时，其状态参数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数据三． 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四． 实验步骤1．按图 1装好试验设备2．接通恒温浴电源，调节恒温水到所要求的实验温度（以恒温水套内精密温度计为 准）3．加压前的准备 抽油充油操作（1） 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2） 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3） 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4） 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5） 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 （1）--（4）步骤6） 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4. 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 25°C, 7.8MPa 时，比容 V = 0.00124 m^kg；（2） 实验测定本装置在25C，7.8MPa （表压大约为7.7 MPa）时，CO2液柱高度为Ah。

h'-h0)式中，ho--承压玻璃管(毛细管)内径顶端的刻度(酌情扣除尖部长度)，h'—25°C, 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1 CO2 PVT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，则 25C, 7.8MPa 下比容 V = Aho *A / m = 0.00124m^kg，K = m/ A =Aho / 0.00124测量温度压力下比容 V = ( h - ho)/ (m/A) = Ah/K5. 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CO2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为止恒逞水一图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6. 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 = 31.1°C，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a. 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b. 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c. 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 7.4 MPa （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7. 测定高于临界温度的等温线（t = 40°C）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五. 实验数据记录表 1 不同温度下 CO2 P—V 数据测定结果室温—C，大气压 MPa，毛细管内径顶端的刻度ho mm，质面比常数K 131415等温实验时间= min等温实验时间= min等温实验时间= min表2 CO2的临界比容Vc (m3/kg)标准值实验值V =RTc/PccV = 3RTc/ (8Pc)c0.00216六． 实验数据处理1. 按25°C, 7.8MPa时CO2液柱高度Ah°(=h'-h0) (m),计算承压玻璃管(毛细管)内CO2的质面比常数K值2. 按表1 Ah数据计算不同压力P下CO2的体积v,计算结果填入表13. 按表1三种温度下CO2 PVT数据在PV坐标系中画出三条PV等温线4. 将实验得到的等温线与图3的等温线比较,分析二者的差异及引起差异的原因5. 估算25C下CO2的饱和蒸汽压，并与Antoine方程计算结果比较七. 思考题1. 质面比常数K值对实验结果有何影响？为什么？2. 分析本实验的误差来源,如何使误差尽量减少？3. 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？八. 实验中注意事项1. 实验压力不能超过8 MPa，实验温度不高于40C。

2. 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3. 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4. 准确测出25C，7.8MPa时CO2液柱高度Ah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)5. 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)九. 参考文献1. Richard Stephenson， Handbook of the Thermodynamics of Organic Compounds，19872. 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 = 7.376 MPa， Vc= 0.0942 m3/ kmol , M=44.01Antoine 方程：log Ps =A-B/ (T+C)，式中 PS—kPa， T---K，A = 7.76331， B = 1566.08， C = 97.87 (273~304 K)o a -luL 0.007.1 f, 0 -DUd0.03&□.邓 Q-Oio o.i比窩 ¥ (B^Kg]图3 CO2的PVT关系曲线。