化工专业实验讲义(1)

化工专业实验指导书

化工教研室编

徐州工程学院化工学院

2015年9月

目录

实验一 连续流动反应器中的返混测定 .......................................... 1 实验二 反应精馏法制乙酸乙酯 ................................................ 5 实验三 共沸精馏制备无水乙醇 ................................................ 8 实验四 硼氢化钠（钾）还原水中对硝基苯酚动力学测定 ......................... 12 实验五 超滤膜分离实验 ..................................................... 15 实验六 乙苯脱氢制苯乙烯 ................................................... 20 实验七 二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定 ............................... 24 实验八 二元汽—液平衡数据的测定 ........................................... 28

实验一 连续流动反应器中的返混测定

一、实验目的

1、了解平推流反应器、全混釜和多釜串联反应器的返混特性； 2、掌握利用电导率测定停留时间分布的基本原理和实验方法； 3、了解停留时间分布与多釜串联模型的关系。 二、实验原理

停留时间分布测定所采用的方法主要是示踪响应法。它的基本思路是：在反应器入口以一定的方式加入示踪剂，然后通过测量反应器出口处示踪剂浓度的变化，间接地描述反应器内流体的停留时间。常用的示踪剂加入的方式有脉冲输入、阶跃输入和周期输入等。本实验选用的是脉冲输入法。

脉冲输入法是在极短的时间内，将示踪剂从系统的入口处注入主体流，在不影响主流体原有流动特性的情况下随之进入反应器。与此同时，在反应器出口检测示踪剂浓度c(t)随时间的变化。整个过程可以用图３—１（a）形象地描述。

（a） 脉冲输入法

ccc0c0t

t

(b) 脉冲输入 (c) 出口响应

图１ 脉冲法测停留时间分布

脉冲输入法测得的停留时间分布代表了物料在反应器中的停留时间分布密度即E(t)。若加入示踪剂后混合流体的流率为Q，出口处示踪剂浓度为C（t），在dt时间里示踪剂的流出量为Qc(t)dt，由E(t)定义知E(t)dt是出口物料中停留时间在t与t+dt之间示踪剂所占分率，若在反应器入口加入示踪剂总量为m 对反应器出口作示踪剂的物料衡算，即

Qc(t)dt=mE(t)dt (1) 示踪剂的加入量可以用下式计算

m=?Qc(t)dt (2)

0?在Ｑ值不变的情况下，由（１）式和（２）式求出：

1

E(t)=

c(t)? F(t)=

? (3)

0c(t)dt关于停留时间的另一个统计函数是停留时间分布函数F(t)，即

??0E(t)dt (4)

用停留时间分布密度函数E(t)和停留时间分布函数F(t)来描述系统的停留时间，给出了很好的统计分布规律。但是为了比较不同停留时间分布之间的差异，还需要引入另外两个统计特征值，即数学期望和方差。

数学期望对停留时间分布而言就是平均停留时间t，即

?t＝

?_2i?0?0tE(t)dtE(t)dt＝?tE(t)dt (5)

0?方差是和理想反应器模型关系密切的参数，它的定义是：

???tE(t)dt?t2 (6)

202若采用无因次方差?则有???/t2对活塞流反应器???0,而对全混流反应器

2?2?2i_?_2???1;对介于上述两种理想反应器之间的非理想反应器可以用多釜串联模型描述。多釜2串联模型中的模型参数Ｎ可以由实验数据处理得到的??来计算。

N=

1?2? （７）

当Ｎ为整数时，代表该非理想流动反应器可以用Ｎ个等体积的全混流反应器的串联来建立模型。当Ｎ为非整数时，可以用四舍五入的方法近似处理，也可以用不等体积的全混流反应器串联模型。 三、试剂与仪器

饱和氯化钾溶液。连续流动反应器返混测定装置（2套）。 四、实验步骤

1、准备工作

注意：设备必须接好地线。

1） 将饱和KNO3液体注入标有KNO3的储瓶内，将水注入标有H2O的储瓶内。 2） 连接好入水管线，打开自来水阀门，使管路充满水。 3） 检查电极导线连接是否正确。

2

2、三釜串联返混实验

4） 将控制面板的乒乓开关，指向“釜1”.

5） 打开电导率仪，按下“测量/校正”按钮3秒使电导率仪处于测量状态，此时计算机软件上【工艺流程】中，各釜的测量值由“校正”变成数字。

6） 打开电磁阀电源。

7） 旋转三通阀，使示踪剂流向指向三釜。

8） 打开水泵电源，关闭流向直管部分的调节阀，打开流向三釜部分的调节阀。调节旁路阀，和转子流量计上方调节阀，调节水的流量在20L/h.

9） 打开搅拌调速器，使搅拌速度在300转/分左右。 10） 每天初次使用此设备应将电导率仪预热15~20分钟。

11） 在【实时采集】中，点“开始实验”，设定电磁阀开阀时间和操作员号。然后点击“确定”，使示踪剂以设定时间进入釜1中，同时计算机采集各釜出口的电导率值。示踪剂加入量以釜1出口电导率峰值为2.7mS/cm左右为宜。

12） 实验进行到釜3出口的电导率值和开始实验时釜3出口电导率相等后，即釜3出口电导率值不变时，停止实验。如釜1出口电导率峰值为2.7mS/cm，水流量为20L/h时，大约实验时间2400秒。

13） 反应结束，点击“停止实验”，然后再看到提示是否保存后，保存数据。 14） 在【历史记录】中点“打开”，找到保存的文件名。将打开数据文件。并得到实验结果。

15） 点“导出数据”可以将本次数据的结果导出以用户指定的文件名以Excel方式将实验数据和结果显示出来。

16） 以本次实验数据为例，加入示踪剂3.2秒，水流量20/h,釜1出口电导率峰值为2.74mS/cm，实验时间2400秒。实验结果如图。

3、直管返混性能实验

1） 将电气面板的乒乓开关，指向“直管”.

2） 打开电导率仪，按下“测量/校正”按钮3秒使电导率仪处于测量状态，此时计算机软件上【工艺流程】中，直管的测量值由“校正”变成数字。

3） 打开电磁阀电源。

3

4） 旋转三通阀，使示踪剂流向指向直管。

5） 打开水泵电源，关闭流向釜1部分的调节阀，打开流向直管部分的调节阀。调节旁路阀，和转子流量计上方调节阀，调节水的流量在20L/h.

6） 每天初次使用此设备应将电导率仪预热15~20分钟。

7） 在【实时采集】中，点“开始实验”，设定电磁阀开阀时间和操作员号。然后点击“确定”，使示踪剂以设定时间进入直管中，同时计算机采集直管出口的电导率值。示踪剂加入量以直管出口电导率峰值为2.7mS/cm左右为宜。

8） 实验进行到直管出口的电导率值和开始实验时直管出口电导率相等后，即直管出口电导率值不变时，停止实验。如直管出口电导率值为2.7mS/cm，水流量为20L/h时，大约实验时间200秒。

9） 反应结束，点击“停止实验”，然后再看到提示是否保存后，保存数据。 10） 在【历史记录】中点“打开”，找到保存的文件名。将打开数据文件。并得到实验结果。

11） 点“导出数据”可以将本次数据的结果导出以用户指定的文件名以Excel方式将实验数据和结果显示出来。

12） 以本次实验数据为例，加入示踪剂0.4秒，水流量20/h,釜1出口电导率2.74mS/cm，实验时间200秒。实验结果如图。

4、停车

（1） 实验完毕，将实验柜上三通阀转至“H2O”位置，将程序中“阀开时间”调到20秒左右，按“开始”按钮，冲洗电磁阀及管路。反复三、四次。

（2） 关闭各水阀门、电源开关，打开釜底或管式反应器底部排水阀，将水排空。 （3） 退出实验程序，关闭计算机。 五、数据记录与处理

表1 三釜串联返混的测定

流量： 电磁阀开启时间： 搅拌器转速

电导率 序号 时间 釜1 釜2 釜3 直管 平均停留时间 方差 无因次方差 模型参数 根据表1的数据，用excel或origin软件以各反应器出口电导率对t作图。用多级混合槽模型计算N。 六、思考题

1、示踪剂注入时间长短对返混测试结果有什么影响？ 2、搅拌转速对反应器的返混有什么影响？

4

实验二 反应精馏法制乙酸乙酯

一、实验目的

1、了解反应精馏是既服从质量作用定律又服从相平衡规律的复杂过程。 2、掌握反应精馏的操作。

3、能进行全塔物料衡算和塔操作的过程分析。 4、了解反应精馏与常规精馏的区别。 5、学会分析塔内物料组成。

二、实验原理

反应精馏过程不同于一般精馏，他既有精馏的物理相变之传递现象，又有物质变性的化学反应现象。两者同时存在，相互影响，使过程更加复杂。因此，反应精馏对下列两种情况特别适用：（1）可逆平衡反应。一般情况下，反应受平衡影响，转化率只能维持在平衡转化的水平；但是，若生成物中有低沸点或高沸点物质存在，则精馏过程可使其连续地从系统中排出，结果超过平衡转化率，大大提高了效率。（2）异构体混合物分离。通常因为它们的沸点接近，靠精馏方法不易分离提纯，若异构体中某组分能发生化学反应并能生成沸点不同的物质，这时可在过程中得以分离。

对醇酸酯化反应来说，适于第一种情况。但该反应速度非常缓慢，故一般都用催化反应方式。本实验是以醋酸和乙醇为原料，在硫酸催化下生成醋酸乙酯的可逆反应。反应的化学方程式为：

CH3COOH + C2H5OH——→CH3COOC2H5 + H2O

流程选用连续进料，但本实验采用塔釜间歇进料。 三、实验装置及试剂

反应精馏塔用玻璃制成，内径20mm，塔的填料高1 400mm，塔有侧口5个，最上口和最下口分别距塔顶和塔底均为200mm，侧口间距为250mm。塔内填装2×2mm不锈钢θ网环型填料。塔釜为四口烧瓶，容积为1000mL，塔外壁镀有透明导电膜，通电流使塔身加热保温。透明导电分上、下两段，每段功率240W。塔釜置于300W电热包中。塔顶冷凝液体的回流和采出比用摆动式回流比控制器控制。此控制系统由塔头上的摆锤、电磁铁线圈及回流比控制电子仪表组成。

实验所需冰乙酸、无水乙醇、浓硫酸为分析纯或化学纯。

5

反应精馏装置示意图

1-电加热套；2-玻璃塔釜；3-玻璃塔体；4-U管压差计；5-玻璃塔头；6-冷凝器；7-回流比分配器；

8-收集瓶；9-原料贮槽；10-进料泵；11-进料流量计；12-预热器；13-取样口

四、实验步骤

1、在塔釜内加入250~350g醇酸混合液（其中醇酸的摩尔比1.1~1.7，催化剂硫酸的含量为酸的0.5% ~ 1%），

2、打开总电源开关，开启测温电源开关和塔釜加热系统，设定好仪表的温度值（推荐温度为170 ~ 190℃），

3、当釜内物料开始沸腾时，打开塔身上、下两段透明保温的电源，顺时针调节电流给定旋钮，使电流维持在0.1~0.3A。开启塔顶冷凝水。

4、当塔顶摆锤上有液体出现时，进行全回流操作15分钟后，设定回流比为3：1，开启回流比控制电源。

5、30分钟后，用微量注射器在塔身三个不同部位取样，应尽量保证同步。测得塔内各组分浓度的分布曲线。

6、分别将0.5uL样品注入色谱分析仪，记录数据，注射器用后应用蒸馏水或丙酮洗清，以备后用。

7、重复5、6步操作。

8、实验操作约2h左右，关闭塔釜及塔身加热电源及冷凝水，关闭总电源，对馏出液及釜残液进行称重和色谱分析。 五、实验数据处理

6

自行设计实验数据记录表格。根据实验测得的数据，进行乙酸和乙醇的全塔物料衡算，计算塔内浓度分布、反应产率及转化率等，绘出浓度分布曲线图。 六、思考题

1、如何提高酯化收率？

2、什么是反应精馏？其特点是什么？可应用于什么样的体系？ 3、不同回流比对产物分布有何影响？

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实验三 共沸精馏制备无水乙醇

一、实验目的

1、通过实验加深对共沸精馏过程的理解； 2、熟悉精馏设备的构造，掌握精馏操作方法； 3、能够对精馏过程做全塔物料衡算； 二、实验原理

精馏是利用不同组份在气-液两相间的分配，通过多次气液两相间的传质和传热来达到分离的目的。对于不同的分离对象，精馏方法也会有所差异。例如，分离乙醇和水的二元物系。由于乙醇和水可以形成共沸物，而且常压下的共沸温度和乙醇的沸点温度极为相近，所以采用普通精馏方法只能得到乙醇和水的混合物，而无法得到无水乙醇。为此，在乙醇-水系统中加入第三种物质，该物质被称为共沸剂。共沸剂具有能和被分离系统中的一种或几种物质形成最低共沸物的特性，在精馏过程中共沸剂将以共沸物的形式从塔顶蒸出，塔釜则得到无水乙醇，这种方法就称作共沸精馏。

乙醇-水系统加入共沸剂苯以后可以形成四种共沸物。现将它们在常压下的共沸温度、共沸组成列于表1。为了便于比较，再将乙醇、水、苯三种纯物质常压下的沸点列于表2。

表1 乙醇水-苯三元共沸物性质

共沸物（简记） 乙醇-水-苯（T） 乙醇-苯（ABZ） 苯-水（BWZ） 乙醇-水（AWZ） 共沸点/℃ 64.85 乙醇 18.5 共沸物组成/wt% 水 7.4 苯 74.1 68.24 69.25 78.15 32.37 0.0 95.57

0.0 8.83 4.43 67.63 91.17 0.0 表2 乙醇、水、苯的常压沸点

物质名称（简记） 沸点温度（℃） 乙醇（A） 78.3

水（W） 100 苯（B） 80.2 从表1和表2列出沸点看，除乙醇-水二元共沸物的共沸物与乙醇沸点相近之外，其余三种共沸物的沸点与乙醇沸点均有10℃左右的温度差。因此，可以设法使水和苯以共沸物的方式从塔顶分离出来，塔釜则得到无水乙醇。

整个精馏过程可以用图1来说明。图中A、B、W分别为乙醇、苯和水的英文字头；ABZ,AWZ,BWZ代表三个二元共沸物，T表示三元共沸物。图中的曲线为25℃下的乙醇、水、苯三元共沸物的溶解度曲线。该曲线的下方为两相区，上方为均相区。图中标出的三元共

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沸组成点T是处在两相区内。

以T为中心，连接三种纯物质A、B、W及三个二元共沸点组成点ABZ、AWZ、BWZ，将该图分为六个小三角形。如果原料液的组成点落在某个小三角形内。当塔顶采用混相回流时精馏的最终结果只能得到这个小三角形三个顶点所代表的物质。故要想得到无水乙醇，就应该保证原料液的组成落在包含顶点A的小三角形内，即在ΔATABZ或ΔATAWZ内。从沸点看，乙醇-水的共沸点和乙醇的沸点仅差0.15℃，就本实验的技术条件无法将其分开。而乙醇-苯的共沸点与乙醇的沸点相差10.06℃，很容易将它们分离开来。所以分析的最终结果是将原料液的组成控制在ΔATABZ中。

图1中F代表未加共沸物时原料乙醇、水混合物的组成。随着共沸剂苯的加入，原料液的总组成将沿着FB连线变化，并与AT线交于H点，这时共沸剂苯的加入量称作理论共沸剂用量，它是达到分离目的所需最少的共沸剂量。

上述分析只限于混相回流的情况，即回流液的组成等于塔顶上升蒸汽组成的情况。而塔顶采用分相回流时，由于富苯相中苯的含量很高，可以循环使用，因而苯的用量可以低于理论共沸剂的用量。分相回流也是实际生产中普遍采用的方法。它的突出优点是共沸剂的用量少，共沸剂提纯的费用低。 三、装置、流程及试剂 1、装置

本实验所用的精馏塔为内径Ф20mm的玻璃塔，内部装有Ф2×2 mm不锈钢Θ网环填料，填料塔高度略高于1.2m。塔釜为四口烧瓶，容积为500mL，塔外壁镀有透明保温膜，通电流使塔身加热保温。实验所需能量由电加热套提供，塔釜置于250W电热套中。电热套、塔底、塔顶温度数均由数字智能仪表显示，实验中采用阿贝折光仪分析取样组分的含量。 2、流程

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1-电加热套 2-玻璃塔釜 3-玻璃塔体 4-U管压差计 5-玻璃塔头 6-冷凝器 7-回流比分配器 8-收

集瓶

3、试剂

实验试剂有95％乙醇（化学纯），99.5％苯（分析纯） 四、实验步骤

1、称取100g 95%的乙醇和一定量的苯（参考量为45g），加入塔釜，再放入几粒沸石。 2、向全凝器中通入冷却水，打开电源开关，开始塔釜加热。与此同时调节好超级恒温水浴的温度，使水浴内的循环水通过阿贝折光仪，并保证其在25℃下恒温。

3、待釜液沸腾，开启塔身保温电源，调节保温电流为0.2A左右（冬天适当大些），以使填料层具有均匀的温度梯度，保证全塔处在正常的操作范围内。

4、每隔15分钟记录一次塔顶和塔釜的温度，每隔20分钟用阿贝折光仪分析一次塔釜的釜液组成。也可以取塔釜汽相进行分析，然后根据汽-液平衡关系推出塔釜液相组成，这样可以排除试剂中少量杂质（高沸物）对折射率的影响。

5、对于间歇精馏，随着精馏过程的进行，塔釜液相组成不断变化，当釜液浓度达到99.5%以上时，就可停止实验。

6、将塔顶馏出物中放入分液漏斗内，静置5分钟，将分离后的富苯相和富水相分别称重。然后用阿贝折光仪测出各相的折射率值，再查表计算出两相各自的浓度。 7、用天平称出塔釜产品的质量。

8、切断设备电源，关闭冷却水，结束实验。 五、实验处理

1、作全塔物料衡算，求出塔顶三元共沸物的组成。

2、画出25℃下乙醇-水-苯三元物系的溶解度曲线，在图上标明共沸物的组成点，画出加

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料线，并对精馏过程作简要的说明。 六、思考题

1、如何计算共沸剂的加入量？

2、需要测出哪些量才可以作全塔的物料衡算？具体的衡算方法是什么？

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实验四 硼氢化钠（钾）还原水中对硝基苯酚动力学测定

一、实验目的

1、掌握用分光光度法测定溶液浓度变化的方法。 2、了解化学动力学实验和数据处理的一般方法。

3、加深理解反应速率方程、反应级数、速率系数、活化能等重要概念和一级动力学的特点。

二、实验原理

对硝基苯酚是化工生产中重要的有机合成原料，可用于生产医药、农药、和杀菌剂等。然而对硝基苯酚一旦进入环境，会对人和动植物造成危害。由于对硝基苯酚具有高毒性、能溶于水、性质稳定，是最难以治理的化合物之一。对硝基苯酚的还原产物对氨基苯酚的毒性相对低得多，同时对氨基苯酚也是重要的化工和医药中间体。将对硝基苯酚还原为对氨基苯酚，既能实现对硝基苯酚的降解，也能合成对氨基苯酚。因此，开发一种在水介质中处理对硝基苯酚的环境友好的技术是很有意义的。硼氢化钠（钾）作为还原剂在催化剂作用下可以将对硝基苯酚还原为对氨基苯酚：

NO2cat. NaBH4室温NH2

该方法具有条件温和、高效、快速和环境友好等优势。化学还原法使用的催化剂以贵

OHOH金属催化剂金、银为主。一般是将金或银分散在载体中，这样可以提高催化剂的活性，也便于催化剂回收利用。由于金、银是贵金属，其应用受到一定的限制。铋的毒性很低，是一种“绿色”金属。铋（III）盐也是安全、无毒的，常被设计成环境友好的催化剂。铜和钴对此反应也有催化活性。本实验拟采用四氧化三铁为载体，将铋盐、铜盐或钴盐负载后再还原得到Bi/Fe3O4、Cu/Fe3O4或Co/Fe3O4催化剂，将其用于硼氢化钠（钾）还原对硝基苯酚。

在紫外-可见光谱中对硝基苯酚溶液的特征吸收峰位于320 nm左右，加入硼氢化钠（钾）溶液后，溶液呈碱性，促进对硝基苯酚解离，其特征吸收峰出现在400 nm处。因此，在反应过程中主要检测400 nm处特征吸收峰的变化，判断反应进程。在硼氢化钠（钾）过量时，此反应可看作准一级反应，且对硝基苯酚的浓度和其吸光度成正比，因此有如下关系式：

ln(At/A0) = ln(ct/c0) = -kt

式中：k为表观速率常数；c0和ct分别为4-NP在t=0和t=t时刻的浓度；A0和At分别为4-NP在t=0和t=t时刻的吸光度。因此，通过测定不同时刻的吸光度可判断反应进程，也可求出反应速率常数k。

通过改变反应条件，并求出相应的k值，确定适宜的反应条件。改变反应温度，可求出活化能。根据阿伦尼乌斯公式：

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k?Ae?EaRT

可得：

EaRT

以lnk对1/T作图，根据直线的斜率可求出Ea。

lnk?lnA?三、试剂与仪器

对硝基苯酚溶液（40 mmol.L-1，1 L)【对硝基苯酚分子量为139。称取1.39 g对硝基苯酚，溶解后用250 mL容量瓶定容即得】；硼氢化钠（钾）（硼氢化钠分子量为37.8，硼氢化钾分子量为53.9）；五水硝酸铋（分子量485）；五水硫酸铜（分子量249.7）；六水氯化钴（237.9）；四氧化三铁。

分光光度计（2台）、集热式磁力搅拌器（6台）、250 mL烧杯（6）、量筒。 四、实验步骤 1、催化剂的制备

以10%的Cu/Fe3O4为例：称取0.39 g五水硫酸铜,用50 mL水溶液，搅拌均匀。加入1 g四氧化三铁，搅拌10 min，再加入0.3 g硼氢化钾，搅拌至基本无气泡。抽滤、水洗至中心、抽滤、乙醇洗、抽滤得催化剂。 2、反应过程

取10 mL 40 mmol.L-1的对硝基苯酚溶液加入烧杯中，再加水90 mL水，室温搅拌。称取0.216 g硼氢化钾溶解在50 mL水中后（按硼氢化钾与对硝基苯酚的摩尔比为10:1计），然后倒入烧杯中，搅拌均匀（观察颜色变化），取样，测其400 nm处的吸光度A0。

称取0.02 g催化剂加入到反应烧杯中，开始计时，每隔2 min取样。用针管抽取0.5 mL样品，注入比色皿中，再加3 mL蒸馏水，用蒸馏水作参比液测定其吸光度。直到吸光度接近0，停止反应。

改变硼氢化钾的用量，使硼氢化钾与对硝基苯酚的摩尔比分别为20:1、30:1、40:1，重复上述过程。

固定硼氢化钾与对硝基苯酚的摩尔比为30:1，在温度为室温加10 ℃和室温加20 ℃进行反应并检测。 五、数据记录与处理

表1 不同物料比下吸光度随时间的变化

催化剂用量： 室温：

2 4 6 8 10 12 时间 0 min 物料比 min min min min min min 10:1 20:1 30:1 40:1 14 min 16 min 18 min

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表2 温度下吸光度随时间的变化

催化剂用量：

时间 温度 0 min 2 min 4 min 物料配比：

10 12 6 min 8 min min min 14 min 16 min 室温 室温+10 ℃ 室温+20 ℃ 根据表1的数据，用excel或origin软件以 ln(At/A0)对t作图，对相关点拟合后得到直线，可由作图软件求出方差和直线的斜率。斜率的相反数即为k。 0.0-0.5-1.0ln(At/A0)EAdj. R-SquaEEBBCCDD -1.5-2.0-2.5-3.0-3.5051015Time/min 1 (10:1) 2 (20:1) 3 (30:1) 4 (40:1)2025

图1 硼氢化钠浓度对反应的影响

根据表2 的数据，用同样的方法作图，求出不同温度下的k。以不同温度下的lnk对1/T作图，得一直线，根据直线的斜率可求出反应的活化能。 lnk1/T

图2 不同温度下的lnk

六、思考题

1、改变物料配比，活化能会改变吗？

2、测定反应物料吸光度时为什么要精确配制待测液？

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实验五 超滤膜分离实验

一、实验目的

1、了解和熟悉超过滤膜分离的工艺过程； 2、了解膜分离技术的特点； 3、培养学生的实验操作技能。 二、分离机理

膜分离技术是近几十年迅速发展起来的一类新型分离技术。膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质与溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法。膜分离法可用于液相和气相。对于液相分离可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其它微粒的水溶液体系。膜分离包括反渗透、超过滤、电渗析、微孔过滤等。膜分离过程具有无相态变化、设备简单、分离效率高、占地面积小、操作方便、能耗少、适应性强等优点。目前，在海水淡化、食品加工工业的浓缩分离、工业超纯水制备、工业废水处理等领域的应用越来越多。超过滤是膜分离技术的一个重要分支，通过实验掌握这项技术具有重要的意义。

通常，以压力差为推动力的液相膜分离方法有反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)和微滤(MF)等方法。图1为各种渗透膜对不同物质的截留示意图。对于超滤（UF）而言，一种被广泛用来形象地分析超滤膜分离机理的说法是“筛分”理论。该理论认为，膜表面具有无数微孔，这些实际存在的孔径不同的孔眼象筛子一样，截留住了分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。

图1 各种渗透膜对不同物质的截留示意图 图2 超过滤工作原理示意图

最简单的超滤器的工作原理，如图2所示，在一定的压力作用下，当含有高分子（A）和低分子（B）溶质的混合液流过被支撑的超滤膜表面时，溶剂（如水）和低分子溶质（如无机盐类）将透过超滤膜，作为透过液被收集起来，高分子溶质（如有机胶体）则被超滤膜截留而作为浓缩液被回收。应当指出的是，若超滤完全用“筛分”的概念来解释，则会非常含糊。在有些情况下，似乎孔径大小是物料分离的唯一支配因素，但对有些情况，超滤膜材料表面的化学特性起到决定性的截留作用。如有些膜的孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子小，本不应具有截留功能，但令人意外的是，它仍具有明显的分离效果。由此可知，比较全面一些的解释是：在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等，将

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分别起着不同的截留作用。因此，不能简单地分析超滤现象，孔结构是重要因素，但不是唯一因素，另一重要因素是膜表面的化学性质。 三、实验设备、流程和仪器 1、实验设备：中空纤维超滤膜装置

（1）膜组件结构如图3所示

图3 中空纤维超滤膜组件

（2）膜组件技术指标

本装置为双组件结构，外压式流程。组件技术指标：

截留分子量：6000；膜材料：聚砜中空纤维膜，有机玻璃膜外壳，管路及管件为ABS塑料；

流量范围：10-50L/h；操作压力：<0.16MPa；适用温度：5-30℃；膜面积：0.5m2；组件外尺寸：Ф60×640mm；pH：1-14；

装置外形尺寸：长×宽×高=960×500×1900mm；

泵：不锈钢射流式自吸离心泵；电源：AC220V，50Hz；

预过滤器滤芯：材质为聚砜，精度5-10μ，若阻力增大，可以反吹。 2、实验流程如图4所示

C1储槽中的清洗水或C2储槽中的溶液经过水泵加压至预过滤器，过滤掉杂质后，经过流量计及水切换阀F20至F5、膜组件1或F6、膜组件2，透过液经F11或F10至视窗流入C4，未透过液经F12或F9至F13取样或F14流入溶液储槽C2中。C3中的保护液经F8和F21至F5和F6进入膜组件；排放保护液时，打开F7阀，保护液流入C5中。

3、实验仪器 722光栅分光光度计 四、实验物料及分析方法

1、实验物料

保护液：1%甲醛水溶液

聚乙二醇水溶液：液量25L（贮槽使用容积），浓度20mg/L

料液配制：取聚乙二醇0.5g置于1000ml的烧杯中，加入800ml水，溶解。在贮槽内稀释至25L，并搅拌均匀。

2、分析方法 (1) 分析试剂及物品

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聚乙二醇：MW20000；I2，KI，H3BO3

烧杯：100ml,5个；棕色容量瓶：500ml,2个；工业滤纸；蒸馏水。 容量瓶：50ml,21个，100ml,6个，1000ml,2个； 移液管：0.5、1、2、3ml各1支，5ml,3支，25ml,3支； 量液管：10ml,2支；量筒：100ml,1个；500ml,1个。

图4 中空纤维超滤膜分离流程图

符号说明：

C1－清洗水储槽，C2－溶液储槽，C3－保护液高位槽，C4－透过液储槽，C5－保护液受液罐，F1、F2－C2和C1的排液阀，F3、F4－C2和C1的出口阀，F5、F6－组件1和2的入口阀，F7－排液阀，F8－保护液阀，F9、F12－组件1和2的出口调节阀，F10、F11－组件1和2的透过液切换阀，F13－取样或排放阀，F14－未透过液循环阀，F15－串联阀，F16、F17－回流阀，F18－过滤器前阀，F19－过滤器排放阀，F20－水切换阀，F21－保护液切换阀，P-压力表。

(2)发色剂配制（教师配）

① 0.05 mol/L I2溶液：准确称量3.3 g I2、5 g KI，将其混合后放在研钵中，加入少量水研磨至溶解，然后将溶液放入烧杯中稀释后于500 mL 容量瓶中定容。

② 0.5 mol/L H3BO3溶液：准确称取30.915g H3BO3，在烧杯中溶解后转移到1000 mL 容量瓶中定容。

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(3) 分析操作

① 绘制标准曲线:准确称取在60℃下干燥4小时的聚乙二醇1.000g溶于1000mL容量瓶中（已配好），吸取5mL到100mL容量瓶中，定容得50mg/L标准溶液。然后分别吸取2、5、8、10、12、15、18、20mL于50mL容量瓶中，加入1mLI2 溶液和7.5mL H3BO3溶液，蒸馏水稀释至刻度。选用空白试剂（即标曲中0mg/L溶液加1mL I2 溶液和7.5mL H3BO3 溶液，稀释至刻度）为参比溶液，于波长520nm下，在722型分光光度计上测定吸光度（5min内完成），以聚乙二醇浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，绘制出标准曲线。

② 试样分析。取试样10mL置于50mL容量瓶中（透过液取40mL），分别加入加1mL I2 溶液和7.5mL H3BO3 溶液，加蒸馏水稀释至刻度，摇匀，测定吸光度，再从标准曲线上查浓度值。 五、实验步骤

1、排超滤组件中的保护液

为防止中空纤维膜被微生物浸蚀而损伤，不工作期间，在超滤组件内加入保护液。在实验前，须将保护液放净，倒入装甲醛的容量瓶中。保护液停止流动后即认为保护液排完。 2、清洗超滤组件

开泵水泵，用蒸馏水清洗膜组件，清洗完毕。将清洗液倒掉，清洗液不要流入原料贮槽中。 3、排水

排掉组件1、2及管路中的水。排完水后检查阀门开关状态。 4、分离测样

① 用干净烧杯取原料液样100mL，放置，待测吸光度和浓度。

② 打开阀F3、F5、F12、F13。用膜组件1分离物料。开泵，流量为10L/h。调节F12阀，压力0.02MPa，几分钟后，窗口中有透过液出现，这时准确记录时间。在 C4处用烧杯接透过液1分钟，测量体积，计算流量，在F13处用烧杯接未透过液1分钟，计算流量。用烧杯各取100mL原料液、透过液和未透过液，分别移取10mL原料液、未透过液和40mL透过液于50mL容量瓶中，测定吸光度。

③ 每隔20分钟取一次样，共取6次样，每次都要重新测量透过液和未透过液流量，重新取样测定吸光度。每次所取样都要标记清楚（如原料液0，原料液1，透过液1，未透过液1；原料液2，透过液2，未透过液2等）。

④ 改变流量（分别为10、15、20、25、30 L/h），重复步骤①、②、③（注意始终保持压力表1压力为0.02Mpa）；

⑤ 停泵，关闭F3，打开F4。 ⑥ 放掉膜组件及管路中的原料液。 5、清洗膜组件

待膜组件中的原料液流完后，用自来水代替原料液，在较大流量下运转20min左右。 6、加保护液

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Wilson方程：

Wilson方程二元配偶参数Λ12 ，Λ21采用非线型最小二乘法，由二元汽液平衡数据直接回归而得。目标函数

22? F???y?y?y?y??1计?j2计?j?1实2实???jnAntoine公式：logpis?Ai?三、实验装置

汽液平衡釜 四、实验步骤

Bi Ci?t1、配制不同浓度的乙醇(1)－环己烷(2)溶液

2、加热：接通电源，调节变压器，缓慢升温加热至釜液沸腾。 3、调节阿贝折光仪的循环水温至20或25度

4、记下平衡温度，用取样器同时取气液两相样品。

5、分析：将取下的样品用阿贝折光仪测定其折光指数，通过标准曲线图查x,y的值；或采用气相色谱分析检测

6、取样后，改变釜内的组成，重复上述步骤，进行第二组数据的测定，要求每组至少测四组平衡数据。 五、数据处理

1、将实验测得的平衡数据以表格形式列出

2、由实验测得几组T—x—y数据后，应用wilson方程在计算机上进行计算，求出配偶参数，再求出气相组成，并与实验值比较。 3、由实验值和计算值作出t－x—y图 六、思考题

1、实验中怎样判断汽液两相已达到平衡？ 2、影响汽液平衡测定准确度的因素有哪些？ 3、为什么要确定模型参数，对实际工作有何作用？

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膜组件中加入保护液，中空纤维膨胀，待膜组件中保护液加满后，关闭所有阀门。 7、将仪器清洗干净，放在指定位置，切断分光光度计的电源。实验结束。 六、数据处理

1、按下表记录实验条件和资料

流量： mg/L 压力（表压）： Mpa 温度： ℃ 实验 序号 起止 时间 原料液 浓度（mg/L） 透过液 未透过液 截留率 2、数据处理

（1）聚乙二醇的脱除率（截留率）

f?原料液初始浓度－透过液浓度?100%

原料液初始浓度f?C原i?1－C透iC原i?1i=1,6） ?100% （

（2）在坐标上绘出截留率---取样时间T的关系曲线。 七、思考题

1、试论述超过滤膜分离的机理。 2、超过滤组件中加保护液的意义？

3、实验中如果操作压力过高会有什么结果？ 4、提高料液的温度对超滤有什么影响？

5、阅读参考文献，回答什么是浓差极化？有什么危害？有哪些消除的方法？

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实验六 乙苯脱氢制苯乙烯

一、实验目的

1、了解以乙苯为原料，氧化铁系为催化剂，在固定床单管反应器中制备苯乙烯的过程。 2、学会稳定工艺操作条件的方法。

3、掌握乙苯脱氢制苯乙烯的转化率、选择性、收率与反应温度的关系；找出最适宜的反应温度区域。

4、了解气相色谱分析方法。 二、实验原理 1、本实验的主副反应

主反应：

副反应：

在水蒸气存在的条件下，还可能发生下列反应：

此外还有芳烃脱氢缩合及苯乙烯聚合生成焦油和焦等。这些连串副反应的发生不仅使反应的选择性下降，而且极易使催化剂表面结焦进而活性下降。 2、影响本反应的因素

（1）温度的影响

?lnKp?乙苯脱氢反应为吸热反应，?Ho＞0，从平衡常数与温度的关系式??????T?H0??RT2?p可知，

提高温度可增大平衡常数，从而提高脱氢反应的平衡转化率。但是温度过高副反应增加，使苯乙烯选择性下降，能耗增大，设备材质要求增加，故应控制适宜的反应温度。本实验的反应温度为：540~600℃。

（2）压力的影响

乙苯脱氢为体积增加的反应，从平衡常数与压力的关系式

P?Kp＝Kn=??总???n?i????可知，当

?γ＞0时，降低总压p总可使Kn增大，从而增加了反应的平衡转化率，故降低压力有利于平衡向脱氢方向移动。本实验加水蒸气的目的是降低乙苯的分压，以提高乙苯的平衡转化率。较适宜的水蒸气用量为：水﹕乙苯＝1.5﹕1(体积比)或8﹕1(摩尔比)。

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（3）空速的影响

乙苯脱氢反应系统中有平行副反应和连串副反应，随着接触时间的增加，副反应也增加，苯乙烯的选择性可能下降，故需采用较高的空速，以提高选择性。适宜的空速与催化剂的活性及反应温度有关，本实验乙苯的液空速以0.6h-1为宜。 3、催化剂

本实验采用氧化铁系催化剂，其组成为： Fe2O3-CuO-K2O3-CeO2。 三、试剂与仪器 乙苯。乙苯脱氢制苯乙烯实验装置（2套）。 图1 乙苯脱氢制苯乙烯实验流程图 TCI控温热电偶；TI-测温热电偶；PI-压力计 1——气体钢瓶；2——减压阀；3——稳压阀；4——转子流量计；5——取样器；6——干燥器；7——预热炉；8——预热器；9——反应炉；10——反应器；11——冷凝器；12——尾液收集器；13——湿式流量计；14——进料管；15——液体泵 技术指标：

1）液体流量：0.4~4ml/min。 2）操作压力： 0～0.16MPa。 3）催化剂填装量： 20～50ml。

4）最高使用温度预热器： 0～300℃；反应器 600℃ 四、实验步骤

反应条件控制：

汽化温度300℃，脱氢反应温度540和600℃，水：乙苯=2：1（体积体积比），相

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当于乙苯加料0.5毫升/分钟，蒸馏水1.0毫升/分钟。

操作步骤：

1) 了解并熟悉实验装置及流程，搞清物料走向及加料、出料方法。 2) 系统通氮气20l/h，打开气化室加热开关，并打开冷却水开关。 3) 打开反应器加热开关。

4) 将气化室和反应器温度控制设定在200℃，待反应器温度达到200℃后，5) 开始启动注水加料泵，同时调整流量（控制在1ml/min以内）。

6) 将气化室温度设定为300℃，反应器温度设定为500℃持续升温。并改变氮气流量为10l/h。

7) 温度升至500℃时，停止通入氮气，启动乙苯加料泵，流量控制在0.5ml/min。 8) 记录乙苯加料管内起始体积，并将积液灌放空。 9) 反应开始每隔10分钟取一次数据

10) 反应50分钟后停止进料改通氮气流量为10l/h 11）记录原料加入体积。 12）将粗产品取出后静置分层 13）称出油状液体质量

14）取少量样品进行气相色谱分析。

15）改变反应器温度为600℃后再加入乙苯，重复8~13，测得有关数据。

16）反应结束后，维持温度为500℃持续通入水蒸气，进行催化剂的清焦再生，半小时后停止加水，通入氮气并使反应器降温，至300℃以下时，可切断电源和冷却水，停通氮气。

五、数据记录与处理

根据实验内容自行设计记录表格，记录实验数据：

1、原始记录

室温： 大气压： 时间min 预热温度℃ 反应温度℃ 水进料量(ml/h) 乙苯进料量(ml/h) 油层（g） 水层（g） 注 2、分析结果 反应 温度 ℃ 乙苯进 料量 (ml/h) 精产品 苯 含量 ％ 质量 g 甲苯 含量 ％ 质量 g 乙苯 含量 ％ 质量 g 苯乙烯 含量 质量 g ％ 注 3、按下式处理数据

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原料中乙苯量－产物中乙苯量乙苯转化率＝?10000

原料中乙苯量生成苯乙烯量（mol)苯乙烯选择性＝10000

反应的乙苯量（mol)苯乙烯收率＝转化率x选择性

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实验七 二氧化碳临界状态观测及p-v-t关系测定

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、加深对课堂所讲工质的热力状态、凝结、汽化、饱和状态等基本概念的理解。 3、掌握CO2的p-v-t关系的测定方法，学会用实验测定实际气体状态变化规律的方法和技巧。

4、学会活塞式压力计、恒温器等部分热工仪器的正确使用方法。 二、实验内容

1、测定CO2的p-v-t关系。在p-v坐标图中绘出低于临界温度(t=20℃)、临界温度(t=31.1℃)和高于临界温度(t=40℃)的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析差异原因。

2、测定CO2在低于临界温度时，饱和温度与饱和压力之间的对应关系。 3、观测临界状态

(1) 临界状态时近汽液两相模糊的现象。 (2) 汽液整体相变现象。

(3) 测定的CO2的tc,pc,vc等临界参数，并将实验所得的vc值与理想气体状态方程和范德华方程的理论值相比较，简述其差异原因。 三、实验装置

实验装置由压力台、恒温器、试验本体、及其防护罩三大部分组成。

图1 试验台

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图2 试验台本体

四、实验原理

对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参效p、v、t之间有：F(p,v,t)=0 或 t=f(p,v)（1）。本试验就是根据式（1），采用定温方法来测定CO2p-v之间的关系，从而找出CO2的p-v-t的关系。

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了CO2气体的承压玻璃管。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，温度由恒温器供拾的水套里的水温来调节实验工质二氧化碳的压力，由装在压力台上的压力表读出，温度由插在恒温水套中的温度计读出，比容首先由承压玻璃管内二氧化碳柱的高度来度量，而后再根据承压玻璃管内径均匀、面积不变等条件换算得出。 五、实验步骤

1、装好实验设备，开启试验台本体上的日光灯

2、使用恒温器调定温度，对本体维持一定温度。一般先做低温条件下的实验，然后再做较高恒温条件下的实验。

3、应用活塞式压力计对玻璃容器中的二氧化碳进行加压。加压时要缓慢转动手轮，使活塞杆缓慢推进压力油进入本体。玻璃容器中的二氧化碳受压缩后体积逐渐减小，在此过程中随时记录各个不同压力下的二氧化碳体积数据，并注意观察纯物质的相变过程。在饱和点附近适当多记录一些数据。

4、测定t=20℃的低于临界温度的等温线

5、测定临界温度t＝30.10℃的等温线和临界参数，观察临界现象 6、测定t=40℃的高于临界温度的等温线

7、结束实验后，缓慢卸压，关闭循环水，拔下日光灯电源，整理好实验台。

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六、数据处理 1、计算仪器常数

由于充进承压玻璃管内的CO2质量不便测量，而玻璃管内径或界面（A）又不易测准，因而实验中采用间接办法来确定CO2的比容，认为CO2的比容ν与其高度是一种线性关系。具体如下：

1）已知CO2液体在20℃，9.8MPa时的比容ν（20℃，9.8MPa ）=0.00117m3/kg 2）如前操作实地测出本试验台CO2在20℃，9.8MPa时的CO2液柱高度Δh*(m)，（注意玻璃水套上刻度的标记方法）

?h??A3）由1)可知υ(20°c,9.8MPa)= =0.00117m3/kg

mm?h*??k(kgm2) A0.00117那么任意温度，压力下CO2的比容为

v??h?h? mhk式中 ?h?h?hf

2、将测得的数据整理成表，并在p-v图上作出等温线 3、应用RK方程进行体积数据推算，并与相应的实验值比较 4、对所测数据进行误差分析

图3 试验曲线关系

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七、注意事项

1、做各条定温线，实验压力p≤9.8Mpa，实验温度t≤50℃

2、一般取h时压力间隔可取0.196～0.490MPa，但在接近饱和状态时和临界状态时，压力间隔应取为0.049MPa。

3、实验中取h时，水银柱液面高度的读数要注意，应使视线与水银柱半圆形液面的中间对齐。

4、不要在气体被压缩的情况下打开油杯阀门，致使二氧化碳突然膨胀而溢出玻璃管外，水银则被冲出玻璃杯，卸压时应该慢慢退出活塞杆，使压力逐渐下降。

5、为保证二氧化碳的定温压缩和定温膨胀，除了要保证流过水套的水温恒定以外，加压（或减压）过程也必须足够缓慢，以免玻璃管内的二氧化碳温度偏离管外的恒定温度。 6、如果在玻璃管外或水套内壁附有小气泡妨碍观测，可以通过放、充水套中的水的办法将气泡冲掉。

7、挪动实验台本体要平移平放，以免玻璃杯内的水银倾入压力容器。 八、实验报告

1、简述实验原理及过程。 2、各种数据的原始记录。 3、计算并在p-v图上画出等温线。

4、将实验测得的饱和温度与饱和压力的对应与有关资料上数据进行比较，做p-t图。 5、将实验测得的临界比容vc与理论计算值列表比较其差异及原因。 6、实验讨论。

附：二氧化碳饱和线上的体积数据

t(℃) 10 15 20 25 30 30.04 p(MPa) 4.595 5.193 5.846 6.559 7.344 7.528 V’×103（m3/kg） 1. 166 1.223 1.298 1.417 1.677 2.318 V”×103(m3/kg) 7.52 6.32 5.26 4.17 2.99 2.14

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实验八 二元汽—液平衡数据的测定

汽液相平衡关系是精馏、吸收等单元操作的基础数据。随着化工生产的不断发展，现有汽液平衡数据不能满足需要。许多物系的平衡数据很难由理论直接计算得到，必须由实验测定。

平衡实验数据测定方法有两类，即直接法和间接法。直接法中又有静态法、流动法和循环法等。其中循环法应用最为广泛。若要测得准确的汽液平衡数据，平衡釜是关键。现已采用的平衡釜形式有多种，且各有特点，应根据待测物系的特征，选择适当的釜型。

用常规的平衡釜测定实验数据，需样品量多且测定时间长。本实验用的小型平衡釜主要特点是釜外有真空夹套保温，可观察釜内的实验现象且样品用量少，达到平衡速度快，因而实验时间短。 一、实验目的

1、测定常压下乙醇（1）－环己烷（2）二元汽液平衡数据

2、通过实验了解汽液平衡釜的构造，掌握二元汽液平衡数据的测定方法和技能。 3、对乙醇（1）——环己烷（2）在常压下测定的数据用Wilson方程回归得能量参数，对于所测数据的准确性进行校验。 二、实验原理和计算关联公式

根据汽液平衡原理，当汽液两相达到平衡时，除了两相的温度，压力相等之外，任一组在两相中的逸度必须相等。即 fiv?fil

?vy 汽相： fiv?p?ii液相： fil?fi0xi?i

v?对低压汽液平衡，其气相可以认为是理想气体混合物，即?i?1：若取体系温度，压

力下的纯组分作为标准态，再忽略它对液体逸度的影响，

则 fi0?fis?pis，从而得出汽液平衡下的关系式：

yip??ixipis

由实验测得等压下汽液平衡数据，则可由式?i?yips计算出不同组成下的活度系数。

xipi体系活度系数与组成关系可采用wilson方程或van Laar方程关联计算

???12?21ln?1??ln(x1??12x2)?x2????x1??12x2x2??21x1????21?12ln?1??ln(x2??21x1)?x1???x??xx??x?22111122?28

Wilson方程：

Wilson方程二元配偶参数Λ12 ，Λ21采用非线型最小二乘法，由二元汽液平衡数据直接回归而得。目标函数

22? F???y?y?y?y??1计?j2计?j?1实2实???jnAntoine公式：logpis?Ai?三、实验装置

汽液平衡釜 四、实验步骤

Bi Ci?t1、配制不同浓度的乙醇(1)－环己烷(2)溶液

2、加热：接通电源，调节变压器，缓慢升温加热至釜液沸腾。 3、调节阿贝折光仪的循环水温至20或25度

4、记下平衡温度，用取样器同时取气液两相样品。

5、分析：将取下的样品用阿贝折光仪测定其折光指数，通过标准曲线图查x,y的值；或采用气相色谱分析检测

6、取样后，改变釜内的组成，重复上述步骤，进行第二组数据的测定，要求每组至少测四组平衡数据。 五、数据处理

1、将实验测得的平衡数据以表格形式列出

2、由实验测得几组T—x—y数据后，应用wilson方程在计算机上进行计算，求出配偶参数，再求出气相组成，并与实验值比较。 3、由实验值和计算值作出t－x—y图 六、思考题

1、实验中怎样判断汽液两相已达到平衡？ 2、影响汽液平衡测定准确度的因素有哪些？ 3、为什么要确定模型参数，对实际工作有何作用？

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/pi5h.html