实验2_双液相实验报告

-1-化工实验报告实验名称双元系液液相平衡实验班级化21姓名张腾学号2012011864成绩实验时间2014.11.26同组成员何佳倩1.实验目的（1）学习双元系液液相平衡测定的原理（2）绘制异丁醇-水体系相图，学会分配系数的计算（3）掌握基团贡献法计算液液相平衡的方法2.实验原理异丁醇与水部分互溶，恒压下二元液夜相平衡体系自由度f=1，因此确定了T，组成随之确定。恒温下，通过测定两相折光指数，便可查图获得平衡组成，并获得液液平衡情况。3.仪器设备与化学试剂（1）仪器设备恒温水浴，电磁加热搅拌器，阿贝折光仪，液液平衡釜，取样器和吸管。（2）化学试剂分析纯级异丁醇和去离子水，其部分物性如下表：表1异丁醇与水的物理性质沸点/oC折光系数𝑛𝐷25密度ρ(g/cm3)异丁醇107.81.39600.797水100.01.33250.9974.实验步骤（1）合上电闸，打开恒温槽，将温度恒定在30℃（2）开电磁搅拌开关（不要打开加热开关）并调节至适当的搅拌速度（3）观察平衡釜中的温度计，5min内温差不超过0.1℃，即停止搅拌（4）静置5min，继续观察有无温度变化。（5）仔细观察液液分界面，用清洁的吸管吸取上层清液，洗涤3次，再吸取上层样品，供折光分析用（注意，吸取样品时必须十分细心，防止上下液层有所混杂）（6）将下层取样器沿着铁架降至液液平衡釜底部，抽出玻璃棒，使下层清液流入下层取样管中，再用清洁的吸管插入下层取样管中，按吸取上层样品的方法取样（注意：吸管需干燥，清洁）（7）用阿贝折光仪分析样品，折光仪恒温25.5±0.1℃，取样两次取平均（注意：不要连续两次取同一相，以对原有平衡造成更大破坏，应按照上相、下相再上相、下相的顺序）（8）将釜内温度提高至40及50℃，重复上述工作。（9）实验完毕，关电源，将试液倒回回收瓶，做好清洁工作。5.实验数据记录及数据处理-2-5.1原始实验数据室温：20.7℃；大气压：101325Pa表2实验数据平衡温度/℃𝑛𝐷𝛼𝑥𝛼平均摩尔分数𝑛𝐷𝛽𝑥𝛽平均摩尔分数31.21.38970.59450.59781.34210.02300.02301.38980.60101.34210.023040.11.38940.57480.55841.34070.01970.02101.38890.54201.34180.022343.81.38890.54200.60431.34120.02090.02011.39080.66671.34060.019447.61.38900.54860.58141.34110.02060.02011.39000.61421.34070.0197注：α相是上部的醇相，β相是下部的水相。在25.5℃时，折光指数nD与异丁醇的摩尔分数χ1呈如下线性关系：水相：nD=0.41903x+1.33246x=(nD-1.33246)/0.41903醇相：nD=0.01524x+1.38064x=(nD-1.38064)/0.01524将摩尔分数转化为质量分数，得到不同温度下水-异丁醇共轭体系中的组成如下表：表2异丁醇-水体系质量分数平衡温度/K304.35313.25316.95320.75𝑤𝛼0.85930.83870.86260.8510𝑤𝛽0.08830.08100.07790.0779注：换算时取异丁醇的相对分子质量为74，水的相对分子质量为18。另有已知数据如下表：表4异丁醇-水体系质量分数平衡温度/K293.15333.15373.15393.15406𝑤𝛼0.8360.7720.7020.6150.37𝑤𝛽0.0850.06600.0930.1400.375.2绘制二元相图-3-图1异丁醇-水体系二元相图5.3计算异丁醇、水的分配系数分配系数K,其中α为醇相，β为水相；计算得不同温度下的分配系数如下，表5不同温度下异丁醇-水体系分配系数平衡温度/K分配系数304.3525.99313.2526.59316.9530.06320.7528.935.4UNIFAC法计算分配系数对于某组分的相平衡有：xx…………(1)分配系数：K利用UNIFAC理论，组分i的活度系数由两部分组成：-4-RiCiilnlnln…………(2)式中：Ci为组合部分的活度系数；Ri为剩余部分的活度系数。(1)组合部分：lnlnln2CiiiiiiiijiiiZqlxlxx…………(3)其中：iiijjjrxrx，iiijjjrqrq()(1)2iiiiZlrqr，Z=10（配位数）()iikkkrR，()iikkkqQ查文献1得各基团体积参数和表面积参数，计算如下：记异丁醇为组分1，水为组分2，醇相为，水相为。则在相中，120.90111(0.67440.44691.000)3.9235r，20.92r120.8481(0.5400.2281.200)3.664q，21.40q110(3.92353.664)(3.92351)1.6262l210(0.921.40)(0.921)2.322l9178.040.192.0664.39235.3664.39235.3120.921.400.08223.92353.6640.921.401111113.92353.92353.92350.92(1)3.00350.92xxxxx将以上参数代入（2）式，11211110.9178(3.00350.92)3.9235(1.6262.32)3.9235lnln18.32ln1.6263.00350.923.92353.00350.92cxxxxxx(2)剩余部分：]lnln[vln)i(kkk)i(kR1…………(4)其中，基团活度系数1化工过程综合实验P13表1-5，王保国，清华大学出版社-5-])ln(1[lnmnnmnkmmmmkmkkQ…………(5)其中：mmmnnnQXQX,imiimimiimxXx,exp()mnmnaT,exp()nmnmaT查文献1得到各基团相互作用参数如下：表6基团配偶能量参数amnnCH2OHH2OCH20644.61300.0OH328.2028.73H2O342.4-122.40利用表6数据，计算各基团相互作用参数如下：表7各基团相互作用参数计算相互作用参数CH2OHH2O304.35KCH21.00000.12030.0140OH0.34021.00000.9099H2O0.32461.49511.0000313.25KCH21.00000.12770.0158OH0.35071.00000.9124H2O0.33521.47811.0000316.95KCH21.00000.13080.0165OH0.35511.00000.9133H2O0.33951.47141.0000320.75KCH21.00000.13400.0174OH0.35941.00000.9143H2O0.34391.46461.0000各基团摩尔分数如下：表8各基团摩尔分数1化工过程综合实验P14表1-6，王保国，清华大学出版社m-6-基团𝑋𝑚CH3CH2CHOHH2O𝑋𝑚14x2x1114xx1114xx1114xx1114xx-111各基团面面积分数如下，表9各基团面积分数基团CH3CH2CHOHH2Om𝑥10.8255+1.3349𝑥1𝑥12.5926+4.1926𝑥1𝑥16.1404+9.9298𝑥1𝑥11.1667+1.8867𝑥11−𝑥11+1.6171𝑥1将表7、8、9的数据代入(5)式，计算各基团活度系数k；再将算得的k代入（4）式，计算出1lnR。将1lnC和1lnR代入(2)式，可以将活度系数1表示成只含1x（注：此处代指醇相中异丁醇活度1和浓度1x）的函数；同理可将水相中1表示成只含1x的函数。将（1）（2）联立即可计算分配系数K。利用ASPEN软件进行物性分析计算活度系数求算分配系数，最后求得理论分配系数如下：表10分配系数的计算值和理论值平衡温度/K计算值实验值相对误差%304.3523.4925.9910.6313.2522.9926.5915.7316.9524.0530.0625.0320.7523.2728.9324.35.5结果分析及实验小结可以明显看出，实验结果和理论计算的结果有相当大的偏差，误差产生的原因是多种多样的，主要可能存在的因素应该有：1、实验仪器的精确度过低，限制了最终的准确性。2、阿贝折射仪需要进行温度校正，而本次实验没有进行温度校正，室温与阿贝折射仪的要求温度相差5℃，可能造成较大偏差。3、人为因素的随机性可能产生随机误差，本次实验采集数据较少，出现大偏差的概率较大。总结本次实验，总体进行的很顺利，唯一一点失误在于刚开始使用阿贝折射仪的时候误将二级干涉认为是一级干涉，事后经过计算才发现与实际不相符，但此时已经进行了一组实验，没有办法再进行补救，曾试图利用光学原理进行换算未果，所以31.5℃的数据是利用了其他组的数据进行处理的。虽然是一次比较严重的失误，但也让我在实验过程中了解了实验仪器的原理，发现了更多的现象。在试验后的数据处理过程中，最为复杂的是利用UNIFAC模型计算分配系数，UNIFAC在数学上过于复杂，涉及参数非常多，这就给计算带来了很多不便，尝试过用MATLAB编写计-7-算程序计算，但是由于其形式过于复杂而放弃，最后是查阅了相关资料，利用ASPEN进行了物性分析，很快就得到了结果。6.思考题（1）试解释液相分层的原因。答：在一定温度压力下，水和异丁醇只能达到部分互溶，因此物质的量比在一定范围内的水的和异丁醇的混合物将会以异丁醇的水溶液和水的异丁醇溶液两种密度不同的形式存在，因此液相产生了分层。（2）使用分配系数来评价溶液的萃取性能。答：在低浓度范围内，分配系数为该溶质在两项中的浓度比，与温度、压力、以及溶质和两种溶剂的性质有关。分配系数与1相差越大，表明溶质在两液体中的浓度相差越大，说明溶质在溶解时对两种溶剂具有较高选择性。所用萃取剂的分配系数的值越大，萃取效果越好。本实验分配系数与1的差值较大，因此利用水萃取异丁醇是合理的。（3）讨论温度和压力对二元系液液平衡的影响。答：温度对二元系液液平衡的影响：当温度改变时，共轭溶液中的两个溶解度均会发生变化。在异丁醇-水体系中，溶解度均随温度升高而增大，即两项浓度逐渐接近；当温度升高到406K时，两相浓度相等，界面消失，两相合并为一相。即为在最高临界溶解温度以上完全互溶，在此温度以下部分互溶；有些部分互溶的双液系具有最低临界溶解温度，当温度低于临界温度时完全互溶，高于临界温度时部分互溶。也有些双液系同时具有最高临界溶解温度和最低临界溶解温度。压力对二元系液液平衡影响很小。（4）分析所测试验数据的准确测程度，说明造成误差的原因。实验结果误差较大，测量出的数据在相图的水相部分还能较好的符合相图，但在相图的油相部分偏差非常大。另外，后面计算出的分配系数K值也与实验值之间相差很大，存在较大的误差。推测实验误差原因：不同的温度采用了不用的仪器。测量误差，包括了测量过程中的人为操作误差及实验设备自身的读数误差。