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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℃,7.8MPa时,比容V = 0.00124 m3/kg;
(2)实验测定本装置在25℃,7.8MPa(表压大约为7.7 MPa)时,CO2液柱高度为Δho (=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℃,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)
QY-RG31二氧化碳PVT关系测定装置
图1 二氧化塘PVT关系实验装置-----------
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(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25℃,7.8MPa下比容 V= Δho*A / m = 0.00124 m3/kg,K = m/ A =Δho/ 0.00124测量温度压力下比容 V=( h - ho)/(m/A)= Δh /K
5.测定低于临界温度下的等温线(t = 20℃或25℃)
(1)将恒温水套温度调至t = 20℃或25℃,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。
QY-RG31二氧化碳PVT关系测定装置
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℃,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℃)将恒温水套温度调至t =40℃,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____℃,大气压______MPa,毛细管内径顶端的刻度ho_____mm ,质面比常数K______



N
t =25℃ t =31.1℃ t =40℃
P/MPa Δh
/mm
V=
Δh
/K

现象
P/MPa Δh
/mm
V=
Δh
/K

现象
P/MPa Δh
/mm
V=
Δh
/K

现象
1                        
2                        
3                        
4                        
5                        
6                        
7                        
8                        
9                        
10                        
11                        
12                        
13                        
14                        
15                        
  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 Vc=RTc/Pc Vc= 3RTc/(8Pc)
0.00216      
六.实验数据处理
1.按25℃,7.8MPa时CO2液柱高度Δho(=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 Δh数据计算不同压力P下CO2的体积v,计算结果填入表1。
3.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25℃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25℃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40℃。
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25℃,7.8MPa时CO2液柱高度Δho。准确测出25℃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)。

CO2的物性数据
Tc =304.25K,Pc = 7.376 MPa, Vc= 0.0942 m3 / kmol , M=44.01
Antoine 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)
QY-RG31二氧化碳PVT关系测定装置
图3 CO2的PVT关系曲线

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