北京化工大学实验二二氧化碳的PVT测定报告.docx
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北京化工大学实验二二氧化碳的PVT测定报告
二氧化碳临界状态观测及P-V-T关系
测定实验报告
姓名：
学号：
班级：
实验日期：
同组人：
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、观察凝结和气化过程以及临界态附近的气液两相模糊现象。
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坐标系中绘出低于临界温度（t=27℃）、临界温度（t=31.1℃）和高于临界温度（t=50℃）的三条等温曲线，并与标准实验曲线及理论计算值相比较，并分析其差异原因。
（注：
每组同学测定一个等温曲线即可）
2、测定CO2在低于临界温度（t=27℃）饱和温度和饱和压力之间的对应关系，并与图四中的ts-ps曲线比较。
3、观测临界状态
（1）临界状态附近气液两相模糊的现象。
（2）气液整体相变现象。
（3）测定CO2的pc、vc、tc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瓦尔方程的理论值相比教，简述其差异原因。
三、实验设备及原理
整个实验装置由压力台、恒温器和实验台本体及其防护罩等三大部分组成（如图一所示）。
图一试验台系统图
图二试验台本体
试验台本体如图二所示。
其中1—高压容器；2—玻璃杯；3—压力机；4—水银；5—密封填料；6—填料压盖；7—恒温水套；8—承压玻璃杯；9—CO2空间；10—温度计。
、
对简单可压缩热力系统，当工质处于平衡状态时，其状态参数P、V、T之间有：
F（P,V,T）=0或V=f（T,V）
（1）
本实验就是根据式
（1），采用定温方法来测定CO2的P-V-T关系，从而找出CO2的P-V-T关系。
实验中，压力台油缸送来的压力由压力油传入高压容器和玻璃杯上半部，迫使水银进入预先装了CO2气体的承压玻璃管容器，CO2被压缩，其压力通过压力台上的活塞杆的进、退来调节。
温度由恒温器供给的水套里的水温来调节。
实验工质二氧化碳的压力值，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测量，而后再根据承压玻璃管内径截面不变等条件来换算得出。
四、实验步骤
1、按图一装好实验设备，并开启实验本体上的日光灯（目的是易于观察）。
2、恒温器准备及温度调节：
（1）、把水注入恒温器内，至离盖30～50mm。
检查并接通电路，启动水泵，使水循环对流。
（2）、把温度调节仪波段开关拨向调节，调节温度旋扭设置所要调定的温度，再将温度调节仪波段开关拨向显示。
（3）、视水温情况，开、关加热器，当水温未达到要调定的温度时，恒温器指示灯是亮的，当指示灯时亮时灭闪动时，说明温度已达到所需要恒温。
（4）、观察温度，其读数的温度点温度设定的温度一致时（或基本一致），则可（近似）认为承压玻璃管内的CO2的温度处于设定的温度。
（5）、当所需要改变实验温度时，重复
（2）～（4）即可。
3、加压前的准备：
因为压力台的油缸容量比容器容量小，需要多次从油杯里抽油，再向主容器管充油，才能在压力表显示压力读数。
压力台抽油、充油的操作过程非常重要，若操作失误，不但加不上压力，还会损坏试验设备。
所以，务必认真掌握，其步骤如下：
（1）关压力表及其进入本体油路的两个阀门，开启压力台油杯上的进油阀。
（2）摇退压力台上的活塞螺杆，直至螺杆全部退出。
这时，压力台油缸中抽满了油。
（3）先关闭油杯阀门，然后开启压力表和进入本体油路的两个阀门。
（4）摇进活塞螺杆，使本体充油。
如此交复，直至压力表上有压力读数为止。
（5）再次检查油杯阀门是否关好，压力表及本体油路阀门是否开启。
若均已调定后，即可进行实验。
4、作好实验的原始记录：
（1）设备数据记录：
仪器、仪表名称、型号、规格、量程、等。
（2）常规数据记录：
室温、大气压、实验环境情况等。
（3）测定承压玻璃管内CO2质量不便测量，而玻璃管内径或截面积（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
与其高度是一种线性关系（为什么）。
具体方法如下：
a）已知CO2液体在27℃，9MPa时的比容
（27℃，9Mpa）=0.00128m3·㎏。
b）实际测定实验台在27℃，9Mpa时的CO2液柱高度Δh0（m）。
（注意玻璃管水套上刻度的标记方法）
c）∵
（27℃，9Mpa）=
∴
其中：
k——即为玻璃管内CO2的质面比常数。
所以，任意温度、压力下CO2的比容为：
（m3/kg）
式中，Δh=h-h0
h——任意温度、压力下水银柱高度。
h0——承压玻璃管内径顶端刻度。
5、测定低于临界温度t=27℃时的等温线。
（1）将恒温器调定在t=27℃，并保持恒温。
（2）压力从4.4MPa开始，当玻璃管内水银柱升起来后，应足够缓慢地摇进活塞螺杆，以保证等温条件。
否则，将来不及平衡，使读数不准。
（3）按照适当的压力间隔取h值，直至压力p=9MPa。
（4）注意加压后CO2的变化，特别是注意饱和压力和饱和温度之间的对应关系以及液化、汽化等现象。
要将测得的实验数据及观察到的现象一并填入表1。
（5）测定t=25℃、27℃时其饱和温度和饱和压力的对应关系。
6、测定临界参数，并观察临界现象。
（1）按上述方法和步骤测出临界等温线，并在该曲线的拐点处找出临界压力pc和临界比容
c，并将数据填入表1。
（2）观察临界现象。
a）整体相变现象
由于在临界点时，汽化潜热等于零，饱和汽线和饱和液线合于一点，所以这时汽液的相互转变不是象临界温度以下时那样逐渐积累，需要一定的时间，表现为渐变过程，而这时当压力稍在变化时，汽、液是以突变的形式相互转化。
b）汽、液两相模糊不清的现象
处于临界点的CO2具有共同参数（P,V,T），因而不能区别此时CO2是气态还是液态。
如果说它是气体，那么，这个气体是接近液态的气体；如果说它是液体，那么，这个液体又是接近气态的液体。
下面就来用实验证明这个结论。
因为这时处于临界温度下，如果按等温线过程进行，使CO2压缩或膨胀，那么，管内是什么也看不到的。
现在，我们按绝热过程来进行。
首先在压力等于7.64Mpa附近，突然降压CO2状态点由等温线沿绝热线降到液区，管内CO2出现明显的液面。
这就是说，如果这时管内的CO2是气体的话，那么，这种气体离液区很接近，可以说是接近液态的气体；当我们在膨胀之后，突然压缩CO2时，这个液面又立即消失了。
这就告诉我们，这时CO2液体离气区也是非常接近的，可以说是接近气态的液体。
既然，此时的CO2既接近气态，又接近液态，所以能处于临界点附近。
可以这样说：
临界状态究竟如何，就是饱和汽、液分不清。
这就是临界点附近，饱和汽、液模糊不清的现象。
7、测定高于临界温度t=50℃时的定温线。
将数据填入原始记录表1。
五、实验结果处理和分析
1、按表1的数据，如图三在P-V坐标系中画出三条等温线。
表1：
CO2等温实验原始记录
t=27°C
t=31.1°C
p/MPa
h/mm
Δh/mm
v/（m3/kg）
p/MPa
h/mm
Δh/mm
v/（m3/kg）
3
38
322
0.01374
3
30
330
0.01408
4
127.5
232.5
0.00992
4
125
235
0.01003
5
196.4
163.6
0.00698
5
186
174
0.00742
5.6
224.6
135.4
0.00578
5.4
205
155
0.00661
6.2
251.1
108.9
0.00465
6
231
129
0.00550
6.39
254.8
105.2
0.00449
6.8
263
97
0.00414
6.8
300
60
0.00256
7.4
288
72
0.00307
7.4
325.9
34.1
0.00145
8
321
39
0.00166
8
328.3
31.7
0.00135
9
330
30
0.00128
以第四组数据为例：
图三标准曲线
2、将实验测得得等温线与图三所示的标准等温线比较，并分析它们之间的差异及原因。
答：
可以观察到所得图能够大体上反映出标准图的整体趋势，较为相似。
然而实验所得图较为粗糙，不如标准图那么光滑、美观。
造成原因：
由于读取的数据不够多，数据点不够均匀分隔较大，会造成拟合时效果不好。
另外，在读数过程中由于读数误差也会造成图像一定程度的偏离。
泡点、临界点的现象不易准确观察到，且受仪器限制较大都是造成偏差的原因。
3、将实验测得的饱和温度与压力的对应值与图四给出的ts-ps曲线相比较。
答：
ts=27°C，ps=6.39MPa；ts=31.1°C，ps=7.4MPa，与曲线比较有一定误差，但在合理范围之内。
4、将实验测定的临界比容
c与理论计算值一并填入表2，并分析它们之间的差异及其原因。
标准值
实验值
Vc=RTc/Pc
Vc=3/8
0.09504
0.15508
0.3418
0.118
表2：
临界比容Vc[m3/kmol]
答：
临界比容Vc比较：
Tc=304.25K Pc=7.4MPa
实验测定Vc=0.15508m3/kmol
理想状态气体方程Vc=RTc/Pc=0.3418m3/kmol
范德华方程Vc=0.118 m3/kmol
可以得出理想气体方程Vc>范德华方程Vc>实验测定Vc
说理想气体偏离实际气体最为严重，范德华方程虽然经过体积和压力修正但仍与实际气体存在。
理想气体压缩因子Zc=1,范德华方程Zc=0.375，而实际的多数流体Zc在0.23-0.29之间，因此算出结果会比实际结果偏差很多。
另一方面，由于对实验器材的本身偏差和操作不是非常精确，导致临界点温度测定较为粗糙，与理论值有较大差距。
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