应用化学毕业设计 萘甲苯二甲苯溶液的粘度测定与关联Word文档下载推荐.docx

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密度；

粘度

Abstract

Naphthaleneasfinechemicalandimportantrawmaterials,demandisverylarge.Viscosityanddensityofchemicalprocessdesignandoptimizationoftheindispensableisbasicforthephysicalpropertiesandthermodynamicdata,inthefluidflow,momentumtransfer,aswellasthedesignofreactorsizeisessential.Densityandviscosityhaveawiderangeofapplications,andnaphthalenedatawereextremelyscarce,soitisnecessarytomeasureitsdensityandviscosity.Accordingtothesolubilitiesofnaphthaleneintolueneandxyleneandthesurroundingtemperature,Inthispaper,thedensitiesandviscositiesofnaphthalene+tolueneandnaphthalene+xylenemixtureshavebeenmeasureedin293.15K~343.15K,naphthalenemolality,respectively,in0~0.50,0~0.30mol/kg.Therearemanymethodsformeasuringthedensityandviscosity,inthisstudy,Ihavemeasuredthedensityofmixedsolutionwith25mlpycnometercapillarytemperatureconditionsinthedetermination;

theviscositywithintrinsicviscosity,constanttemperaturewaterbathtocontroltemperaturefluctuations±

0.1K.Forthedensityandviscosityofthetwobinarysystem,Ihavedrawedaconclusionthatwhenthemolalityincrease,thedensityandviscosityincrease;

withthetemperatureincrease,contrarily,thedensityandviscositywilldecrease.MeanwhileIhavecalculatedtherelevanceamonganalysisofdensity,viscosity,temperatureandthecompositionofthesolution,alsoIhaveusedVogel-Tamman-Fulcher（VTF）equationforcorrelation,andobtaindtheequationparametersandARD,SDvalues.

Keywords:

naphthalene,toluene,xylene,density,viscosity

1前言

1.1萘的性质

萘为一种有机化合物,分子式C10H8,白色,易挥发并有特殊气味的晶体。

从炼焦的副产品煤焦油中大量生产,而用于合成染料、树脂等。

光亮的片状晶体，具有特殊气味。

密度1.162，熔点80.5℃，沸点217.9℃，凝固点80.5℃，闪点78.89℃，折射率1.58212（100℃），恒压燃烧热：

40264.1J/g（标准大气压，298.15K），恒容燃烧热：

40205J/g（标准大气压，298.15K）。

不溶于水，溶于乙醇和乙醚等，易挥发，易升华，溶于乙醇后，将其滴入水中，会出现白色浑浊。

1.2萘的应用

萘是精细化工中的重要原料，无色或白色有光泽的鳞片状单斜结晶，有溫和芳香氣味，粗萘有特殊的煤焦油样臭味；

熔点80.6℃，沸点219.9℃；

难溶于水，微溶于乙醇，易溶于醚及苯中。

能挥发并易升华，能水蒸汽蒸馏。

与空气形成爆炸性混合物；

爆炸极限0.9％－5.9％（体积）。

萘用于生产染料、树脂、溶剂、炸药、消毒剂、杀虫剂、防腐剂、防蛀剂和碳化照明气。

萘的催化氧化可以制得苯酐。

具体应用如下：

1.2.1萘系高效减水剂

我国工业萘消费中比例最大的是生产高效水泥减水剂。

萘系高效减水剂占高效减水剂总用量的约85%，占添加剂总用量的40%以上。

由于我国正处于大规模建设时期，加之奥运会、三峡工程、南水北调、青藏铁路等大型混凝土工程的拉动，萘系减水剂具有非常大的发展空间。

1.2.2染料和有机颜料

精萘的主要应用领域是染料及有机颜料中间体，产量最大的是2－萘酚和H酸。

我国已成为世界上最大的染料和有机颜料生产国，近年来 

生产技术和产品结构变化较大，但对精萘的需求总体呈平稳增长趋势。

1.2.3其他

萘在农用化学品和医药领域也有重要应用，这也是萘消费中增长最快的部分。

主要产品包括植物生长调节剂和除草剂、熏蒸剂、鞣革剂、饲料添加 

剂、计生药品等。

此外，以工业萘为原料还可生产一种重要的功能高分子材料聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），该产品早期市场主要是薄膜，潜在的市场用途包括柔性印刷线路板、电容器膜、薄膜开关、自动记录技术和可微波烘烤包装材料等。

另一种重要用途就是包装容器，此外它还是一种工业用纤维原料，有望成为优良的橡胶增强材料、工业电缆料以及造纸机套和过滤器用介质单丝等。

1.3溶液密度和粘度的测定

粘度和密度是重要的化工基础数据，是化工设计和过程优化中不可缺少的基础物性和热力学数据,在流体流动、动量传递以及设计反应器大小方面至关重要［9］。

密度、粘度应用广泛，但是萘作为重要的合成中间体，物性数据极其缺乏，而萘与其他液体的二元混合体系的密度、粘度等物性，目前为止尚无见文献报道。

因此测定此二元物系的粘度和密度具有重要的现实意义和理论价值。

1.3.1溶液密度的测定

密度是反映物质特性的物理量，物质的特性是指物质本身具有的而又能相互区别的一种性质。

溶液的密度等体积性质是计算热力学函数、建立状态方程、研究相平衡、探讨分子间相互作用以及技术研发、工程设计、过程优化不可缺少的基础数据。

但多元体系的密度等体积性质相当缺乏[2]。

密度的直接测量是通过直接测量物质的质量和所占的体积来进行的，而较方便和常用的则是利用阿基米德原理设计的仪器去测量液体物质的密度，由于存在容器或固态物质的真实体积难于准确测量，特别是温度变化时容器因膨胀或收缩也会引起体积发生变化，因此直接测量法往往变得更麻烦。

测量溶液密度的方法主要有比重瓶法，浮力法，U型管法和振动管密度计法[8-9]。

（1）比重瓶法

比重瓶法也称密度瓶法，是一种精度较高而且应用广泛的密度测量方法。

它是基于密度定义式，即测量待测物质的体积与同一体积该物质的质量而计算其密度。

具体操作步骤为：

①用天平称出空瓶时质量m1;

②空瓶装满标准液（一般用水）,用天平称出空瓶与水的总质量为m2;

③倒掉水装满被测液体,用天平称出空瓶与液体的总质量m3。

最后利用公式计算溶液密度。

这种方法的优点是测量精度主要决定于质量测定密度；

比重瓶中液体与空气隔绝，液体的蒸发和从空气中吸湿的可能性小；

对于易挥发性液体及粘度很大的液体密度的测量都适用；

测定所用液体量较小，一般为1-100毫升。

（2）浮力法

浮力法是根据阿基米德原理测定液体密度的方法。

浮力法精确度较低，但操作简便、迅速，所以工业上常用此法测定酸、碱、酒精溶液、糖、石油产品等液体密度或浓度。

常用仪器有比重球、比重计和比重天平。

这类仪器的刻度有两个特点：

一是密度愈小的刻度愈高（这是由于仪器在密度愈小的液体中浸入的体积愈大）；

二是刻度的距离不均匀，上面的刻度间隔大，下面的刻度间隔小。

测量时，将仪器放入被测液体中，等仪器浮立静止后，与液面相对齐的刻度，就是该种液体的密度值。

（3）U型管法

U型管法是利用在连通器中,液体不流动时,同一水平位置的压强相等的原理测量液体密度。

具体步骤为：

①将待测液体倒入U型管中;

②将水倒入U型管的另一管中;

③用刻度尺量出液柱h1和h2。

根据公式：

ρ液gh1=ρ水gh2计算出待测液体密度。

但此法要求待测液不溶于水，且待测密度需小于水的密度。

可用于有机物的测定。

（4）振动管密度计

振动管密度计是目前测定液体密度最好的方法，测量精度可达

g

，测量误差小于0.005%，振动管密度计是根据流动振动管内的液体质量变化（即密度变化）而改变振动管固有振动频率的原理工作的。

因此，当管内的液体密度变化时，振动管固有的振动频率发生变化，即管子中盛放的液体不同，管子振动的频率就不一样，当建立了振动频率与密度的定量关系后，就可以用来测定液体的密度。

1.3.2溶液粘度的测定

粘度是流体的一种重要传递性质或物理性质。

粘度能直接反映溶液内部溶质-溶质、溶质-溶剂之间相互作用的强弱、溶剂化状态、解离和缔合状态，在一定程度上也可预测大分子溶质在溶液中存在的立体构型[16]。

粘度数据用于化工计算的许多方面，如物料容器或反应器的设计、动力粘度的测定等。

粘度应用于许多工程问题中，如：

热传递、质量传递、流体流动工程等[17]。

从宏观是说，粘度不是一个热力学性质或状态函数，但从微观是看粘度也是由于分子运动和分子间相互作用力所产生的，与热力学性质无本质差别，在分子热力学领域，是可以与热力学相通的[18]。

它反映流体流动行为的特征，在流体力学、传热、传质等过程工程研究中占有重要地位，也是预测和计算溶液其它性质所必需的基础数据，还对认识溶质-溶剂之间的相互作用机制和探讨溶液结构具有重要的意义[19-21]。

由于理论的限制，由理论计算得到的粘度尚不太可靠。

常见的液体粘度测定方法有以下几种：

（1）毛细管法：

典型的粘度计为玻璃制毛细管型，是目前应用较广，较为重

要的一种粘度计，测量精度较高，范围较宽，温控容易，需用试料少，价格低廉，

但清洗困难。

毛细管法测定粘度的原理是基于Hgane一Poisueelie定律。

测定过程中，影响测定准确性的因素除温度、原料纯度等外，还应考虑流动在毛细管进出口处的阻力增加所带来的附加损失，进行末段修正，考虑流动过程中克服管壁摩擦力的动能损失，进行动能修正，同时测定过程应保证毛细管的垂直及充分的清洗。

（2）旋转法：

据旋转法制成的粘度计有双重圆筒型、单一圆筒型、圆板型、锥板型和双锥型等。

这种粘度计使用简单，测量迅速，便于连续测定，但结构复杂，价格较高。

（3）重力法：

粘度计有落体型和升泡型两类，适用于高温高压的介质，常于工业上，结构简单，操作方便，但误差较大。

（4）平板法：

据平板法制成的粘度计有带型、滑板型、倾斜板型等，适用常温常压下高粘度液体，不能连续测定。

另外还有振动法、光干涉法等[22]。

1.4本课题的研究内容

测定温度在293.15K至343.15K下，质量摩尔浓度分别为0.00至0.50mol/kg下，萘在甲苯中的密度和粘度。

测定温度在298.15K至343.15K下，质量摩尔浓度分别为0.00至0.30mol/kg下，萘在二甲苯中的密度和粘度。

根据密度的测定值计算分析密度、粘度与温度、溶液组成间的关系，并用Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）方程进行关联[9-11]；

Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）：

式中η为液体粘度，ρ为液体密度，m为萘在溶液中的质量摩尔浓度,T为温度，A、B、C、D为与温度、浓度无关的参数，由实验数据拟合。

2萘密度的测定与关联

2.1萘密度的测定原理

2.1.1实验方法的确定

由于比重瓶法精度较高，且实验过程可与粘度测定配套进行，故本研究采用比重瓶法测密度。

用带毛细管25ml的比重瓶在恒温条件下测定，比重瓶的体积用二次蒸馏水在每一个温度测定点下分别进行校正。

2.1.2实验原理

比重瓶是利用阿基米德原理设计的仪器，已知体积，测出物质质量，求其密度。

但由于容器真实体积在生产过程中存在偏差，并且当温度变化时容器因膨胀或收缩也会引起容积发生变化，因此要应用已知密度的参考液体（如水）进行校正后才能用于被测液体密度的测量。

实验所用仪器为带毛细管的25cm3比重瓶，在比重瓶中注满液体后，当用中间有毛细管的塞子塞住时，多余的液体就从毛细管溢出，这样瓶内盛有的液体体积就是固定的。

其体积用二次蒸馏水在每一个温度测定点下分别进行校正，水的密度取自实用化学手册[10]。

表2.1不同温度下水的密度

温度（K）

Ρ（Kg/m3）

293.15

998.2030

298.15

997.0430

303.15

995.6450

313.15

992.2120

318.15

990.2080

323.15

988.0300

333.15

983.1910

338.15

980.5460

343.15

977.7590

要测液体密度，可先称出比重瓶空瓶的质量m0，然后再分两次将相同温度下的二次蒸馏水和待测液体注满比重瓶，称出称出比重瓶与水及比重瓶和待测液的总质量m1，m2,根据溶液体积和质量可计算出相应温度下的溶液的密度。

实验结果按下式计算：

（2-1）

其中：

ρ——测定温度下，待测溶液的密度，g

；

ρ水——测定温度下水的密度，g

m0——空比重瓶的质量，g；

m1——测定温度下，比重瓶装满蒸馏水的质量，g；

m2——测定温度下，比重瓶装满待测溶液的质量，g。

每个实验点最少重复三次（可用三个比重瓶一组进行平行实验代替），取其平均值。

测量的不确定度依据国际《测量不确定度表示指南》，在95%置信水平下密度测定的不确定性为±

0.0002g

[11]。

2.1.3常见溶液密度的关联

流体的体积是工程设计和过程优化不可缺少的基础数据。

体积性质对设计反应器、建立状态方程、研究相平衡、探讨分子间相互作用有决定性的作用，流体力学和传热计算中也离不开体积性质。

但二元体系的体积性质相缺乏，三元和多元体系的体积性质更为稀少[12]。

液体密度与温度的关联式虽然被广泛使用，但其优劣的评选却很少见报道。

早在上世纪初就已使用简单而又可靠的温度多项式。

d=A+BT+CT2+DT3（2-2）

d=A+BT+CT2（2-3）

d=A+BT（2-4）

在接近临界点处，也曾采用下列形式的关联式：

（2-5）

式中Tc,dc分别为临界温度的临界密度,h,G为关联系数值。

溶液密度与溶液浓度、温度之间的关系多非简单的线性关系，常用经验或半经验方程关联。

多项式：

（2-6）

式中ρ为溶液密度；

m为溶液质量摩尔浓度；

c是与温度有关的方程参数，由实验数据拟合；

n为方程项数，经验试探确定[13-14]。

对密度与溶液组成和温度间的关系，利用Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）[16、26、27]方程进行关联，可计算表观摩尔体积等体积性质。

对于溶液条件下纯组分相态不同的三元体系，在二元体系超额焓的分子热力学模型基础上，可建立所研究体系密度的分子热力学模型，并能确定模型参数，研究出模型参数与温度及浓度的关系。

Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）：

（2-7）

式中ρ为溶液密度g·

cm-3;

m是1,4-萘醌的质量摩尔浓度，mol/kg；

T为绝对温度，K；

A、B、C、D为方程参数，由实验数据拟合，与温度、浓度无关。

标准偏差ARD和平均相对偏差SD的定义为：

（2-8）

（2-9）

式中Yexp和Ycal分别为实验值和计算值，p为数据点数，n为参数的个数。

将实验所得的粘度数据，按最小二乘法拟合后，用Matlab软件编程来处理，计算出Ycal及每个体系的标准偏差ARD和平均相对偏差SD。

2.2实验部分

2.2.1实验仪器

本实验所用仪器情况表2.2所示：

表2.2实验仪器一览表

实验设备名称

设备型号

生产厂家

低温恒温槽

DC-2006

上海比朗仪器有限公司

电子分析天平

FA2104A

上海精天电子仪器有限公司

精密温度计

0~50℃

上海金正仪表厂

带毛细管的比重瓶

25ml

郑州玻璃仪器厂　

恒温玻璃容器

2.2.2化学试剂

表2.3化学试剂一览表

实验化学试剂

试剂类别

萘

分析纯

天津石英钟厂霸州市化工分厂

二甲苯

天津市天力化学试剂有限公司

甲苯

洛阳昊华化学试剂有限公司

蒸馏水

2.2.3实验装置

测定密度的实验装置如图2.1所示，测定密度的实验装置与测定粘度的实验装置是一体的，共用低温恒温槽。

测定密度实验装置的主要部分是低温恒温槽的水箱。

将三个25ml带毛细管的比重瓶装入被测液体，放入低温恒温槽的水箱中，待温度稳定后，恒温足够时间（一般20min）,用分析天平测量不同温度下液体的密度。

图2.1密度测定的实验装置图

2.2.4实验装置的可靠性验证

为了验证上述实验方法和仪器的准确性，测定了293.15K下100%甲苯、正庚烷的密度和粘度数据，并与文献值进行比较，其结果列于表2.3，2.4中。

表2.4：

293.15K下100%甲苯、二甲苯的密度、粘度测定结果与文献值的比较

ρ/g

η/mpa·

s

Exp.

Lit.

0.8667

0.866

0.5963

0.590

0.8630

0.8567

0.6332

0.605

从表2.4，2.5中可看出，密度、粘度的测定值基本与文献值误差较小，说明该测量方法准确。

2.2.5实验方法及过程

搭好实验装置后，首先用蒸馏水标定比重瓶的体积。

每次实验前都要将比重瓶用蒸馏水洗涤，再用无水乙醇冲洗两遍，然后用烘箱烘干。

每次测量前配制待测溶液，样品用分析天平称量，按一定浓度配制好后存放在磨口容量瓶中。

将比重瓶装好待测溶液，放入恒温水槽。

恒温20分钟，恒温水浴的温度控制在±

0.1K，用精密温度计读取到±

恒温好后取出比重瓶，将外部水份擦干后称重，根据溶液的体积和质量可计算出相应温度下液体的密度。

每一个实验点最少重复三次，取其平均值。

分析天平的精度为0.0001g。

2.3实验结果与密度的关联

2.3.1密度的测量结果

实验分别测定了萘—甲苯，萘—二甲苯两个二元体系混合溶液在不同组成配比和不同温度下的密度，结果如表2.5、2.6所示：

表2.5：

萘—甲苯二元混合溶液的密度测定值

萘—甲苯体系密度测定值ρ（g/cm3）

m

T（K）

（mol/kg）

0.8667

0.8623

0.8577

0.8484

0.8391

0.8295

0.8250

0.8204

0.08458

0.8684

0.8638

0.8591

0.8499

0.8406

0.8313

0.8268

0.8225

0.1501

0.8693

0.8648

0.8601

0.8508

0.8415

0.8321

0.8275

0.8227

0.2251

0.8707

0.8663

0.8615

0.8522

0.8429

0.8334

0.8288

0.8241

0.2882

0.8718

0.8674

0.8627

0.8533

0.8441

0.8347

0.8301

0.8254

0.3682

0.8732

0.8687

0.8640

0.8547

0.8453

0.8358

0.8312

0.8266

0.4383

0.8742

0.8699

0.8653

0.8559

0.8466

0.8372

0.8325

0.8278

0.4994

0.8751

0.8710

0.8664

0.8571

0.8477

0.8382

0.8337

0.8290

表2.6：

萘—二甲苯二元混合溶液的密度测定值

萘—二甲苯体系密度测定值ρ（g/cm3）

0.8630

0.8586

0.8500

0.8457