汽液平衡是一种状态, 其中纯组分或混合物存在于液体和蒸气相, 具有机械和热平衡, 在两相之间没有净传质。蒸气和液体被重力和热量分开 (图 1)。液体混合物入系统 , 被投入真空状态与真空泵浦。蒸气凝结, 并返回与液体混合, 然后传递回沸腾室。沸点的差异会导致混合物的分离。水的沸点比增加的组分高, 因此挥发性组分开始蒸发。

图 1: 仪器的描述

活动系数的定义是一个组分的逸在一个实际的混合物的比例, 以逸的理想溶液的相同成分。逸是一种用于显示标准状态下化学势的差异的属性。气相 fugacities 可以用一个逸系数来表示 [φ: f_i^V = φ_i y_我f i^0V , 与 y_i = 摩尔分数 i 在蒸气阶段, 和 f_i^0V = 蒸气标准状态逸 (纯组分蒸气的逸在 T 和 P)。对于低压力, 在本实验中, φ _i = 1 和 f_i^0V = p. 液相 fugacities 可以用一个活动系数γ_i: f_i^L = γ i x_i f^0L , 具有 x_i = 在液相中 i 的摩尔分数, 和 f_i^0L = 液体标准状态逸。

在饱和压力 (p_i^s), 纯组分液体逸将是 P_i^s, 因为纯净的蒸气和液体在平衡。由于液体 fugacities 仅是压力的微弱函数, 我们可以在 T 和 p (f_i^0L) 上将纯组分液体逸近似为 p_i, 只要 p_i^s和 p 之间的差异不大。这种近似通常被称为 "忽略印校正"。如果实验者使用汽仪器来测量处于平衡状态的蒸气和液体的成分, 实验者可以直接计算所提供的活动系数来测量 p 和 t. 必须测量, 以确定 p_i^S为所有 i。

汽装置的心脏, 在这个实验中用来确定混合物的成分, 是一种科特雷尔泵, 它将沸腾的液体 "吐出" 到一个井绝缘的平衡室。两个磁性操作的取样阀允许提取液体和冷凝气样品。一个大的水库有助于抑制系统中的压力脉冲, 作为关闭控制阀开关, 并由科特雷尔泵引起的波动。一个缓慢的泄漏可以用来创造一个平衡的空气的退出率和空气的输入率保持恒定的压力, 如果必要的。

一个类似的方法来解决汽液平衡是使用各种模型。拉乌尔定律、道尔顿定律和亨利定律都是能找到汽液平衡浓度数据的理论模型。所有三种模型都与部分压力、总压强和物质的摩尔分数的比例有关。威尔逊的方程式已被证明是准确的混溶液体, 而不是过于复杂。此外, 威尔逊的模型纳入活动系数, 以考虑偏离理想值。

数据的活动系数不显示每个组件的平均值的显著偏差 (表 1)。这是意料之中的, 因为对于中间成分的组合没有大的变化。然而, 近1的成分有γ的近1。低成分成分具有较高的γ。成分浓度最高的混合物, 这将有一个减少的偏差, 因此它将更接近理想 (γ = 1)。在混合物中浓度较低的成分会有更高的偏差, 因此它们的γ将大于1。

表 1: 每个实验数据的抽样结果。

数据符合威尔逊模型参数, 计算系数 (表 2)。在实验和威尔逊方程 (1) 的活动系数之间, 简单地减少了平方残差的总和。这是使用 Excel 的 "规划求解" 函数实现的。所示的奇偶性图将威尔逊方程模型活动系数与实验发现的活动系数联系起来。计算了实验活动系数, 并与计算模型系数进行了图解比较。

表 2: 将数据拟合到威尔逊模型参数的结果。

(1)

找到的参数值是最佳匹配 (表 3)。理想地相关是沿 y = x 线;但是, 找到了与理想场景类似的显著关联 (图 2)。数据的活动系数没有显示出与预期的每个组件的平均值有明显的偏差。实验和威尔逊方程活动系数的平方残差的减少与 Excel 的求解函数一起使用。奇偶性图将威尔逊方程模型活动系数与实验发现的活动系数联系起来。

表 3: 带水 (a)、甲醇 (b) 和国际音标 (c) 的模型参数。将实验值与预期值进行比较。

图 2: 描述实验活动系数与模型活动系数之间的相关性.

实验证明了甲醇-异丙醇-水蒸气-液体混合物在恒定的 P = 700 毫米汞柱上的平衡, 以及如何测量温度和成分, 以及计算活动系数。按预期, 数据的活动系数与每个组件的平均值没有明显的偏离。实验和威尔逊方程活动系数的平方残差的减少与 Excel 的求解函数一起使用。奇偶性图将威尔逊方程模型活动系数与实验发现的活动系数联系起来。

在石油工业中, 蒸馏是石油产品分离的主要过程。许多炼油厂使用蒸馏原油¹。轻烃被分离从更重的微粒, 分离基于沸点¹。像气体油这样的重油收集在较低的板块, 而像丙烷和丁烷这样的轻质材料上升到¹。碳氢化合物, 例如汽油、喷气机和柴油燃料, 被分离¹。此过程经常重复多次, 以便完全分离和细化产品¹。炼油厂以稳定的状态运行这些流程, 以最大的容量不断地创建新产品, 因此效率是关键的¹。从事这些过程的化学工程师专注于优化生产的效率¹。

托盘蒸馏塔也用于分离各种化工产品。乙醇是一种这样的产品。通过密切相关的过程, 各种产品, 如燃料级乙醇, 啤酒, 和白酒都可以蒸馏²。特定数量的酒精可以从水中分离出来, 以便创建一个特定的证据²。此过程仅限于降低产品中的水的百分比, 但不能完全消除它²。为了完全地去除水, 需要共沸蒸馏, 使用萃取物化学制品分离水从乙醇²。