三元液—液平衡测定

液液平衡数据是液液萃取塔设计及生产操作的主要依据，平衡数据的获得目前尚依赖于实验测定。

 A  实验目的

(1)测定醋酸–水–醋酸乙烯在25℃下的液液平衡数据；

(2)用醋酸–水、醋酸–醋酸乙烯两对二元系的汽液平衡数据以及醋酸–水二元系的液液平衡数据，求得的活度系数关联式常数，并推算三元液液平衡数据，与实验数据比较；

(3)通过实验，了解三元系统液–液平衡数据测定方法，掌握实验技能，学会三角形相图的绘制。

B  实验原理

三元液液平衡数据的测定，有不同的方法。一种方法是配制一定的三元混合物，在恒定温度下搅拌，充分接触，以达到两相平衡。然后静止分层，分别取出两相溶液分析其组成，这种方法可直接测出平衡联结线数据，但分析常有困难。

另一种方法是先用浊点法测出三元系的溶解度曲线，并确定溶解度曲线上的组成与某一物性(如折光率、密度等)的关系，然后再测定相同温度下平衡结线数据，这时只需根据已确定的曲线来决定两相的组成。对于醋酸一水一醋酸乙烯这个特定的三元系，由于分析醋酸最为方便，因此采用浊点法测定溶解度曲线，并按此三元溶解度数据，对水层以醋酸及醋酸乙烯为坐标进行标绘，对油层以醋酸及水为坐标进行标绘，画成曲线，以备测定结线时应用，然后配制一定的三元混合物，经搅拌，静止分层后，分别取出两相样品，分析其中的醋酸含量，由溶解度曲线查出另一组分的含量，并用减量法确定第三组分的含量。

      图2–6  HAc–H2O–VAc的三元相图示意

C  预习与思考

(1)请指出图2–6溶液的总组成点在A.B.C.D.E.点会出现什么现象？

(2)何谓平衡联结线，有什么性质？

(3)本实验通过怎样的操作达到液液平衡？

(4)自拟用0.1N NaOH滴定法测定实验系统共轭两相中醋酸组成的方法和计算式。取样时应注意哪些事项，H2O及VAc的组成如何得到？ 

D  实验装置

(1)木制恒温箱其结构图2–7所示。作用原理是：由电加热器加热并用风扇搅动气流，促使箱内温度均匀，温度由半导体温度计测量，并由恒温控制器控制加热温度。实验前应先接通电源进行加热，使温度达到 25℃，并保持恒温。

(2)实验仪器包括电光分析天平，具有侧口的 100mL三角磨口烧瓶及医用注射器等。

(3)实验用物料

包括醋酸、醋酸乙烯和去离子水，它们的物理常数如下：

          图2–7  实验恒温装置示意图                 

   1–导体温度计；2–恒温控制器； 3–木箱；

4–风扇；5–电加热器；6–电磁搅拌器； 7–三角烧瓶

测定平衡结线，根据相图，配制在部分互溶区的三元溶液约30g，预先计算称取各组分的质量，用密度估计其毫升数。取一干燥的 100ml底部有支口的三角瓶，将下部支口用硅橡胶塞住，用分析天平称取枝质量，然后加入醋酸、水、醋酸乙烯后分别称重，计算出三元溶液的浓度。将此盛有部分互溶液的三角瓶放入已调节至 25 ℃温度的恒温箱，用电磁搅拌 20min，静止恒温10～15min，使其溶液分层达到平衡。

将已静止分层的三角瓶从恒温箱中取出，用针筒分别取油层及水层，分别利用酸碱中和法分析其中的醋酸含量，由溶解度曲线查出另一组成，于是就可算出第三组分的组成。

F  实验数据处理

(1)在三角形相图中，将本实验附录中给出的醋酸 - 水 - 醋酸乙烯三元体系的溶解度数据作成光滑的溶解度曲线，将测得的数据标绘在图上；

(2)将温度、溶液的HAc、H2O 、Vac质量分率输入计算机，得出两液相的计算值(以摩尔分率表示)及实验值(以摩尔分率表示)进行比较。具体计算方法见本实验附录。

G  结果及讨论

(1)温度和压力对液液平衡的影响如何？   

(2)分析实验误差的来源。

(3)试述作出实验系统液液平衡相图的方法。

H 主要符号说明

K - 平衡常数; x – 液相摩尔分数; - 活度系数; - 密  附录 l HAc - H2O - VAc三元系液液平衡溶解度数据表(278K)

若已知互溶的两对二元汽液平衡数据以及部分互溶对二元的液液平衡的数据，应用非线型最小二乘法，可求出各对二元活度系数关联式的参数。由于 Wilson方程对部分互溶系统不适用，因此关联液液平衡常采用 NRTL或 UNIQUAC方程。

当已计算出 HAc–H2O，HAc–VAc， VAc–H2O三对二元系的NRTL或 UNIQUAC参数后，可用Null法求出。

在某一温度下，已知三对二元的活度系数关联式参数，并已知溶液的总组成，可计算平衡液相的组成。 

令溶液的总组成为，分成两液层，一层为A，组成为，另一层为B，组成为，设混合物的总量为 1mol，其中液相 A占M mol，液相 B占(l- M)mol。

对 j组分进行物料衡算：

                         (1)

若将在三角形坐标上标绘，则三点应在一根直线上。此直线称为共轭线。

根据液液平衡的热力学关系式：

                             (2)

式中   

将(2)代入（1）

                          (3)

由于及

因此                        

经整理得

                              (4)

对三元系可展开为：．

是A相组成及温度的函数，是B相组成及温度的函数。是已知数，先假定两相混合的组成。由式(2)可求得，式(4)中只有M是未知数，因此是个一元函数求零点的问题。

当已知温度，总组成，关联式常数，求两相组成的及的步骤如下：

(1)假定两相组成的初值(可用实验值作为初值)，求，解式 (4)  中的M值。

(2)求得M后，由式(3)得，由式(2)得;

(3)判据

        若 

则得计算结果，若不满足，则由上面求出的求出，反复迭代，直至满足判据要求。

实验数据处理：

上层为油相，故溶液密度按醋酸乙烯的密度来取

醋酸的浓度：C1=CNaoHVNaOH/VHAC=22X0.1/0.5=4.4mol/l

醋酸的质量：m1=4.4x10-3x60=0.2g

上层油中醋酸的质量分数：w1=0.2/0.9312=0.284

同理2号瓶c2=3.2  M2=0.192  W2=0.206

3号瓶c3=2.4  m3=0.144  w3=0.155

4号瓶c4=1.6  m4=0.096  w4=0.103

下层水相，按水的密度来取

1号瓶c1=4  m1=0.240  w1=0.241

2号瓶c2=3.6  m2=0.216  w2=0.217

3号瓶c3=2.4  m3=0.144  w3=0.144

4号瓶c4=2  m4=0.120  w4=0.120

根据水相和油相中醋酸的含量关系，分别计算两相中其它两组份的含量见下表：

根据上表数据作出三元液液相图：