循環(huán)法原理和裝置

循環(huán)法測定汽液平衡數(shù)據(jù)的平衡器類型有很多，但基本原理是一致的，如圖1所示，當系統(tǒng)達到平衡時，a、b兩容器中的組成均不隨時間而變化，這時從a 和b兩容器中分別取樣分析，并記錄溫度和壓力，這樣可得到一組汽液相平衡實驗數(shù)據(jù)。

圖 1  循環(huán)法測定汽液平衡原理圖

圖2為其中一種改進的Ellis蒸餾器，該裝置測定汽液平衡數(shù)據(jù)較準確，操作也較簡便，但僅適用于液相和氣相冷凝液都是均相的系統(tǒng)。其在平衡釜蛇管處的外層與氣相溫度計插入部分的外層設(shè)有上下兩部分電熱絲保溫；另有一個電子控制裝置，用以調(diào)節(jié)加熱電壓及上下兩組電熱絲保溫的加熱電壓。

Ellis平衡蒸餾器具有汽相循環(huán)的結(jié)構(gòu)，因而所謂循環(huán)法即是在如圖2中液相取樣口15加入配好的原料混合液到沸騰室3，在常壓下加熱至沸騰后，逸出的蒸汽被完全冷凝進入到冷凝液接收器13，當冷凝液液面超過右邊支管口時溢流，經(jīng)回流毛細管回流到沸騰室3。隨著液體的不斷汽化和被冷凝過程的進行，沸騰室和冷凝接收器中的溶液的組成不斷改變，直到達到平衡時，汽、液兩相的組成不再隨時間而變化，即沸騰室和泠凝接收器中的溶液的組成保持恒定。分別從15、14兩個取樣口取樣分析，即得出平衡溫度下汽相和液相的組成。實物圖如圖3所示。

圖2  埃立斯（Ellis）平衡蒸餾器

1－聚四氟乙烯保護層；2－加熱元件；3－沸騰室；4－小孔；5－毛細管；6－平衡蛇管；

7，9－溫度計套管；8－蒸餾器內(nèi)管；10，11－冷凝器；12－滴速計數(shù)口；

13－冷凝液接受器；14，15－取樣口；16－上部保溫電熱絲；17－石棉保溫層；18－放料口；19－下部保溫電熱絲

圖3 循環(huán)法汽液平衡實物圖

基于循環(huán)法實驗的基本步驟

1 加料

將一定量的混合溶液加入到Ellis平衡釜，加入的量根據(jù)平衡釜的體積而定。

2 加熱

先打開冷凝水，再接通加熱電源。隨溶液溫度的升高而逐漸提高加熱電壓，并最終調(diào)節(jié)至一合適的電壓。在緩慢加熱升溫過程中，分別接通氣相和液相保溫電源。

3 溫控

溶液沸騰，氣相冷凝液出現(xiàn)，直到冷凝回流。起初，平衡溫度計讀數(shù)會不斷變化，調(diào)節(jié)加熱量，控制好凝液滴速。調(diào)節(jié)氣液相保溫的電壓，使平衡溫度逐漸穩(wěn)定，確保氣相溫度的控制要稍高于平衡溫度，以防止氣相部分在沸騰器中冷凝。

4 取樣

實驗過程中注意蒸餾速度、平衡溫度和氣相溫度的數(shù)值，不斷加以調(diào)整，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄平衡溫度、氣相溫度和大氣壓。記下數(shù)據(jù)后，迅速取一定量的氣相冷凝液和液相，待分析。

5 分析

根據(jù)實驗物質(zhì)的性質(zhì)，選擇合適的分析方法，如氣相色譜法、液相色譜法等。

不斷重復上述步驟，即可得到恒壓下不同濃度的汽液平衡數(shù)據(jù)壓力-溫度-組成之間的關(guān)系。

注：以上裝置和方法對于常溫常壓下不易揮發(fā)物質(zhì)是有效的，但對于易揮發(fā)物質(zhì)則需要采用特殊的分析方法和裝置，如在線分析方法等。