CO2临界现象观测及PVT关系的测定实验综述报告

刘铭，张晔，熊金钰，李伏虎，荣俊锋

（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南232001）

CO广泛应用于工农业的制碱、制糖等领域。以CO为工质的超临界循环热泵由于其超临界循环的特性，在气体冷却器中换热温差较小，效率较高，可实现与热媒之间良好的温度匹配。CO对多数溶质都有较大的溶解能力，但水却难溶于CO中，用近临界或超临界CO来萃取和分离有机水溶液的效果十分显著。CO还具有不燃、稳定性好、无毒、廉价等特征，被视为与HO最相近且最廉价的溶剂，具有源于环境中经物理化学反应后归于环境，且无副产物的“绿色”属性。

本次实验通过控制温度和改变压力，使CO达到临界状态，直观感受CO在临界状态下的变化，理解COP-V-T的关系。

1 实验目的

（1）掌握CO临界状态现象，增加对临界状态概念的感性认识。

（2）进一步加深对纯流体中的热力学状态（汽化、冷凝、饱和态和超临界流体等）热力学基本概念的认识；测定CO的PVT数据，并在PV图上画出不同温度下的等温曲线。

（3）掌握CO-PVT设备的使用。

2 实验原理

纯物质的临界点表示汽液二相平衡共存的最高温度（T）和最高压力点（P）。纯物质环境温度T＞T，无液相；压力P＞P，无汽相；同时高于T和P，则为超临界区。当T＜T时绘出的等温线是一条光滑的曲线；T=T时绘出的等温线，汽液不分现象在临界压力附近水平拐点出现；T＜T绘出的等温线分为三部分，汽液共存区处于中部分的水平段。实验通过控制温度恒定测定CO的P、V数据。

3 实验装置流程

实验装置（图1）由本体（图2）、压力台及恒温水浴组成。

图1 CO2-PVT关系实验装置

图2 本体示意图

实验压力由压力台上活塞杆的进退来控制压力油进入本体中，进而使水银进入承压玻璃管（预装高纯度CO），实验压力应为绝对压力，即表压+实验室环境压力；实验温度由恒温浴供给实验设定温度的水来实现调节。

4 实验操作步骤

4.1 实验准备

（1）按图1连接设备后，接通电源并设定实验温度。

（2）关闭压力表下部及本体油路的阀门，打开油杯进油阀，完全摇退活塞螺杆，使油杯加满油。

（3）关闭油杯进油阀，打开压力表下部及本体油路阀门，摇进活塞杆，使本体充油至压力表有读数且毛细管下部出现水银为止（若在实验时活塞杆摇进到头后压力表无读数且毛细管下部没有出现水银，则从步骤（2）重复操作）。

（4）确认油杯进油阀关闭，压力表及本体油路阀门打开且温度达到设定温度后方可进行实验。

4.2 CO2承压玻璃管质面比常数K的测定

CO比容V通过间接法计算得出。假设玻璃管内径均匀，CO比容与其柱高成正比。纯CO液体在25℃，7.8 MPa时，比容V=0.001 24 m/kg。实验装置在25℃，7.8 MPa时测定CO柱高为：Δ

h

=h′-h

式中：h为承压玻璃管内径顶端的刻度；h′为25℃，7.8 MPa下水银柱上端液面刻度；m为CO质量，kg；A为承压玻璃管截面积，m；h为不同实验条件下水银柱上端液面刻度；K为质面比常数。

4.3 测定T=25℃时等温线

（1）设定实验温度T=25℃保持恒定后逐渐增压。压力在4.0 MPa左右，承压玻璃管出现水银液面时记录水银柱高。后每间隔压力0.3 MPa记录一次柱高。第一滴CO液体出现后缓慢降压并保持平衡一段时间，使其温度和压力恒定，进而准确读取CO第一滴液体出现时的压力。缓慢增压观察最后一个CO汽泡刚消失时的压力和水银柱高。因两点压力数值比较接近，故需反复进行升、降压操作，以便准确观测。

（2）当CO全部液化后，实验压力继续以0.3 MPa间隔增压，直至8.0 MPa实验结束。

4.4 测定临界等温线和临界参数并观察临界现象

（1）设定实验温度T=31.1℃，按步骤4.3测出临界等温线。在曲线拐点附近准确控制压力，以便测定临界压力和临界比容，找出临界等温线上的拐点。

（2）观察临界现象

①临界乳光现象：控制实验处于临界温度恒定，摇进活塞杆直至压力升至P附近后快速摇退降压，此时玻璃管内瞬间出现圆锥型的乳白色闪光现象。

②整体相变现象：处于临界点附近时，汽化热数值趋于零，饱和蒸汽线与饱和液体线接近合于一点。在此条件下，压力轻微改变即可引起汽液两相突变。

③汽液二相模糊不清现象：在临界点附近具有共同的参数（P，V，T），无法区别其具体相态，故可将其描述为接近液态的气体或接近气态的液体。

4.5 测定高于临界温度的等温线

设定恒温水套温度40℃，重复步骤4.3。

5 实验数据处理

（2）由V

=

Δh/K计算不同压力下CO的比容，列于表1，并按表1中的实验数据绘出三个实验温度下的等温线，见图3。

表1 不同温度下CO2的P-V数据测定结果

图3 CO2不同温度下P-V曲线

（3）由Antoine方程lg

P =A-B/

(

T+C

)可得25℃时CO的饱和蒸汽压为6.44 MPa；经25℃PV等温线的饱和蒸汽压为6.50 MPa，数据差别不大。

（4）CO临界比容的实测数值与计算结果如表2所示。表中数值对比分析表明V实验值与文献值更为接近，按照理想气体方程计算数值误差最大。

表2 CO2的临界比容Vc（m3/kg）

6 实验重难点分析

（1）需熟练控制摇杆的进退以实现精准控制本体内CO的压力。

（2）实验温度的设定不宜过高或过低，以减少温度对玻璃设备的影响。

（3）临界现象的精准判断。

7 结束语

通过对CO在不同温度下PVT曲线的测定，并观察CO在临界状态下的变化，让学生对其有了直观认识，并通过PVT曲线分析其变化原理，培养学生透过现象看本质的科学思维，积极尝试理论联系实际的学习方案。本实验拓展了学生对CO的认识，为学生今后在碳减排、碳捕集、CO综合利用等方面的实践奠定了理论基础。