CO2臨界現象觀測及PVT關系的測定實驗綜述報告

劉銘，張曄，熊金鈺，李伏虎，榮俊鋒

（安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南232001）

CO廣泛應用于工農業的制堿、制糖等領域。以CO為工質的超臨界循環熱泵由于其超臨界循環的特性，在氣體冷卻器中換熱溫差較小，效率較高，可實現與熱媒之間良好的溫度匹配。CO對多數溶質都有較大的溶解能力，但水卻難溶于CO中，用近臨界或超臨界CO來萃取和分離有機水溶液的效果十分顯著。CO還具有不燃、穩定性好、無毒、廉價等特征，被視為與HO最相近且最廉價的溶劑，具有源于環境中經物理化學反應后歸于環境，且無副產物的“綠色”屬性。

本次實驗通過控制溫度和改變壓力，使CO達到臨界狀態，直觀感受CO在臨界狀態下的變化，理解COP-V-T的關系。

1 實驗目的

（1）掌握CO臨界狀態現象，增加對臨界狀態概念的感性認識。

（2）進一步加深對純流體中的熱力學狀態（汽化、冷凝、飽和態和超臨界流體等）熱力學基本概念的認識；測定CO的PVT數據，并在PV圖上畫出不同溫度下的等溫曲線。

（3）掌握CO-PVT設備的使用。

2 實驗原理

純物質的臨界點表示汽液二相平衡共存的最高溫度（T）和最高壓力點（P）。純物質環境溫度T＞T，無液相；壓力P＞P，無汽相；同時高于T和P，則為超臨界區。當T＜T時繪出的等溫線是一條光滑的曲線；T=T時繪出的等溫線，汽液不分現象在臨界壓力附近水平拐點出現；T＜T繪出的等溫線分為三部分，汽液共存區處于中部分的水平段。實驗通過控制溫度恒定測定CO的P、V數據。

3 實驗裝置流程

實驗裝置（圖1）由本體（圖2）、壓力臺及恒溫水浴組成。

圖1 CO2-PVT關系實驗裝置

圖2 本體示意圖

實驗壓力由壓力臺上活塞桿的進退來控制壓力油進入本體中，進而使水銀進入承壓玻璃管（預裝高純度CO），實驗壓力應為絕對壓力，即表壓+實驗室環境壓力；實驗溫度由恒溫浴供給實驗設定溫度的水來實現調節。

4 實驗操作步驟

4.1 實驗準備

（1）按圖1連接設備后，接通電源并設定實驗溫度。

（2）關閉壓力表下部及本體油路的閥門，打開油杯進油閥，完全搖退活塞螺桿，使油杯加滿油。

（3）關閉油杯進油閥，打開壓力表下部及本體油路閥門，搖進活塞桿，使本體充油至壓力表有讀數且毛細管下部出現水銀為止（若在實驗時活塞桿搖進到頭后壓力表無讀數且毛細管下部沒有出現水銀，則從步驟（2）重復操作）。

（4）確認油杯進油閥關閉，壓力表及本體油路閥門打開且溫度達到設定溫度后方可進行實驗。

4.2 CO2承壓玻璃管質面比常數K的測定

CO比容V通過間接法計算得出。假設玻璃管內徑均勻，CO比容與其柱高成正比。純CO液體在25℃，7.8 MPa時，比容V=0.001 24 m/kg。實驗裝置在25℃，7.8 MPa時測定CO柱高為：Δ

h

=h′-h

式中：h為承壓玻璃管內徑頂端的刻度；h′為25℃，7.8 MPa下水銀柱上端液面刻度；m為CO質量，kg；A為承壓玻璃管截面積，m；h為不同實驗條件下水銀柱上端液面刻度；K為質面比常數。

4.3 測定T=25℃時等溫線

（1）設定實驗溫度T=25℃保持恒定后逐漸增壓。壓力在4.0 MPa左右，承壓玻璃管出現水銀液面時記錄水銀柱高。后每間隔壓力0.3 MPa記錄一次柱高。第一滴CO液體出現后緩慢降壓并保持平衡一段時間，使其溫度和壓力恒定，進而準確讀取CO第一滴液體出現時的壓力。緩慢增壓觀察最后一個CO汽泡剛消失時的壓力和水銀柱高。因兩點壓力數值比較接近，故需反復進行升、降壓操作，以便準確觀測。

（2）當CO全部液化后，實驗壓力繼續以0.3 MPa間隔增壓，直至8.0 MPa實驗結束。

4.4 測定臨界等溫線和臨界參數并觀察臨界現象

（1）設定實驗溫度T=31.1℃，按步驟4.3測出臨界等溫線。在曲線拐點附近準確控制壓力，以便測定臨界壓力和臨界比容，找出臨界等溫線上的拐點。

（2）觀察臨界現象

①臨界乳光現象：控制實驗處于臨界溫度恒定，搖進活塞桿直至壓力升至P附近后快速搖退降壓，此時玻璃管內瞬間出現圓錐型的乳白色閃光現象。

②整體相變現象：處于臨界點附近時，汽化熱數值趨于零，飽和蒸汽線與飽和液體線接近合于一點。在此條件下，壓力輕微改變即可引起汽液兩相突變。

③汽液二相模糊不清現象：在臨界點附近具有共同的參數（P，V，T），無法區別其具體相態，故可將其描述為接近液態的氣體或接近氣態的液體。

4.5 測定高于臨界溫度的等溫線

設定恒溫水套溫度40℃，重復步驟4.3。

5 實驗數據處理

（2）由V

=

Δh/K計算不同壓力下CO的比容，列于表1，并按表1中的實驗數據繪出三個實驗溫度下的等溫線，見圖3。

表1 不同溫度下CO2的P-V數據測定結果

圖3 CO2不同溫度下P-V曲線

（3）由Antoine方程lg

P =A-B/

(

T+C

)可得25℃時CO的飽和蒸汽壓為6.44 MPa；經25℃PV等溫線的飽和蒸汽壓為6.50 MPa，數據差別不大。

（4）CO臨界比容的實測數值與計算結果如表2所示。表中數值對比分析表明V實驗值與文獻值更為接近，按照理想氣體方程計算數值誤差最大。

表2 CO2的臨界比容Vc（m3/kg）

6 實驗重難點分析

（1）需熟練控制搖桿的進退以實現精準控制本體內CO的壓力。

（2）實驗溫度的設定不宜過高或過低，以減少溫度對玻璃設備的影響。

（3）臨界現象的精準判斷。

7 結束語

通過對CO在不同溫度下PVT曲線的測定，并觀察CO在臨界狀態下的變化，讓學生對其有了直觀認識，并通過PVT曲線分析其變化原理，培養學生透過現象看本質的科學思維，積極嘗試理論聯系實際的學習方案。本實驗拓展了學生對CO的認識，為學生今后在碳減排、碳捕集、CO綜合利用等方面的實踐奠定了理論基礎。