[发明专利]一种二元液体溶液的气-液平衡相图自动实验与分析装置

说明书

技术领域

    本发明涉及一种二元液体溶液的气-液平衡相图自动实验与分析装置。

背景技术

二元液体溶液的气-液平衡相图实验是大学化学大纲给定的实验，涉及学校和专业相当广。现有实验操作方法使用几十年，基本上通过手工操作来完成实验过程。实验方法是将两种一定组成的混合物在特制的蒸馏器中进行蒸馏。当温度保持不变时，即表示气、液两相己达平衡，用传统水银刻度式温度记下沸点温度，并测定沸点时气相（冷凝液）和液相的组成，将不同组成的混合物的T-x-y数据绘在图中，分别将液相点和气相点连接成平滑的曲线，得到定压下混合物体系的T-x-y相图。

以上操作基本上通过手工方式完成实验操作和测量，其存在问题是多次重复操作效率低且容易出错；温度控制采用调压器手动调节电热丝电压来进行温度控制，这种调压器控温方法，由于加热220V相线未能完全隔离，存在安全隐患，温度控制采用开环方式控制精度低；数据采集与分析由人工完成，操作周期长，效率低，出现问题需要事后处理，实验过程数据不能实时采集、处理、分析和显示，整个实验过程远远落后于现代实验方法和测量技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有实验过程中存在的缺陷，提供一种能够自动进行测温控温、判定气液平衡状态并完成温度数据采集和分析的实验装置。通过发明可大大提高实验过程的自动化程度和实验数据准确性，简化了操作，降低了成本。

为了达到上述目的，本发明提供了一种二元液体溶液的气-液平衡相图自动实验与分析装置，包括固定支架、烧瓶、加热装置、分馏装置和测温装置；分馏装置固定在固定支架上，且与烧瓶相连通；烧瓶内装有二元液体溶液；测温装置检测伸入烧瓶内；加热装置设于烧瓶内或烧瓶下方，对二元液体溶液进行加热；该气-液平衡相图自动实验与分析装置还包括微控制单元（MCU）和PWM（脉冲宽度调制）驱动单元；加热装置为加热棒组件；加热棒组件一端伸入烧瓶内，另一端通过PWM驱动单元与微控制单元相连；测温装置包括双路RTD（铂电阻温度传感器，Resistance Temperature Detector）组件和双路测温模块；双路RTD组件一端伸入烧瓶内，另一端通过双路测温模块与微控制单元相连；双路RTD组件中的一个RTD传感器伸入二元液体溶液中，另一个RTD传感器位于二元液体溶液上方。

本发明能实现自动进行控温测温，根据气液两相温度值及变化率判定气液两相是否达到平衡状态，同时完成系统温度数据采集和分析。

设T1为液相温度；T2为气相温度；T3为加热器内腔温度。

液气温度差T4= T1- T2；液气温度差变化率⊿T4/⊿t(时间)。

加热器加热条件：当满足⊿T3/⊿t＜dmax(最快温度变化率)时，加热器加热，否则可能加热器干烧立即停止加热。

气液平衡条件为：T4≤0，⊿T4/⊿t→0。实验过程达到气液平衡需经历三个阶段。

阶段1： T1＞T2，⊿T4/⊿t＞0，液相快速加热，气相缓慢加热升温。

阶段2：T1＞T2，⊿T4/⊿t0，液相进入沸腾恒温状态，气相加热快速升温。

阶段3：T1≤T2，⊿T4/⊿t≤0且趋于0时，液气两相达到平衡状态，即系统设定稳定状态。

实验装置采用PID（比例积分微分）控制方式对PWM驱动加以控制并实现加热器加热；实验装置同时采集T1（液相）与T2（气相）温度，实时采集气相温度绘制气相线可与通过蒸馏瓶提取冷凝液测定折射率计算的气相线比较，有利于进一步分析问题。

微控制单元根据实时测量气液温度及变化率，通过数字信号处理方式来判定实验进程和状态，当满足：T4≤0，⊿T4/⊿t≤0且趋于→0气液平衡条件时，进行数据采集和分析，并给出声光提示；同时，微控制单元监控T3变化率⊿T3/⊿t，当其超过某一设定值，说明加热器处于干烧状态，微控制单元给出停止加热命令并发出声光报警。

对本发明的进一步改进在于：上述两个RTD传感器上下交错设于双路RTD组件的下端；RTD传感器上方设有树脂定位密封塞；双路RTD组件的上端设有端部固定管，端部固定管上端套有螺旋调节螺母；双路RTD组件通过端部固定管穿过烧瓶上端的烧瓶塞，并通过螺旋调节螺母固定在烧瓶塞上。