本實驗採用裝置為常壓之ILUDEST VLE 100-M(附錄)汽液相平衡，為靜態 式(static type)之實驗裝置，進行雙成份系統水+丙二醇甲醚系統、甲醇+丙二醇 甲醚系統，以瞭解雙成份系統之相平衡之行為。
3-1 藥品
1. 丙二醇甲醚(PROPYLENE GLYCOL MONOMETHYL ETHER) 廠牌：Panreac，分子式：C4H10O2，分子量：90.12，純度：99.5%。
2. 去離子水(DI-water) 純度：18MΩ ㎝ −
Barnstead，尚偉股份有限公司
3. 丙酮(Acetone)
供應商：友和貿易股份有限公司，分子式：C3H6O，分子量：88.15 純度：工業級
4. 甲醇(Methanol)
供應商：友和貿易股份有限公司，分子式：CH4O，分子量：32.0419
純度：99.9+ %
上列藥品純度甚高，經氣相層析儀分析印證，並無顯著的雜質掺在其中。
3-2 設備
儀器設備
本實驗主要儀器設備如下所列:
1.四位式電子天平
供應商：Sartorius 公司的產品 型號：BL-120S，可精確至+0.0001g
2. 恆溫水槽
型號：汎晨工業有限公司
型號：ACH-8000，解析度:+0.1℃
3.超音波洗淨器
供應商：汎晨工業有限公司 型號：D-150H
4. 四位式數位溫度計 供應商：Hart Scientific
型號：High precision Thermometer 1560，準確度+0.02℃
5.攪拌板
供應商：集廣股份有限公司 型號：IKAMAG EOA-9
6.He 鋼瓶
供應商：建發氣體股份有限公司 純度：99.999%
7.氣相層析儀
廠牌：台灣中國層析科技公司 型號：GC9800
感測器：TCD(Thermal Conductivity Detector)
層析管(GC colum)：Porapak-Qs 80/100，SS Column 6ft×1/8”
積分器：SIC System，Chromatocorder 21
8.樣品注射器
供應商：恆毅股份有限公司 型號：Hamilton 701-N
9.常壓汽液相平衡裝置
供應商：集廣股份有限公司
型號：ILUDEST VLE 100-M，約 0.5×0.4×0.6 m3 材質：Borosilicate glass 3.3
電源輸出：230V ，60 c/s
溫度控制及記錄器：Max.200℃，Pheater.100%
10.高溫烘箱 型號：DO60
供應商：集廣企業有限公司 工作範圍：40℃~200℃
11.真空烘箱 型號：V045L
製造商：CHANNEL
12.VORTEX-MIXTER 型號：VM-2000
製造商：DIGISYSTEM LABORATORY INSTRUMENTS.INC
3-3 實驗裝置
實驗裝置如圖 3-1 所示：
A：為進料槽，其容量約為 250ml (此研究進料約為 170ml 至 180ml)。
B：為液相區，可由此口收集液相樣品(以 GC 注射用針抽取約 2μl)。
C：為混合溶液之充分攪拌之攪拌區域槽。
D：石英加熱棒之加熱(石英加熱溫度為Τmax,200)。
E：為真空銀夾套管且外圍以夾套(jacket)保溫，以防止平衡溫度之散失。
F：為汽相之高精密溫度計，可用來量測系統汽相之溫度。
G：為液相之高精密溫度計，可用來量測系統液相之溫度。
H：為汽相冷凝區域。
I：為汽相冷凝管。
J：為螺形汽相樣品收集區域，可由此口收集汽相樣品。
K：為液相冷凝管。
L、M：為通水浴槽之管線以進行全迴流之汽液平衡，且溫度設至為 15℃。
本研究為常壓下之汽液平衡實驗，包含兩種不同系統：水-丙二醇甲醚系統、
甲醇-丙二醇甲醚系統，進行常壓實驗時，系統與大氣相通，因此以水銀氣壓計 量測大氣壓力。
3-4 汽液相平衡量測
本實驗採用的汽液相平衡法量測方法為靜態式(static type)。靜態式乃指將待 測物質放入平衡釜，等待時間的平衡後，當達平衡狀態時，會分別分相成液相和 汽相，再從各相進行取樣，進而組成分析。
A
B
F
H I K
E G J
L M
C D
【圖3-1】汽液相平衡量測裝置圖 ‧ A：進料槽
‧ B：液相樣品取樣口
‧ C：混合攪拌區(磁石)
‧ D：石英加熱棒
‧ E：真空夾套管
‧ F：汽相電偶計
‧ G：液相電偶計
‧
H：汽相冷擬區域‧
I：汽相冷擬管‧
J：汽相樣品取樣口‧
K：液相冷擬管‧
L：水浴槽管線‧
M：水浴槽管線3-4-1 汽液相平衡的量測步驟
在進行汽液相平衡數據量測之前，首先要取得校正曲線的關係式及實驗儀器 校正，取得最適化的參數，以確保實驗的一致性並減少發生誤差的可能性。故分 別進行檢量線製作、恆溫水槽溫度校正、汽液相平衡條件設定及氣相層析儀參數 設定。
3-4-2 檢量線製作方法
(1) 分別配製不同濃度的丙二醇甲醚-水、丙二醇甲醚-甲醇混合溶液，因水與醇 在室溫下皆為部份互溶，故其互溶呈同一均勻相。
(2) 將混合溶液置於超音波震盪器中震盪約 20 分鐘且均勻混合後，以 GC 注射用 針取不同濃度之混合溶液 (約 2μl )，注入 GC 以進行組成分析。
(3) 每一濃度分別取樣四次進行分析，並獲得各成份面積比值，並將其數據取平 均值。
(4) 以面積比之平均值對莫耳分率作圖，並取線性迴歸，繪製校正曲線的關係式。
超音波震盪
注入GC分析
校正曲線關係式 水、醚混合溶液
【圖 3-2】檢量線簡易流程圖
3-4-3 恆溫水槽溫度校正
依序設定 10 ℃、15 ℃、30 ℃、45 ℃、50 ℃五個溫度，待每個設定溫度 皆達到工作溫度並保持穩定時，以四位數之精密溫度計量測之，並每隔 30 分鐘 紀錄一次，且紀錄三次以上。待五個溫度量測完成後再分別取其平均值，將其設 定值與實際量測的溫度值作圖後，利用線性迴歸取得一方程式，即可推算出各個 實際實驗溫度之設定值。
3-4-4 汽液相平衡條件設定
進行汽液相平衡量測時，必須先將有機相及水相之溶液混合，使兩相充 分接觸後，即達到相平衡，故需依溶液之特性找尋合適的條件。分別以固定的攪 拌平衡時間(3-4-6-12 小時)，發現在攪拌 3 小時及 4 小時至 6 小時為止，其相 平衡在 3、4 小時並無明顯變化，故求實驗的一致性將條件設定為攪拌 6 小時及 12 小時。
3-4-5 氣相層析儀參數設定
本實驗採用氣相層析儀(GC) 進行組成分析，在實驗之前，先將各成 份混合溶液於氣相層析儀中進行測試，依照各溶劑之特點找尋合適之層析管柱及 工作溫度，最適化之條件如下所示：
1.層析管柱：
型號：Porapak - QS , 60/80, Column 2m × 1/8”。
2.工作溫度：
(1). Injection Temp：443.15 K (2). Oven Temp：463.15 K
(3). Detector Temp：443.15 K (4). Carrier Gas：3bar
(5). Current：80mA
3-5 汽液相平衡量測
(1). 配製一混合液置於之汽液平衡釜裝置中，平衡釜外接恆溫循環水槽以確保 統
维持恆溫狀態。
(2). 汽液平衡釜裝置內放置一磁石(stir bar)，樣品經六小時連續攪拌混合，趨 於汽液相平衡狀態。
(3). 以 GC 注射用針分別取汽、液相之樣品(約 2
μl
)，注入 GC 以進行組成析，樣品經由多次分析後，可獲取各成份間面積比之數據。
(4). 藉由校正曲線的關係式將汽、液相之面積比數據轉換成質量分率，並驗證質 量分率的數值在合理範圍內，求其平均值，即點為汽、液相之數據。
(5). 每點即為改變混合液的總組成，重複進行步驟(1) ~ (4) ，量測其它數值的落 點。
水-丙二純甲醚、丙二純甲醚-甲醇加入 250ml 燒杯充分攪拌混合
超音波震盪及攪拌30min
實驗溫度(337.8K-393.04K)
放入汽液平衡釜裝置中 攪拌6 小時 取樣注入 GC 分析(約 2
μl
)作圖 莫耳分率 積分器面積比
【圖3-3】汽液相平衡量測之簡易流程圖
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Y=X+X(1-X)[0.30685-0.03294(2X-1)+(-0.21671)(2X-1)2]
H2O mole fraction
H
2O Area ratio
【圖3-4】水(1)-丙二醇甲醚(2)系統之 GC 檢量線
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Y=X+X(1-X)[-0.39091-(0.06884)(2X-1)+(-0.10824)(2X-1)2]
Methanol mole fraction
Methanol Area ratio
【圖3-5】甲醇(1)-丙二醇甲醚(2)系統之 GC 檢量線
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 370
375 380 385 390 395
T/K
x
1,y
1liquid phase vapor phase
【圖3-6】水(1)-丙二醇甲醚(2)系統常壓之 T-X-Y 圖
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 370
375 380 385 390 395
T/K
x
1,y
1exp.(liquid phase) exp.(vapor phase) ---NRTL model
【圖3-7】水(1)-丙二醇甲醚(2)系統常壓之 T-X-Y 關聯結果
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 320
340 360 380 400 420 440
T/K
x
1, y
1exp. (liquid phase) exp. (vapor phase) 93.3.3kPa liquid 93.3.3kPa vapor 53.3kPa liquid 53.3kPa vapor 26.7kPa liquid 26.7kPa vapor
【圖3-8】水(1)-丙二醇甲醚(2)系統在常壓汽液平衡之實驗値與文獻值之比較圖
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 330
340 350 360 370 380 390 400
T/K
exp.(liquid phase) exp.(vapor phase)
x1,y1
【圖3-9】甲醇(1)-丙二醇甲醚(2)系統常壓之 T-X-Y 圖
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 330
340 350 360 370 380 390 400
T/K
X
1,Y
1exp.(liquid phase) exp.(vapor phase) UNIQUAC model
【圖3-10】甲醇(1)-丙二醇甲醚(2)系統常壓之 T-X-Y 之關聯結果
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-1.5 -1.2 -0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6
ln r 1/r 2
X
1A
UPA
down【圖3-11】水(1)-丙二醇甲醚(2)系統常壓之
2
ln
1r xi
−
r 圖0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
ln r1/r2
X1
AUP
Adown
【圖3-12】甲醇(1)-丙二醇甲醚(2)系統常壓之
2
ln
1r xi