气相扩散系数的测定

实验6  稳态法气相扩散系数的测定 一、实验目的 1．了解一维拟稳态扩散传质的基本原理。 2．掌握用斯蒂芬管（Stefan Cell）测定气相扩散系数的方法。 3．对比讨论气相扩散系数的经验计算值与实测值。 二、实验原理 将装有液体A的斯蒂芬扩散管（见图2-6-1）置于恒温水槽中，惰性气体B（如空气）以恒定的流速流过扩散管顶部的水平段。由于顶部气体流速较低，管内液面离开管顶有一定距离，故可认为在液面上部为一静止气层B，蒸发的组分A向上通过静止气层B扩散至管口，在管口A组分被大量的惰性气流B带走。液面处的组分A分压为其在实验水浴温度下的饱和蒸气压，水平段组分A分压可视为零。由于组分A的汽化使扩散距离Z不断随时间增加，记录时间t与距离Z的关系即可计算出组分A在气相B中的扩散系数。 图2-6-1    斯蒂芬扩散管示意图 上述扩散过程可视为组分A通过静止组分B的一维扩散过程，其中组分A的传质通量可用下式表示： （2-6-1） （2-6-1）式中， 为组分A的传质通量，mol/m2·s； 为A组分在B组分中的扩散系数，cm2/s； 为系统总压，atm； 为气体常数，82.06 atm·cm3 / (mol·K) 为系统温度，K；  为任意时刻t时液面距水平段的距离，cm 为扩散管管口A组分的分压，atm； 为液体A的饱和蒸汽压，atm； 饱和蒸汽压PA0可由Antoine方程， （见附录）求出。 单位面积上组分A的蒸发速率还可用液面降低速率表示，即： （2-6-2） （2-6-2）式中， 为液体A的密度；mol / cm3； 为组分A的分子量。 在拟稳态的情况下，扩散传质通量应等于蒸发通量，经对方程（2-6-1）和方程（2-6-2）的整理得到： （2-6-3） 因为恒温恒压下二元扩散系数 为常数，对上式积分、整理可得： （2-6-4） （2-6-4）式中， ，相当于液面下降高度，cm（其中 为管内液面距水平段的距离， 为任意时刻t的液面距水平段的距离）；ΔZ——末端长度修正因子，cm。 式（2-6-4）中的 与 呈现一直线关系。以 为横坐标， 为纵坐标，将测定的实验数据作图（可以在坐标标纸上作图，也可以在计算机上用最小二乘法回归计算）求出斜率C， (2-6-5) 由斜率C求出气相扩散系数DAB， （2-6-6） 方程（2-6-4）和方程（2-6-6）是本测试方法的主要计算公式。 三．实验装置和流程 1．实验装置 本实验装置由玻璃恒温水浴（内含斯蒂芬实验管）、仪表控制柜、测高仪、无油气体压缩机等组成，实验装置见图2-6-2。 图2-6-2  实物装置图 2．实验流程 实验装置流程如图2-6-3所示。实验中先将易挥发的待测液体A装入斯蒂芬管扩散管（7）至一定高度。惰性气体B（空气）由无油气体压缩机（1）输出，经针形阀（2），稳流阀（3）调节、稳定流量后，由转子流量计（4）计量后进入恒温水浴（11）下部的气体预热器（5）预热，经预热后，使流经扩散管顶部的气体温度达到水浴设定的温度，并将A组分带走排入大气。 图2-6-3    实验流程示意图 1-无油气体压缩机  2-针形阀  3-稳流阀  4-转子流量计  5-气体预热器  6-搅拌器  7-斯蒂芬扩散管  8-数显温控仪  9-测高仪  10-精密温度计  11-恒温水槽  12-加热器  13-温控仪铂电阻探头 3．实验试剂 本实验中液体A所采用的试剂从以下几种试剂中选用一种： 无水乙醚（分析纯）、丙酮（分析纯）、正戊烷（分析纯）、二氯甲烷（分析纯）、无水乙醇（分析纯）、乙酸乙酯（分析纯）等。 实验惰性气体B可采用氮气或空气。 4．实验仪器及设备 （1）测高仪            CGY—1型            武汉测绘学院光学仪器厂 测高仪            JQC—1型            长春第一光学仪器厂 （2）无油气体压缩机    WM—2H型            天津市医疗器械二厂 四．实验步骤及分析方法 1．向斯蒂芬管中注入待测液体A。 2．开启控温仪电源，开启恒温水浴的搅拌装置，设定实验温度，并自动控温。 3．开启无油气体压缩机，用针形阀调节气体的流量，用稳流阀稳定流量。 4．在恒温水浴升温的同时，熟悉掌握测高仪的正确使用和准确读数方法。 5．记录下水浴温度（即该物系的扩散温度）、气体流量、在气压计上读取当天的大气压数据。 6．当温度升至所需实验温度，稳定10~15分钟后，开始读取测高仪中的液面高度。以后每隔15分钟测定一次液面位置数据，记下时间。整个实验至少要求有6~8个液面位置与时间的数据。 7．实验完毕后，关闭气源（无油气体压缩机）和电源（控温仪及搅拌器），置各阀于正常位置，将扩散管内的剩余液体吸出，清理实验现场。 五．实验数据记录 实验数据记录表，见表2-6-1。 表2-6-1  实验数据记录表 测定体系              体系温度    ℃    液面初始高度         cm 空气流量      ml/min      大气压      atm    装置号        序号 累计时间 t 测高仪读数 （cm） （cm） （s/cm） min 换算成s 1           2           3           4           5           6           7           8           9           10                       六、实验数据处理 1．根据方程（2-6-4），以t/y为横坐标，y/2为纵坐标，求出斜率；根据方程（2-6-6）求出实测的气相扩散系数DAB，将计算所得数据列入表2-6-2。 2．在数据手册上查出DAB的文献值（注意：需利用公式2-6-7进行压力及温度校正）；利用经验公式2-6-8计算得出的DAB计算值，分别与本次实验所得的DAB实验值进行比较讨论，求出相对误差E1和E2。 表2-6-2 气相扩散系数及其对比值 物系 斜率 扩散系数 （ ）     实测值 计算值 E1 文献值 E2                                                   使用的文献值校正公式如下： （2-6-7） 式（2-6-7）中， 为系统的总压，atm； 为系统的绝对温度，K；  D2 、D1 为气相扩散系数的文献值。 另外，DAB的经验计算公式如下： （2-6-8） 式（2-6-8）中， DAB为气相扩散系数，m2/s； MA、MB为A和B两组分的分子量； σAB为平均碰撞直径，?； ΩDAB为碰撞积分； εAB为分子间作用的能量； 为系统的总压，atm； 为系统的绝对温度，K。 3．计算示例 （1）DAB的实验值： 空气-乙醚体系。首先将实验数据点以y/2为纵座标； t/y为横座标作图，从图中得到直线的斜率C=1.04×10-3，然后代入公式（2-6-6）得DAB=0.0908 cm2/s; (2) DAB的文献值： 0.09446 cm2/s; （3）DAB的计算值： 0.09065 cm2/s。 七．实验结果和讨论 1． 给出实验的主要结果。 2思考题 （1）本实验中扩散的推动力是什么？ （2）何谓稳态扩散？本实验属于稳态还是非稳态扩散过程？ （3）你了解哪些气相扩散系数的经验计算公式，如何获得？ （4）气相扩散系数的常用单位和量级范围是什么？ （5）气体流量的大小，扩散管直径的粗细，水浴温度的高低对扩散系数有何影响？实验中还有哪些因素会影响测量的结果？ （6）扩散管管口处A组分的分压PA0近似等于多少？为什么？如要精确处理，有何方法？ 八、实验注意事项 1．实验过程中，应随时注意水浴温度的恒定、气体流量的稳定。 2. 读取数据时要不断调整测高仪上目镜的水平气泡，使得目镜始终保持水平。 3. 液面高度的读取和所测时刻应保持同步。 4．测高仪上的光学镜头不可触摸。 5．本实验所选用的液体A是易挥发，易燃，易爆，低沸点的液体，应注意安全。 九、参考文献 1．《化学工程手册》编辑委员会. 化学工程手册，第1篇 化工基础数据. 北京：化学工业出版社，1980 2．天津大学，等. 化工传递过程. 北京：化学工业出版社，1980 附录 Antoine方程中常用的几种物质的常数A、B、C见下表： 物 质 名 称 Antoine常数A Antoine常数B Antoine常数C 乙 醚       丙 酮