氣相擴散系數(shù)的測定

1、實驗6 穩(wěn)態(tài)法氣相擴散系數(shù)的測定一、實驗目的1了解一維擬穩(wěn)態(tài)擴散傳質(zhì)的基本原理。2掌握用斯蒂芬管（Stefan Cell）測定氣相擴散系數(shù)的方法。3對比討論氣相擴散系數(shù)的經(jīng)驗計算值與實測值。二、實驗原理將裝有液體A的斯蒂芬擴散管（見圖2-6-1）置于恒溫水槽中，惰性氣體B（如空氣）以恒定的流速流過擴散管頂部的水平段。由于頂部氣體流速較低，管內(nèi)液面離開管頂有一定距離，故可認為在液面上部為一靜止氣層B，蒸發(fā)的組分A向上通過靜止氣層B擴散至管口，在管口A組分被大量的惰性氣流B帶走。液面處的組分A分壓為其在實驗水浴溫度下的飽和蒸氣壓，水平段組分A分壓可視為零。由于組分A的汽化使擴散距離Z不斷隨時間增加

2、，記錄時間t與距離Z的關(guān)系即可計算出組分A在氣相B中的擴散系數(shù)。z惰性氣體B 液體A 圖2-6-1 斯蒂芬擴散管示意圖上述擴散過程可視為組分A通過靜止組分B的一維擴散過程，其中組分A的傳質(zhì)通量可用下式表示： （2-6-1）（2-6-1）式中， 為組分A的傳質(zhì)通量，mol/m2·s； 為A組分在B組分中的擴散系數(shù)，cm2/s； 為系統(tǒng)總壓，atm； 為氣體常數(shù)，82.06 atm·cm3 / (mol·K) 為系統(tǒng)溫度，K； 為任意時刻t時液面距水平段的距離，cm為擴散管管口A組分的分壓，atm； 為液體A的飽和蒸汽壓，atm；飽和蒸汽壓PA0可由Antoine方程

3、，（見附錄）求出。單位面積上組分A的蒸發(fā)速率還可用液面降低速率表示，即： （2-6-2）（2-6-2）式中，為液體A的密度；mol / cm3；為組分A的分子量。在擬穩(wěn)態(tài)的情況下，擴散傳質(zhì)通量應等于蒸發(fā)通量，經(jīng)對方程（2-6-1）和方程（2-6-2）的整理得到： （2-6-3）因為恒溫恒壓下二元擴散系數(shù)為常數(shù)，對上式積分、整理可得： （2-6-4）（2-6-4）式中，相當于液面下降高度，cm（其中為管內(nèi)液面距水平段的距離，為任意時刻t的液面距水平段的距離）；Z末端長度修正因子，cm。式（2-6-4）中的與呈現(xiàn)一直線關(guān)系。以為橫坐標，為縱坐標，將測定的實驗數(shù)據(jù)作圖（可以在坐標標紙上作圖，也可以在

4、計算機上用最小二乘法回歸計算）求出斜率C， (2-6-5)由斜率C求出氣相擴散系數(shù)DAB， （2-6-6）方程（2-6-4）和方程（2-6-6）是本測試方法的主要計算公式。三實驗裝置和流程1實驗裝置 本實驗裝置由玻璃恒溫水浴（內(nèi)含斯蒂芬實驗管）、儀表控制柜、測高儀、無油氣體壓縮機等組成，實驗裝置見圖2-6-2。 圖2-6-2 實物裝置圖2實驗流程實驗裝置流程如圖2-6-3所示。實驗中先將易揮發(fā)的待測液體A裝入斯蒂芬管擴散管（7）至一定高度。惰性氣體B（空氣）由無油氣體壓縮機（1）輸出，經(jīng)針形閥（2），穩(wěn)流閥（3）調(diào)節(jié)、穩(wěn)定流量后，由轉(zhuǎn)子流量計（4）計量后進入恒溫水?。?1）下部的氣體預熱器（5

5、）預熱，經(jīng)預熱后，使流經(jīng)擴散管頂部的氣體溫度達到水浴設定的溫度，并將A組分帶走排入大氣。 圖2-6-3 實驗流程示意圖1-無油氣體壓縮機 2-針形閥 3-穩(wěn)流閥 4-轉(zhuǎn)子流量計 5-氣體預熱器 6-攪拌器 7-斯蒂芬擴散管 8-數(shù)顯溫控儀 9-測高儀 10-精密溫度計 11-恒溫水槽 12-加熱器 13-溫控儀鉑電阻探頭3實驗試劑 本實驗中液體A所采用的試劑從以下幾種試劑中選用一種： 無水乙醚（分析純）、丙酮（分析純）、正戊烷（分析純）、二氯甲烷（分析純）、無水乙醇（分析純）、乙酸乙酯（分析純）等。實驗惰性氣體B可采用氮氣或空氣。4實驗儀器及設備 （1）測高儀 CGY1型 武漢測繪學院光學儀器

6、廠 測高儀 JQC1型 長春第一光學儀器廠 （2）無油氣體壓縮機 WM2H型 天津市醫(yī)療器械二廠四實驗步驟及分析方法1向斯蒂芬管中注入待測液體A。2開啟控溫儀電源，開啟恒溫水浴的攪拌裝置，設定實驗溫度，并自動控溫。3開啟無油氣體壓縮機，用針形閥調(diào)節(jié)氣體的流量，用穩(wěn)流閥穩(wěn)定流量。4在恒溫水浴升溫的同時，熟悉掌握測高儀的正確使用和準確讀數(shù)方法。5記錄下水浴溫度（即該物系的擴散溫度）、氣體流量、在氣壓計上讀取當天的大氣壓數(shù)據(jù)。6當溫度升至所需實驗溫度，穩(wěn)定1015分鐘后，開始讀取測高儀中的液面高度。以后每隔15分鐘測定一次液面位置數(shù)據(jù)，記下時間。整個實驗至少要求有68個液面位置與時間的數(shù)據(jù)。7實驗完

7、畢后，關(guān)閉氣源（無油氣體壓縮機）和電源（控溫儀及攪拌器），置各閥于正常位置，將擴散管內(nèi)的剩余液體吸出，清理實驗現(xiàn)場。五實驗數(shù)據(jù)記錄實驗數(shù)據(jù)記錄表，見表2-6-1。表2-6-1 實驗數(shù)據(jù)記錄表測定體系 體系溫度 液面初始高度 cm空氣流量 ml/min 大氣壓 atm 裝置號 序號累計時間 t測高儀讀數(shù)（cm）（cm）（s/cm）min換算成s12345 6 7 8 9 10六、實驗數(shù)據(jù)處理1根據(jù)方程（2-6-4），以t/y為橫坐標，y/2為縱坐標，求出斜率；根據(jù)方程（2-6-6）求出實測的氣相擴散系數(shù)DAB，將計算所得數(shù)據(jù)列入表2-6-2。2在數(shù)據(jù)手冊上查出DAB的文獻值（注意：需利用公式2-

8、6-7進行壓力及溫度校正）；利用經(jīng)驗公式2-6-8計算得出的DAB計算值，分別與本次實驗所得的DAB實驗值進行比較討論，求出相對誤差E1和E2。表2-6-2 氣相擴散系數(shù)及其對比值物系斜率擴散系數(shù) （）實測值計算值E1文獻值E2使用的文獻值校正公式如下： （2-6-7） 式（2-6-7）中， 為系統(tǒng)的總壓，atm； 為系統(tǒng)的絕對溫度，K； D2 、D1 為氣相擴散系數(shù)的文獻值。另外，DAB的經(jīng)驗計算公式如下： （2-6-8）式（2-6-8）中， DAB為氣相擴散系數(shù)，m2/s； MA、MB為A和B兩組分的分子量； AB為平均碰撞直徑，Å； DAB為碰撞積分； AB為分子間作用的能量；

9、 為系統(tǒng)的總壓，atm； 為系統(tǒng)的絕對溫度，K。3計算示例（1）DAB的實驗值：空氣-乙醚體系。首先將實驗數(shù)據(jù)點以y/2為縱座標； t/y為橫座標作圖，從圖中得到直線的斜率C=1.04×10-3，然后代入公式（2-6-6）得DAB=0.0908 cm2/s;(2) DAB的文獻值： 0.09446 cm2/s;（3）DAB的計算值： 0.09065 cm2/s。七實驗結(jié)果和討論1 給出實驗的主要結(jié)果。2思考題（1）本實驗中擴散的推動力是什么？（2）何謂穩(wěn)態(tài)擴散？本實驗屬于穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)擴散過程？（3）你了解哪些氣相擴散系數(shù)的經(jīng)驗計算公式，如何獲得？（4）氣相擴散系數(shù)的常用單位和量級范圍是什么？（5）氣體流量的大小，擴散管直徑的粗細，水浴溫度的高低對擴散系數(shù)有何影響？實驗中還有哪些因素會影響測量的結(jié)果？（6）擴散管管口處A組分的分壓PA0近似等于多少？為什么？如要精確處理，有何方法？八、實驗注意事項1實驗過程中，應隨時注意水浴溫度的恒定、氣體流量的穩(wěn)定。2. 讀取數(shù)據(jù)時要不斷調(diào)整測高儀上目鏡的水平氣泡，使得目鏡始終保持水平。3. 液面高度的讀取和所測時刻應保持同步。4測高儀上的光學鏡頭不可觸摸。5本實驗所選用的液體A是易揮發(fā)，易燃，易爆，低沸點的液體，應注意安全。九、參考文獻