氣相擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)6 穩(wěn)態(tài)法氣相擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解一維擬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散傳質(zhì)的基本原理。2掌握用斯蒂芬管（Stefan Cell）測(cè)定氣相擴(kuò)散系數(shù)的方法。3對(duì)比討論氣相擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。二、實(shí)驗(yàn)原理將裝有液體A的斯蒂芬擴(kuò)散管（見(jiàn)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(guò)擴(kuò)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(kāi)管頂有一定距離，故可認(rèn)為在液面上部為一靜止氣層B，蒸發(fā)的組分A向上通過(guò)靜止氣層B擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(kuò)散距離Z不斷隨時(shí)間增加

2、，記錄時(shí)間t與距離Z的關(guān)系即可計(jì)算出組分A在氣相B中的擴(kuò)散系數(shù)。z惰性氣體B 液體A 圖2-6-1 斯蒂芬擴(kuò)散管示意圖上述擴(kuò)散過(guò)程可視為組分A通過(guò)靜止組分B的一維擴(kuò)散過(guò)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(kuò)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(shí)刻t時(shí)液面距水平段的距離，cm為擴(kuò)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(jiàn)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(kuò)散傳質(zhì)通量應(yīng)等于蒸發(fā)通量，經(jīng)對(duì)方程（2-6-1）和方程（2-6-2）的整理得到： （2-6-3）因?yàn)楹銣睾銐合露獢U(kuò)散系數(shù)為常數(shù)，對(duì)上式積分、整理可得： （2-6-4）（2-6-4）式中，相當(dāng)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(shí)刻t的液面距水平段的距離）；Z末端長(zhǎng)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(biāo)，為縱坐標(biāo)，將測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖（可以在坐標(biāo)標(biāo)紙上作圖，也可以在

4、計(jì)算機(jī)上用最小二乘法回歸計(jì)算）求出斜率C， (2-6-5)由斜率C求出氣相擴(kuò)散系數(shù)DAB， （2-6-6）方程（2-6-4）和方程（2-6-6）是本測(cè)試方法的主要計(jì)算公式。三實(shí)驗(yàn)裝置和流程1實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)裝置由玻璃恒溫水浴（內(nèi)含斯蒂芬實(shí)驗(yàn)管）、儀表控制柜、測(cè)高儀、無(wú)油氣體壓縮機(jī)等組成，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2-6-2。 圖2-6-2 實(shí)物裝置圖2實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖2-6-3所示。實(shí)驗(yàn)中先將易揮發(fā)的待測(cè)液體A裝入斯蒂芬管擴(kuò)散管（7）至一定高度。惰性氣體B（空氣）由無(wú)油氣體壓縮機(jī)（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(jì)（4）計(jì)量后進(jìn)入恒溫水?。?1）下部的氣體預(yù)熱器（5

5、）預(yù)熱，經(jīng)預(yù)熱后，使流經(jīng)擴(kuò)散管頂部的氣體溫度達(dá)到水浴設(shè)定的溫度，并將A組分帶走排入大氣。 圖2-6-3 實(shí)驗(yàn)流程示意圖1-無(wú)油氣體壓縮機(jī) 2-針形閥 3-穩(wěn)流閥 4-轉(zhuǎn)子流量計(jì) 5-氣體預(yù)熱器 6-攪拌器 7-斯蒂芬擴(kuò)散管 8-數(shù)顯溫控儀 9-測(cè)高儀 10-精密溫度計(jì) 11-恒溫水槽 12-加熱器 13-溫控儀鉑電阻探頭3實(shí)驗(yàn)試劑 本實(shí)驗(yàn)中液體A所采用的試劑從以下幾種試劑中選用一種： 無(wú)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(wú)水乙醇（分析純）、乙酸乙酯（分析純）等。實(shí)驗(yàn)惰性氣體B可采用氮?dú)饣蚩諝狻?實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備 （1）測(cè)高儀 CGY1型 武漢測(cè)繪學(xué)院光學(xué)儀器

6、廠 測(cè)高儀 JQC1型 長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠 （2）無(wú)油氣體壓縮機(jī) WM2H型 天津市醫(yī)療器械二廠四實(shí)驗(yàn)步驟及分析方法1向斯蒂芬管中注入待測(cè)液體A。2開(kāi)啟控溫儀電源，開(kāi)啟恒溫水浴的攪拌裝置，設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度，并自動(dòng)控溫。3開(kāi)啟無(wú)油氣體壓縮機(jī)，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(shí)，熟悉掌握測(cè)高儀的正確使用和準(zhǔn)確讀數(shù)方法。5記錄下水浴溫度（即該物系的擴(kuò)散溫度）、氣體流量、在氣壓計(jì)上讀取當(dāng)天的大氣壓數(shù)據(jù)。6當(dāng)溫度升至所需實(shí)驗(yàn)溫度，穩(wěn)定1015分鐘后，開(kāi)始讀取測(cè)高儀中的液面高度。以后每隔15分鐘測(cè)定一次液面位置數(shù)據(jù)，記下時(shí)間。整個(gè)實(shí)驗(yàn)至少要求有68個(gè)液面位置與時(shí)間的數(shù)據(jù)。7實(shí)驗(yàn)完

7、畢后，關(guān)閉氣源（無(wú)油氣體壓縮機(jī)）和電源（控溫儀及攪拌器），置各閥于正常位置，將擴(kuò)散管內(nèi)的剩余液體吸出，清理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。五實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表，見(jiàn)表2-6-1。表2-6-1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表測(cè)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(hào) 序號(hào)累計(jì)時(shí)間 t測(cè)高儀讀數(shù)（cm）（cm）（s/cm）min換算成s12345 6 7 8 9 10六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1根據(jù)方程（2-6-4），以t/y為橫坐標(biāo)，y/2為縱坐標(biāo)，求出斜率；根據(jù)方程（2-6-6）求出實(shí)測(cè)的氣相擴(kuò)散系數(shù)DAB，將計(jì)算所得數(shù)據(jù)列入表2-6-2。2在數(shù)據(jù)手冊(cè)上查出DAB的文獻(xiàn)值（注意：需利用公式2-

8、6-7進(jìn)行壓力及溫度校正）；利用經(jīng)驗(yàn)公式2-6-8計(jì)算得出的DAB計(jì)算值，分別與本次實(shí)驗(yàn)所得的DAB實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較討論，求出相對(duì)誤差E1和E2。表2-6-2 氣相擴(kuò)散系數(shù)及其對(duì)比值物系斜率擴(kuò)散系數(shù) （）實(shí)測(cè)值計(jì)算值E1文獻(xiàn)值E2使用的文獻(xiàn)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(duì)溫度，K； D2 、D1 為氣相擴(kuò)散系數(shù)的文獻(xiàn)值。另外，DAB的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下： （2-6-8）式（2-6-8）中， DAB為氣相擴(kuò)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(duì)溫度，K。3計(jì)算示例（1）DAB的實(shí)驗(yàn)值：空氣-乙醚體系。首先將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)以y/2為縱座標(biāo)； t/y為橫座標(biāo)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(xiàn)值： 0.09446 cm2/s;（3）DAB的計(jì)算值： 0.09065 cm2/s。七實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論1 給出實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果。2思考題（1）本實(shí)驗(yàn)中擴(kuò)散的推動(dòng)力是什么？（2）何謂穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散？本實(shí)驗(yàn)屬于穩(wěn)態(tài)還是非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過(guò)程？（3）你了解哪些氣相擴(kuò)散系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，如何獲得？（4）氣相擴(kuò)散系數(shù)的常用單位和量級(jí)范圍是什么？（5）氣體流量的大小，擴(kuò)散管直徑的粗細(xì)，水浴溫度的高低對(duì)擴(kuò)散系數(shù)有何影響？實(shí)驗(yàn)中還有哪些因素會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果？（6）擴(kuò)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(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)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(shí)要不斷調(diào)整測(cè)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(cè)時(shí)刻應(yīng)保持同步。4測(cè)高儀上的光學(xué)鏡頭不可觸摸。5本實(shí)驗(yàn)所選用的液體A是易揮發(fā)，易燃，易爆，低沸點(diǎn)的液體，應(yīng)注意安全。九、參考文獻(xiàn)