液液傳質(zhì)系數(shù)的測定

1、液液傳質(zhì)系數(shù)的測定（驗證性實驗）實際萃取設(shè)備效率的高低，以及怎樣才能提高它的效率，是人們十分關(guān)心的問題。 為了解決這些問題，必須研究影響傳質(zhì)速率的因素和規(guī)律，以及探討傳質(zhì)過程的機理。 近幾十年來，人們雖已對兩相接觸面的動力學(xué)狀態(tài)，物質(zhì)通過界面的傳遞機理和相界面 對傳遞過程的阻力等問題進行研究，但由于液液傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，許多問題還沒有得 到滿意的解答，有些工程問題不得不借助于實驗的方法或憑經(jīng)驗來處理。這些都說明對 基本理論還有待于進一步的研究。本實驗的提出，旨在使學(xué)生能夠直接了解測定液液傳 質(zhì)系數(shù)的一種實驗方法，并通過改變不同的實驗條件，如流動情況、物系性質(zhì)等，從而 進一步探討各因素對液液界面

2、傳質(zhì)的影響機理和對傳質(zhì)速率的影響程度。實驗原理工業(yè)設(shè)備中，常將一種液相以滴狀分散于另一液相中進行萃取。但當(dāng)流體流經(jīng)填料、 篩板等內(nèi)部構(gòu)件時，會引起兩相高度的分散和強烈的湍動，傳質(zhì)過程和分子擴散差別很 大，再加上液滴的凝聚與分散，流體的軸向返混等問題，使得影響傳質(zhì)速率的主要因素， 如兩相實際接觸面積、傳質(zhì)推動力等都難以確定。因此在實驗研究中，常將過程進行分 解，采用理想化和模擬的方法進行處理?！耙阂簜髻|(zhì)系數(shù)的測定一單液滴實驗”就是“理 想化”實驗方法的一個例子。它將研究萃取塔中液滴群的傳質(zhì)行為及機理簡化為研究單 個液滴的運動行為和傳質(zhì)機理，然后概括所得結(jié)果，再作進一步的工作，去解決液滴群 的傳質(zhì)

3、問題，Lewis于1954年提出用一個恒定界面的容器，研究液液傳質(zhì)的方法則是另 一種理想化的實驗方法。從Lewis Cell裝置的特點來看，它能在給定界面面積的情況下， 分別控制兩相的攪拌強度，以造成一個相內(nèi)全混、界面無返混的理想流動狀況，因而明 顯地改善了設(shè)備內(nèi)流體力學(xué)條件及相際接觸面積對測定傳質(zhì)系數(shù)的影響因素，而且不存 在單液滴技術(shù)中因液滴的形成與凝聚而造成端效應(yīng)的麻煩。因此，這種方法被許多研究 者所采用，并且得到不斷地改進。本實驗即采用一改進型的Lewis池進行各種實驗。由 于Lewis池具有恒定界面的特點，當(dāng)實驗在給定的攪拌速度及恒定的溫度下，測定各相 濃度隨時間的變化關(guān)系，就可方便地

4、用物料衡算及速率方程獲得傳質(zhì)系數(shù)。4Adft4Adft=K (C -C*) = K (C*-C )(1)式中：Vw、Vot時刻水相和有機相的體積A界面面積Kw、Ko以水相濃度和有機相濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)Cw*與有機相濃度成平衡的水相濃度CO*與水相濃度成平衡的有機相濃度若平衡分配系數(shù)能近似取常數(shù)，則C *W-C *W-mCw （2）式（1）中的dc/dt的值，可將實驗數(shù)據(jù)進行擬合，然后求導(dǎo)得到。 Ce Ce. C *C *若將系統(tǒng)達到平衡時的水相濃度W和有機相濃度O替換式（1）中的W和O， 則對（1）式積分可推出:=匕 ln CW(t)（3）AtC - Cw (o)（3）KO（4）_ 匕姑 c

5、； - c, (t) _ A cO - c0(o)KO（4）ln Ce-C（t）以 Ce - C（o）對t作圖從斜率也可獲得傳質(zhì)系數(shù)。根據(jù)傳質(zhì)系數(shù)，就可討論流動情況，物系性質(zhì)等對傳質(zhì)速率的影響程度。因液液相 際的傳質(zhì)比汽液相際的傳質(zhì)復(fù)雜，若用雙膜模型處理液液相的傳質(zhì)，即假定界面是靜 止不動的，在相界面上沒有傳質(zhì)阻力，兩相呈平衡狀態(tài)；緊靠界面兩側(cè)是兩層滯流液 膜；傳質(zhì)是阻力由兩液膜阻力疊加而成；溶質(zhì)分子靠擴散進行傳遞。結(jié)果常出現(xiàn)較 大的偏差。實際上，在相界面往往是不平靜的，除了主流體中的旋渦分量時常會沖到液 面上外，有時因為流體力學(xué)的不穩(wěn)定，界面附近本身也會產(chǎn)生騷動使傳質(zhì)速率增加好多 倍。而微量

6、的表面活性物質(zhì)的存在又可使傳質(zhì)速率減少。關(guān)于產(chǎn)生界面現(xiàn)象和界面不穩(wěn) 定性的原因有關(guān)文獻已有報導(dǎo)，大致分為：界面張力梯度導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。在相界面上由于濃度的不完全均勻，因此界 面張力也有差異。這樣，界面附近就開始隨機變化導(dǎo)致相界面上發(fā)生強烈的旋渦現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象稱為Marangoni效應(yīng)。根據(jù)物系的性質(zhì)和操作條件的不同，又可分為規(guī)則型和不規(guī)則型界面運動。前者又稱為規(guī)則的流體不穩(wěn)定性或Marangoni不穩(wěn)定性，它是與靜 止的液體有關(guān)。后者又稱為瞬時騷動，是與流動或強制對流的存在有關(guān)。密度梯度引起的不穩(wěn)定性。出來界面張力梯度回導(dǎo)致流體的不穩(wěn)定性外，一定條 件下密度梯度的存在，界面處的流體在重力場的

7、作用下也會產(chǎn)生不穩(wěn)，即所謂的Taylar 不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象對界面張力導(dǎo)致的界面對流有很大的影響。穩(wěn)定的密度梯度會把界面 對流限制在界面附近的區(qū)域。而不穩(wěn)定的密度梯度會產(chǎn)生離開界面的旋渦，并且使空氣 滲入到主體相中去。表面活性劑的作用。表面活性劑是降低液體界面張力的物質(zhì)，只要很低的濃度， 它就會積聚在相界面上，使界面張力下降。使得該物系的界面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系就 比較小了，或者幾乎沒有什么關(guān)系，所以只要少量的表面活性劑就可抑制界面不穩(wěn)定性 的發(fā)展，制止界面湍流。另外，表面活性劑在界面處形成吸附層時，有時會產(chǎn)生附加的 傳質(zhì)阻力，減小了傳質(zhì)系數(shù)。實驗裝置及流程實驗所用的Lewis池，如圖9-1所示

8、。它是由一端內(nèi)徑為0.1m，高為0.12m，壁厚 為8X10-3m的玻璃圓筒構(gòu)成。池內(nèi)體積為900ml，用一塊聚四氟乙烯制成的界面環(huán)（環(huán) 上每個小孔的面積為3.8m2），把池分割成大致等體積的兩隔室。兩隔室的中間部位裝有 互相獨立的六葉攪拌漿，在攪拌漿的四周各裝設(shè)六葉垂直擋板，其作用在于防止在較高 攪拌強度下造成界面擾動。兩攪拌漿由一直流電機通過皮帶輪驅(qū)動。一光電傳感器監(jiān)測 著攪拌漿的轉(zhuǎn)速，并裝有可控硅調(diào)速裝置，可方便地調(diào)整轉(zhuǎn)速。兩液相的加料經(jīng)高位槽 注入池內(nèi)，取樣通過上法蘭的取樣口進行。另設(shè)恒溫夾套，以調(diào)節(jié)和控制池內(nèi)兩相的溫 度。為防止取樣后，實際傳質(zhì)界面發(fā)生變化，在池的下端配有一升降臺，以

9、隨時調(diào)節(jié)液 面處于界面環(huán)中心線處。圖 9-1 Lewis CeCl 圖1一進料口； 2一上攪拌漿；3一夾套；4玻璃筒；5一出料口； 6一恒溫水接口； 7一襯墊；8一皮帶輪;9一取樣口； 10垂直擋板；11界面環(huán)；12一攪拌漿；13一拉桿；14法蘭實驗注意事項裝置在安裝前，先用丙酮清洗各個部位，以防表面活性劑污染了系統(tǒng)。加料時，不要將兩相位置顛倒，即較重的一相先加入，然后調(diào)節(jié)界面 環(huán)中心線的位置與液面重合，再加入第二相。第二相加入時應(yīng)小心，避免產(chǎn)生 界面騷動。啟動攪拌漿約30分鐘，使兩相互相飽和，然后由高位槽加入一定量的 醋酸。因溶質(zhì)傳遞是從不平衡到平衡的過程，所以，當(dāng)溶質(zhì)加完后就應(yīng)開始計 時。

10、溶質(zhì)加入前，應(yīng)預(yù)先調(diào)節(jié)好實驗所需的轉(zhuǎn)速，以保證改整個過程處于 同一流動條件下。各相濃度按一定的時間間隔同時取樣，每相取1ml。實驗流程見圖9-2。圖9-2液一液傳質(zhì)系數(shù)測定實驗流程簡圖實驗內(nèi)容本實驗所用物系為水一醋酸一乙酸乙酯，有關(guān)物性和平衡數(shù)據(jù)列表如下:表1純物系性質(zhì)表物性物系 、粘度X 105M(Pa s)表面張力(N/m)密度P(g/l)擴散系數(shù)DX109(m2/s)水100.4272.67997.11.346醋酸130.023.901049乙酸乙酯48.024.189013.69表2 25C醋酸在水相與酯相中的平衡濃度酯相wt%0.02.505.777.6310.1714.2617.73水相wt%0.02.906.127.9510.1313.8217.25以醋酸為溶質(zhì)，由一相向另一相傳遞的萃取實驗可進行以下內(nèi)容：測定各相濃度隨時間的變化關(guān)系，求取傳質(zhì)系數(shù)。改變攪拌強度，測定傳質(zhì)系數(shù)，并關(guān)聯(lián)攪拌速度與傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系。進行系統(tǒng)污染前后的傳質(zhì)系數(shù)測定，并對污染前后的實驗數(shù)據(jù)進行比 較，解釋系統(tǒng)污染對傳質(zhì)的影響。改變傳質(zhì)方向，探討界面湍動對傳質(zhì)系數(shù)的影響程度。分析方法:采用酸堿中和滴定法測定酯相和水相的醋酸含量co,cw。(3