二元气体扩散系数的一种测定方法

和 文献 值进 行 比较 ． 扩散 系统 的压 力为 １０ ３ ． １ Ｘ ５
１ ５Ｐａ ０
．
２ ３ 测定 扩 散距 离 ｚ ． 。的影 响
蒸发 管 的直 径 为 ｄ ＝１ ． ０ｍｍ， ２ ８Ｋ条 ３０ 在 ９
２ 实 验 结 果 与讨 论
２ １ 扩 散温 度 的影 响 ．
统 的扩 散 系 数 的适 用 范 围 为 ： ＞８ ｚ ０ｍｍ，Ｔ ＜
３ ０ Ｋ ．０ ＞７ ｈ． ３
系数 ， 合稳 态 扩 散 理论 ， 组 分 通过 静 止 组 结 将 分 Ｂ的扩散 描述 为 一维 拟稳 态 扩散 ， 并对 扩 散质
组分 Ａ进 行物料 衡算 ， 用 ＭＡ Ｌ Ｂ程序处 理数 使 ＴＡ
参 考文 献 ：
［ ］ Ｏ Ａ Ｚ Ｏ Ｋ ． ａｕｅ ｅ ｔ ｆ ｆ ｃｖ ｉｕｉ １ Ｋ Ｌ Ｃ Ｋ ＷＳ Ｉ Ｔ Ｍｅｓｒｍ ｎ ｏ ｅ ｅｔｅｄｆ ｓ — Ｓ ｆ ｉ ｆ ｖ ｉ ｎｃｔｙｔ ｏｔ ｏｏｉ ｓ Ｊ ． ａａ Ｔ ｄｙ ２ ０ Ｉ ｉ ａａ ｓｃａｅ ｍ ｎｌｈ ［ ］ Ｃ ｔ ｏａ ，０ ２， ｖ ｌ — ｄ ｔ ｌ
装置 的 主体为 细 长玻 璃 管 ， 其 置 于恒 压 恒 温 系 将 统 内．向玻 璃管 内注 入液体 Ａ， 液面 处组 分 ４的分 压 Ｐ 为测 定条件 下组 分 的饱 和蒸 汽压 ； 液体 Ａ 蒸发并 通过 “ 停滞 ”气层 Ｂ进行 扩散 ， 管 口处 的 在 分压非 常低 ， 可认 为 Ｐ ０ 在扩 散过 程 中 ， 体 ． 液
据 ， 到 二元气体 的扩散 系数 ． 得 蒸发 管法测 定 二 元气 体 的扩 散 系数 ， 验装 实
置简 单 ， 操作方 便易 行 ， 定结果 具有 良好 的重 复 测
性， 是直 接测量 二元 气体扩 散 系数 的方法 ． 实验 结 果表明， 该方法 是可 行 的 ， 且具 有较 高 的精 度 ．
件下 ， 气 一水系 统液 面下 降距 离 一Ｚ 与扩 散 空 。
距离 Ｚ 的关 系 ， 图 ４所示 ． 如
蒸 发管 的 直 径 ｄ ＝１． ０ｍ 扩 散 距 离 为 ３ ０ ｍ， １００ ｍ， 散时 间 为 １ ， 定 空 气 一水 系统 ０ ．０ｍ 扩 ０ｈ 测 的气 体扩 散 系数 ．
管 管 口组 分 的气 体分 压．
１ ２ 实验 过 程 ．
采 用蒸 发 管 法 测 定 空 气 一水 系 统 的扩 散 系 数， 即将水 作 为组 分 ４， 空气 作 为 组 分 Ｂ 把 水 将 ． 注入 蒸发 管后 ， 其 垂 直 于 水 平 面放 入 鼓 风 干 燥 将
箱 中 ， 持 鼓 风 干 燥 箱 中 的 温 度 和 压 力 Ｐ 常 保 （
二 元 气 体 扩 散 系数 的 一 种 测 定 方 法
徐 洪峰 ， 国香 ， 王 史继诚 ， 卢璐
（ 大连 交通 大学 环境科 学与工程 学院， 辽宁 大连 １６ ２ ） １０ ８ 米
摘
要： 结合化工传递过程 中二元气体 的稳态扩散原理 ， 通过拟稳态 假设 和物料衡算 ， 建立 了蒸发管技 术
建筑 材料 及食 品 行业 等 各 个领 域 ， 散 过 程 扩
复 杂 ， 括 众 多 扩散 机 理 ． 包 因此 ， 准确 快 速 地测 定
气 体扩 散 系数 ， 利于 加深对 传质 过程 的 了解 ， 有 具
有 重要 的理 论和 工 业 意 义． 由 于扩 散 系 数 的实 但 验 测定 比较 困难 ， 尚无 一 种准确 而统 一 的方法 ， 且 目前文 献 中扩散 系 数 的实验 数 据 远 不够 充 分 ， 使
ＤＢ ＝ Ａ ㈩
如 图 ２所 示 ， １ １ ３ ｋ ａ下 ， 的沸 点 为 在 ０ ． Ｐ 水 ３ ３Ｋ， 定温 度在 ２ ８～ ３ ７ 测 ９ ３ ０Ｋ范 围 内 ， 过 一段 经
扩散 时 间 ， 的液 面下 降距 离很小 ， 水 符合 拟稳 态扩 散模 型 ， 当测 定 温度 Ｔ ＞３０Ｋ时 ， 的 汽化 速 而 ３ 水
生 的误 差 ．
＠ ｏｄｒｄｍ ｓｐｒｕ ｈｌｓｓ ｍ［ ］ Ａ ｖＭ ｔ ，０ ９ ｒｅ ｅｏｏｏｓｓｅｌ ｙｔ Ｊ ． ｄ ａｅ ２ ０ ｅ ｅ ｒ
５可 以得 出二种 方法 之 间的误差 小 于 ４ 产 生误 ％．
差 的原 因 ： 标记 液 面高度 的时候 ， 角倾斜 可 能 ① 视
导致 的系统 误差 ； ②虽 然采 用 了水 平 尺做辅 助 ， 但
［ ］ Ａ Ｇ Ｘ ａｘ ， ＩＹ Ｇ Ｓ Ａ Ｆ Ｖ Ｎ Ｔ Ｎ Ｅ Ｉ ｅ ２ Ｙ Ｎ ｉ ｕ Ｌ Ｕ， Ｕ Ｔ Ａ Ａ Ｅ Ｄ Ｌ ｔ ｏ Ｏ，
压 ）恒定 ， 录 水 的 原 始 液 面 位 置 距 蒸 发 管 管 口 记
的距 离 ｚ 和 经过 一定 时 间 ０ 水 的液 面位 置距蒸 。 后 发 管管 口的距 离 ｚ 由式 （ ） ． １ 计算 空气 一水 系统 的 扩 散 系数． 响拟 稳 态 模 型 的 因素 有 扩 散 系 统 温 影 度 、 散 时间 （ 扩 以及 扩散 距 离 ，以下分 别对 这
扩散距 离 相 比液面 下 降 距离 非 常 小 ， 过 程 可 以 该
当作 稳态 扩散 过程处 理 ， 为拟稳 态扩 散 Ｊ ．
工 和科研 的实 际需 要 ， 文运 用 二 元气 体 组 分 稳 本
态扩 散 的基本 理论 ， 对扩 散 系统 的扩 散距 离 、 扩散 时 间和扩 散温 度进 行 研 究 ， 立 了一种 蒸 发 管 法 建 测定 二元 气体 扩散 系数 的方 法．
文 献 标 识 码 ： Ａ
０ 引 言
扩散 是物 系 中存 在 浓度 梯 度 的组分 ， 由高 浓
度 区向低浓 度 区转 移 的现 象 ， 质 的扩 散 系数 是 物 重要 的物 性 参 数 ＿ ． 散 现 象 遍 布 化 学 工 业 Ｊ １扩 Ｊ 、
系统 中 ， 一体 积元在 任一 时刻 ， 入 的物质 量与 任 流 流 出的物质量相等 ， 即任一点的浓度不 随时间变化 ． 如 图 １为本 实 验 测定 气 体 扩 散 系数 的装 置 ．
８ ８ ９ ３： ５— ５．
２ ４ 误 差分析 ．
空气 一水 系统 扩散 系数 的实验 值和 文献值 的
对 比结 果 如 图 ５所 示 （ 中直 线表 示 标 准 值 ， 其 散 点 表示实 验 值 ） 不 同温 度 下 空气 一水 系 统 的扩 ， 散 系数 文献计 算 值 由阿仑 尼 乌 斯 方 程求 出． 图 由
度很 快 ， 不是拟 稳态 扩散 ， 能采 用蒸发 管测 定方 不
式 中 ， 船 为组 分 Ａ蒸 汽通过 组分 Ｂ的扩散 系数 ； Ｄ
Ｐ为混合气体压力 ； Ｒ为通用气体 常数 ； Ｔ为热力 学 温度 ，。 ｚ 为组分 Ａ的原 始液 面 距 蒸 发 管 管 口的
距 离 ； 体组 分 ４液 面下 降后 距蒸 发管 管 口的距 液
测定二元气体扩散系数的方法． 并讨论 了扩散温度 、 扩散时 间和 扩散 距离 对拟稳态模 型的影 响 ， 立了蒸 确
发管法测定气体扩散系数 的适宜温度 、 时间和扩散高度范 围分别为 ： ＜ ３ ０＞ Ｔ ３０Ｋ、 ５ｈ和 ｚ ＞ ０ｍｌ 对 。 ８ ｉ， ｌ
液体蒸汽通过玻璃管 内静止空气的扩散进行测定 ， 测定结果与文献值一致． 关键词 ： 态扩 散 ； 稳 物料衡算 ； 扩散 系数
图 １ 测定蒸汽在 自由介质中扩散 系数装置
米 收 稿 日期 ：０２ ０ —４ ２ １ —４ ２
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（０ ７０ ８ ； ２９ ６ １ ） 辽宁省高校优秀人才支持计划资助项 目（ ０ ８ Ｃ ９ ２０Ｒ ０ ） 作者简 介 ： 徐洪峰 （９ ３一）男 ， １６ ， 教授 ， 博士 ， 主要从 事气 体传 递过程方 面的研究
２ ２ 测定 扩散 时间 ０的影 响 ．
蒸 发 管 的直径 为 ｄ ：１ ．０ｍ 扩 散距 离 为 ３ ０ ｍ， １０ ０ ０ ． ０ｍｍ， ３ ５Ｋ条 件 下 ， 同 的扩 散 时 间 ０ 在 ｌ 不 对拟 稳态模 型 的影 响 ， 图 ３所 示 ． 如
Ｐｍ
（） ２
式 中 ， 为液 体组 分 Ａ的饱 和蒸 汽压 ； 为蒸发 Ｐ ｐ：
图 ３ 扩散 系统 时 间 对模 型 的 影 响
由图 ３可 知 ， 定 时间 ０＜ ， 一 的 测 ５ｈ时 值很 大 ， 明扩散 过程 未达 到拟 稳态扩 散 ， 时不 说 此 适用 蒸发 管法 测定 方 法． 实验 的拟 稳 态扩 散 时 本
间采 用 ０＞５ｈ ．
几 个参 数展 开讨 论 ， 将 气体 扩 散 系 数 的实 验值 并
ａ ． ｎ ｐ ｒｉｌｓｗｉｈｎ ａｈｉｒ ｒ ｈｃ ｌｙ ｍａ ｒｐｏｏ ｏ ｅ １ Ｎａ ｏ ａ ｔｃｅ ｔ ｉ ｅ ａ ｃ ｉａｌ ｃｏ ｒ ｕｓｃ ｒ
仍有 可能无 法保 证 试 管 与水 平 面 垂 直 ； 用 数 显 ③
卡尺 量取 液面 高度 时产生 的误 差及读 取副 尺时 产
不 断消耗 ， 面随 时间 不 断下 降 ， 散距 离 随 液 扩
时 间不 断变 化 ， 过程 为非稳 态扩 散过 程． 液体 该 但 Ａ的蒸 发和扩 散速 率很 慢 ， 在很长 时 间 内 ， 与整 个
用简便 的实验仪 器 得 到 准确 的扩 散 系 数数 据 ， 是
实验研 究 者长期 追 求 的一个 目标 Ｊ 为 了适 应 化 ．
离 ；Ｂ ＰＭ为组 分 的对数 平均 分压
ｐ刖 ｐ — ｐ ， ＾ ｐ磁 ｐ —ｐ ， Ｍ ｐ口 ＰＺ —Ｐｍ Ｚ— —
ｌ ｎ ——
法测 定其 扩 散 系 数 ．所 以 ， 发 管法 测定 空气 一 ， 蒸 水系统气体扩散 系数 的合适温度范 围是 Ｔ＜ ３ ． ３０Ｋ
１ 实验 方 法
１ １ 实验装 置 ．
物质传 质机 理 包 括 分子 扩 散 和 主体 流 动 ｊ ． 分子 扩散 是物 质传 递 的基 本方 式 之 一 ， 在 有 浓 是
度梯 度 的情 况下 ， 由于分 子 的无 规 则 随机 热 运 动 产生 的物 质 传 递 现 象． 态 扩 散 Ｊ是 指 在 扩 散 稳 ，
Ｅ － ａｌ： ｎ ｇ １ ０ ｍ ｉ ｗａ ｇ ｘ ０ ０＠ １ ２６． ｏ ． ｃ ｒ ｎ
第 ５期
徐 洪峰， ： 等 二元气体 扩散系数的一种测定方法
９ １
对 扩散 系 统 中的组 分 Ａ进 行 物料 衡 算 ， 拟 该
稳 态扩 散过 程 的气体 扩 散系数 可用 式 （ ） 示 １表
第３ ３卷
第 ５期
大 连 交 通 大 学 学 报
Ｊ ＯＵＲＮ Ｏ ＤＡＬ ＡＮ ＪＡＯ ＯＮＧ ＡＬ Ｆ Ｉ Ｉ Ｔ Ｕ ＶＥ Ｉ Ｙ ＮＩ ＲＳ Ｔ
Ｖ０ ． ３ ＮＯ． １３ ５ ０ｏ ． ０１ ｔ２ ２
２１ ０ ２年 １ ０月
文 章 编 号 ：６ ３９ ９ （０ ２ ０ —００ ０ １７ —５０ ２ １ ）５ ０９ —３
图 ４ 扩 散 距 离对 模 型 的 影 响
源自文库Ｋ
由图 ４可知 ， 散距离 在 ２ ７ ｍ范 围 内 ， 扩 ０～ ０ｍ
一
图 ２ 扩散 系统温度对模型的影 响
。
随 的变 化很 快 ， 是 拟稳 态扩 散 ， 范 。 不 此
大 连 交 通 大 学 学 报
第３ ３卷
围不适 合 采 用 蒸 发 管 法 测 定 二 元 气 体 的 扩 散 系 数 ； 散距 离在 ８ 扩 ０～１０ｍｎ范 围 内 ， 一ｚ ２ ｌ ｚ 。 ｚ 随 。 基本 不变 ， 以建 立 拟 稳 态 扩 散 模 型 ， 采用 蒸 可 可 发管 法测定 空气 一水 系统 的扩散 系数 ． 由以上研究 可 得 ， 发 管 法测 定 空 气 一水 系 蒸