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：

)ln(0

A

A A

B AZ P P P P Z T R P D N --=

（2-6-1） （2-6-1）式中，AZ N 为组分A 的传质通量，mol/m 2·s ；

AB D 为A 组分在B 组分中的扩散系数，cm 2/s ；

P 为系统总压，atm ；

R 为气体常数，82.06 atm ·cm 3 / (mol ·K) T 为系统温度，K ；

Z 为任意时刻t 时液面距水平段的距离，cm

A0P 为扩散管管口A 组分的分压，atm ；

0A P 为液体A 的饱和蒸汽压，atm ；

饱和蒸汽压P A 0可由Antoine 方程，C

T B

A P A +-

=0

ln （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： dt

dZ

M N A A AZ ρ=

（2-6-2）

（2-6-2）式中，A ρ为液体A 的密度；mol / cm 3；A M 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：

)ln(0

0A A A

AB A

P P P P RTZ PM D dt dZ --=ρ （2-6-3） 因为恒温恒压下二元扩散系数AB D 为常数，对上式积分、整理可得：

)()ln(200

0Z Z y t

P P P P RT P D y A

A A A

B ∆----⋅=ρ （2-6-4） （2-6-4）式中，0Z Z y i -=，相当于液面下降高度，cm （其中0Z 为管内液面距水平段的距离，i Z 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y/2与t/y 呈现一直线关系。以t/y 为横坐标，y/2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 ，

)ln(0

A

A A A

B P P P P RT P D

C --⋅=

ρ (2-6-5) 由斜率C 求出气相扩散系数D AB ， 1

0)ln(

---=A

A A A

B P P P P P

RT

C

D ρ （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。