气相扩散系数的测定2

1、l在实验中将装有液体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。斯蒂芬扩散管示意图斯蒂芬扩散管示意图z惰性气体惰性气体B 液体液体A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

2、分A的传质通量可用下式表示：（2-6-1） )ln(00AAABAZPPPPZTRPDNl（2-6-1）式中，NAZ 为组分A的传质通量，mol/m2s；l DAB为A组分在B组分中的扩散系数，cm2/s；l P为系统总压，atm；l R为气体常数，82.06 atmcm3 / (molK)l T为系统温度，K； l Z为任意时刻t时液面距水平段的距离，cmlPAO为扩散管管口A组分的分压，atm；l 为液体A的饱和蒸汽压，atm；l（饱和蒸汽压PAO可通过查有关物性数据手册或用Antoine公式求出：0APl式中， PA0 液体A在T温度下的饱和蒸汽压，mmHg；T温度，K；A、B、CAnt

3、oine蒸汽压方程中的常数，可查相关物性数据手册和本书附录得到。）l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：CTBAPA0lndtdZMNAAAZl上式中， 为液体A的密度；mol / cm3；MA为主分A的分子量。 l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：（2-6-3）l因为恒温恒压下二元扩散系数为常数，对上式积分、整理可得：（2-6-4）A)ln(00AAAABAPPPPRTZPMDdtdZ)()ln(2000ZZytPPPPRTPDyAAAABl（2-6-4）式中，y=Zi- Zo ，相当于液面下降高度，cm（其

4、中Zo为管内液面距水平段的距离，Zi为任意时刻t的液面距水平段的距离）；Z末端长度修正因子，cm。l式（2-6-4）中的与呈现一直线关系。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，l由斜率C求出气相扩散系数DAB，)ln(00AAAABPPPPRTPDCl（2-6-6）l方程（2-6-4）和方程（2-6-6）是本测试方法的主要计算公式。 100)ln(AAAABPPPPPRTCD三实验装置和流程三实验装置和流程l1实验装置l 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

5、成，实验装置见图2-6-2。 2实验流程实验流程l实验装置如图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。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 图2-6

6、-3 实验流程示意图3实验试剂实验试剂 l 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：l 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。l实验惰性气体B可采用氮气或空气。4主要实验仪器及设备主要实验仪器及设备l测高仪 CGY1型 武汉测绘学院光学仪器厂 l测高仪 JQC1型 长春第一光学仪器厂l无油气体压缩机 WM2H型 天津市医疗器械二厂四实验步骤及分析方法四实验步骤及分析方法l1向斯蒂芬管中注入待测液体A。l2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。l3开启无油气体压缩机，用针形阀调节

7、气体的流量，用稳流阀温度流量。l4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。l5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。l6当温度升至所需实验温度，稳定1015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68个液面位置与时间的数据。l7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。五实验数据记录五实验数据记录l实验数据记录表，见表2-6-1。l测定体系： 体系温度 液面初始高度Zo cml空气流量 ml

8、/min 大气压 atm 装置号 _ 表表2-6-1 序号序号累计时间t（s）测高仪读数（cm） （cm） （s/cm）12345 6 7 8 9 10220iZZyyt六、实验数据处理六、实验数据处理l1）根据方程（2-6-4），以t/y为横坐标，y/2为纵坐标，求出斜率；根据方程（2-6-6）求出实测的气相扩散系数DAB，将计算所得数据分别列入表2-6-2。l2）在数据手册上查出DAB的文献值（注意：需利用公式2-6-7进行压力及温度校正）；利用经验公式2-6-8计算得出的DAB计算值，分别与本次实验所得的DAB实验值进行比较讨论，求出相对误差E1和E2。表表2-6-2 气相扩散系数及其对

9、比值气相扩散系数及其对比值sm /2物系斜率扩散系数DAB实测值计算值E1文献值E2使用的文献值校正公式如下：75.1122112TTPPDD（2-6-7） l 式（2-6-7）中，l P为系统的总压，atm；l T为系统的绝对温度，K； l D2 、D1 为气相扩散系数的文献值。l另外，DAB的经验计算公式如下：l式（2-6-8）中，l DAB为气相扩散系数，m2/s；l MA、MB为A和B两组分的分子量；l AB为平均碰撞直径，；l DAB为碰撞积分；l AB为分子间作用的能量；l 为系统的总压，atm；l 为系统的绝对温度，K。ABDABBAABPTMMD22/32/1711108583.1（2-6-8） 七实验结果和讨论七实验结果和讨论l1本实验进行扩散的推动力是什么？l2何谓稳态扩散？本实验属于稳态还是非稳态扩散过程？l3你了解哪些气相扩散系数的经验计算公式，如何获得？l4气相扩散系数的常用单位和量级范围是什么？l5气体流量的大小，扩散管直径的粗细，水浴温度的高低对扩散系数有何影响？实验中还哪些因素会影响测量的结果？l6扩散管管口处A组分的分压PA0近似等于多少？为什么？如要精确处理，你有何方法 八、实验注意