气相扩散系数的测定.doc

实验6稳态法气相扩散系数的测定、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：D AB P P PA0Naz Ab ln（ A00） （ 2-6-1）RT Z P PA（2-6-1 ）式中，Naz为组分A的传质通量，mol/m2 • s；Dab为A组分在B组分中的扩散系数，cm2/s；P为系统总压，atm;R 为气体常数，82.06 atm • cm3 / （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， cmPao为扩散管管口 A组分的分压，atm;Pa为液体A的饱和蒸汽压，atm；B饱和蒸汽压Pa0可由Antoine方程，In PA° A （见附录）求出。

T C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：AZa dZM A dt(2-6-2)（2-6-2）式中， A为液体A的密度；mol / cm3； M A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：dZdtD^ln(匚RTZ PPao(2-6-3)因为恒温恒压下二元扩散系数Dab为常数，对上式积分、整理可得:Dab"TrtPl n(旦士)丄(Zop Pa yZ)(2-6-4)（2-6-4）式中，y Zi Zo,相当于液面下降高度， cm （其中Z为管内液面距水平段的距离，乙为任意时刻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,Dab P aRTln((2-6-5)Pa由斜率C求出气相扩散系数 Dab ,ABaRTPln(巳0Pa0(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•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）实验惰性气体4•实验仪器及设备（1）测高仪测高仪（2 ）无油气体压缩机、乙酸乙酯（分析纯）等B可采用氮气或空气CGY — 1 型JQC— 1 型WM — 2H 型武汉测绘学院光学仪器厂长春第一光学仪器厂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 表2-6-1 实验数据记录表测定体系体系温度 C 液面初始高度Z0 cm空气流量 ml/min大气压 atm 装置号序号累计时间t测高仪读数Zi（cm）y Zo Zi2 2t ymin换算成s(cm)(s/cm)12345678910六、实验数据处理1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，将计算所得数据列入表 2-6-2。

2•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Ei和E2表2-6-2气相扩散系数及其对比值物系斜率扩散系数Dab （ m2 /s）实测值计算值E1文献值E2使用的文献值校正公式如下：1.75(2-6-7)d2 d1-p^ T2P2 Ti式（2-6-7）中,P为系统的总压，atm;T为系统的绝对温度，K ;D2、Di为气相扩散系数的文献值另外，Dab的经验计算公式如下:Dab7 1 11.8583 10M A M BP 2AB Dab1/2?t3/2(2-6-8)式(2-6-8)中,Dab为气相扩散系数，m2/s；M a、M b为A和B两组分的分子量;(T AB为平均碰撞直径，？；Q DAB为碰撞积分；£ AB为分子间作用的能量；P为系统的总压，atm;T为系统的绝对温度，K3.计算示例(1) Dab的实验值:空气-乙醚体系首先将实验数据点以 y/2为纵座标；t/y为横座标作图,从图中得到直线的斜率 C=1.04 X 10-3,然后代入公式(2-6-6 )得 Dab=0.0908 cm2/s;D2D』T2P2 T10.09446 cm2/s;(3)Dab的计算值：1Ma1/21 ?t3/2MbDAB1.8583 10 7P2ABDAB⑵Dab的文献值:1.750.09065 cm2/s。

七. 实验结果和讨论1.给出实验的主要结果2思考题(1)本实验中扩散的推动力是什么?(2 )何谓稳态扩散？本实验属于稳态还是非稳态扩散过程?(3) 你了解哪些气相扩散系数的经验计算公式，如何获得？(4) 气相扩散系数的常用单位和量级范围是什么？(5 )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 还有哪些因素会影响测量的结果？(6)扩散管管口处 A组分的分压Pao近似等于多少？为什么？如要精确处理，有何方法?八、实验注意事项1实验过程中，应随时注意水浴温度的恒定、气体流量的稳定2•读取数据时要不断调整测高仪上目镜的水平气泡，使得目镜始终保持水平3•液面高度的读取和所测时刻应保持同步4 •测高仪上的光学镜头不可触摸5 •本实验所选用的液体 A是易挥发，易燃，易爆，低沸点的液体，应注意安全九、参考文献1《化学工程手册》 编辑委员会•化学工程手册，第1篇化工基础数据•北京：化学工业出版社，19802 •天津大学，等.化工传递过程.北京：化学工业出版社，1980附录Antoine方程中常用的几种物质的常数 A、B、C见下表:物质名称Antoine 常数 AAntoine 常数 BAntoine 常数 C乙醚丙酮。