气相扩散系数的测定

1、精品文档实验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

2、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。惰性气体bz/ 液体a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：dabpp pa0naz -zb-ln(-t)(2-6-1 )rt zp pa(2-6-1 )式中，n az为组分a的传质通量，mol/m2 , s；2 .dab为a组分在b组分中的扩散系数，cm/s；p为系统总压，atm; 3 .r 为气体常数，82.06 atm - cm / (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，c

3、mpao为扩散管管口 a组分的分压，atm;p；为液体a的饱和蒸汽压，atm;00b饱和蒸汽压 pa可由antoine万程，ln paa （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：n az - （2-6-2 ）ma dt（2-6-2 ）式中， a为液体a的密度；mol / cm 3； ma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：(2-6-3 )dz dabpmaln(p pao)dt rtz p p；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:8欢在下载z)d

4、ab pi，pao、t ln(o)- (zoart p pay(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，zi为任意时刻t的液面距水平段的距离）；az末端长度彳正因子，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,c3ln（o）（2-6-5）art p pa0由斜率c求出气相扩散系数 dxb,dab crtln（ppa0）1（2-6-6 ）p p pa方程（2-6-4 ）和方程（2-6

5、-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

6、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-温控仪钳电阻探头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：无水乙醛（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ao2

7、 .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。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

8、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序号累计时间t测高仪读数zi（cm）y zo zi22(cm)ty(s/cm)min换算成s12345678910空气流量ml/min大气压 atm装置号六、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

9、的dab实验值进行比较讨论，求出相对误差ei和e2o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ez2使用的文献值校正公式如下：1.75(2-6-7 )- r丁2d2 d1 _p2ti式(2-6-7 )中,p为系统的总压，atm;t为系统的绝对温度，k;d 2、d为气相扩散系数的文献值。另外，dab的经验计算公式如下:dab7111.8583 10 7 ma2abmbdab1 /2?t3/2(2-6-8 )式(2-6-8 )中,d ab为气相扩散系数,m a、mb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；

10、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，ko3 .计算示例(1) dab的实验值：空气-乙醛体系。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=1.04x 10-3,然后代入公式(2-6-6 )得 dab=0.0908 cm 2/s;(2) d ab的文献值：1.75r t22,d2d1 一 一0.09446 cm /s;p2 t1(3) dab的计算值：1/2 7113/21.8583 10 7?trma mb2,dab 2 0.09065 cm /s。pab dab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

11、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pa0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篇化工基石