气体扩散系数的测定
气体扩散系数的测定和计算
实验目的
1. 了解和掌握气体扩散系数测定的一般方法
2. 测定并计算气体扩散系数
实验原理
气体的扩散系数与系统的温度、压力以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关。测定二元气体扩散系数的常用方法有蒸发管发、双容积法、液滴蒸发法等。这里以蒸发管法为例进行说明。下图所示为蒸发管法测定气体扩散系数的装置。
将此装置置于恒温、恒压的系统内。测定时，将液体A 注入圆管的底部，使气体B 徐徐地流过关口。圆管中待测组分A 汽化并通过气层B ，组分A 扩散到管口处即被气体B 带走，使得管口处的浓度很低，可认为p A2为0，而液面处组分A
的分压p A1为在测定条件下的组分A 饱和蒸汽压。此过程可近似看作稳态过程。
若气体B 不能溶解于液体A 中，则该过程为组分A 通过停滞组分B 的稳态扩散过程。则组分A 的扩散通量为
)(21A A BM
AB A p p zp RT p D N -?=
对组分A 物料衡算得 A A A M Ad N dzA θρ=
整理得
θ
ρd dz M N A A A = 又该过程为稳态过程则有
θ
ρd dz M p p zp RT p D N A A A A BM AB A =-?=
)(21 对上式积分得 ??
-=z z A A A AB BM A zdz p p pM D RTp d 0)(210ρθθ
得 2)(2
0221z z p p pM D RTp A A A AB BM A --=ρθ 也即
2)(2
0221z z p p M p RTp D A A A BM A AB --=θρ 测定时，可记录一系列时间间隔与z 的对应关系，便可由上式计算出气体的扩散系数D AB 。
实验装置
1-加热器开关 2-真空泵开关 3-空气泵 4-水浴 5-温度计
6-加热器控制器 7-毛细管 8-游标卡尺 9-显微镜
实验步骤
1.将甲醇溶液注入毛细管中，深度约35mm。把顶端螺母从金属接头配
件上旋下，仔细地把毛细管通过螺母内的橡胶圈，直到毛细管的顶端
固定在螺母的顶端面上，缓慢地旋转螺母，使“T”严对显微镜。把
真空泵管接到“T”的一端上。
2.安装显微镜，调节物镜，使它离容器20-30mm，调整显微镜的垂直高
度直到毛细管能够看见。
3.弯月面看到后，滑动游标卡尺的滑尺，与固定尺上的相应的刻度成一
直线。
4.开启真空泵，记录毛细管中弯月面的距离。
5.开启控制温度的水浴，记录毛细管中弯月面变化的距离。
6.15分钟后关掉水浴，记录毛细管中弯月面变化的距离。
7.开启水浴，重复上述6操作。
参考文献
[1] 陈涛,张国亮.化工传递过程基础[M].北京:化学工业出版社出版社,2008
[2] 华中农业大学气体扩散系数讲义
氯离子扩散系数测定方法492法
混凝土氯离子扩散系数快速测定方法 北欧试验方法 NT BUILD 492 中交武汉港湾工程设计研究院有限公司
氯离子扩散实验—北欧实验方法 NT BUILD 492 1.范围 本过程可以从非稳态迁移实验确定混凝土、砂浆或者水泥基修补的材料中氯化物的迁移系数. 2.适用领域 本实验方法适用于在实验室中成型或者从建筑物上钻取的试样.氯离子迁移系数的方法是测量被测材料对氯离子渗透的电阻.这种非稳态下的迁移系数不能直接与从其他实验方法获得的氯化物的扩散系数相比较,例如非稳态下的浸渍实验或者稳态下的迁移实验. 3.参考文献 ① NT BUILD 201,“Concrete:Making and curing of moulded test specimens for strength tests”,2nd ed.,Approved 1984-05. ②NT BUILD 202,“Concrete,hardened:Sampling and treatment of cores for strength tests”,2nd ed.,Approved 1984-05. ③NT BUILD 208,“Concrete,hardened:Chloride content”,2nd ed.,Approved 1984-05. ④Tang,L and Soensen,H.E.,“Evaluation of the Rapid Test Methods for Chloride Difficient of Concrete,NORDTEST Project No.1388-98”,SP Report 1998:42,SP Swedish National Testing and Research Institute,Boras,Sweden,1998. 4.定义 迁移:离子在外加电场作用下的运动. 扩散:分子或离子在浓度梯度的作用下的一种运动,确切的说是化学电势,即从一个高的浓度区到一个底的浓度区. 5.取样 该实验方法需要直径为100mm、厚度为50mm的圆柱形试样,该试样可以从成型的圆柱试件上或至少为100mm的芯样上切割得到.该圆柱形或芯样应该各自满足在NT BUILD 201和NT BUILD 202中所描述的条件.在实验中需要三个试件. 6.实验方法 6.1原理 在试件的轴向上利用外部的电势能迫使试件外部的氯离子向试件内部迁移。经过一段时间后，将该试件沿轴向方向劈裂，在新劈开的断面上喷射硝酸银溶液，从生成的可见的白
试验设计分子扩散系数测定
实验设计：丙酮分子扩散系数测定 一、实验原理 扩散属于由于分子扩散所引起的质量传递，扩散系数在工业中是一项十分重要的物性指标。 在如图所示的垂直细管中盛以待测组分的液体A，该组分通过静止气层Z扩散至管口被另一头气流B带走。紧贴液面上方组分A的分压为液体A在一定温度下的饱和蒸汽压，管口处A的分压可视为零，组分A的汽化使扩散距离Z不断增加。记录时间t与Z的关系即可计算A在B中的扩散系数。 液体A通过静止气体层的扩散为单相扩散，此时传递速率： N=D/(RTZ) ·P/P·(P－P) 可写成: A2AA1Bm N=ρ/RT·D/Z·ln(P/P) (a) B1AB2设S为细管的截面积，ρ为液体A密度。在dt时间内汽化的液体A的量应等于液体A扩散出管口的量，即 SNdt=ρSdZ/N 或: AA N=ρ/M·dZ/dt AA (b) 二、计算公式 T形管： 横管为两端开口的普通玻璃管，用于气体流通；竖管为下端封口的毛细管，用于盛放丙酮溶液(丙酮为被测气体)，由于使用了毛细管，可以将被测气体的扩散视为一维的竖直扩散。． 真空泵： 可生成20-60kPa的负压，使毛细管中扩散出的气体迅速离开管口，以保证管口处被测气体浓度不变(接近零)。 游标卡尺： 实验中使用精度为0.1mm的游标卡尺，可以通过显微镜对毛细管内的液位进行测量。 显微镜： 由于游标卡尺刻度较密，且置于水浴箱中，要借助显微镜进行读数。
水浴箱： 毛细管浸于水浴池中，使毛细管内液体保持恒温。另外，温度高时扩散较快，可加快实验速度。实验中要求设定为50度。 系统时钟：可成倍加快实验速度，减少实验中的等待时间。 扩散系数：D=BρRT/(2MP) ·1/ln(P/P)B1AB23；797kg/m ρ—丙酮密度，T—扩散温度，实验中要求设定为232K； M—丙酮分子量，58.05；A P—大气压，100kPa； P—空气在毛细管出口处的分压，可视为P；B2**为丙酮的饱和蒸气压，P=P-P —空气在毛细管内液面处的分压，P，P AB1B1A*=50kPa；时P232K A2为纵坐标作图得到的直线的斜率。Z B—以时间t为横坐标，2为纵坐标，时间的数据，以Z实验时每隔10-15分钟测量一次扩散距离Z 为横坐标作图可得到B，将所有数据带入计算公式即可求得扩散系数。 三、注意事项 1.开始测量数据后，不要改变水浴温度，温度对扩散速率有影响。 2.测量时真空泵要一直开启。 3.计算时要注意单位的统一。 试验步骤： 进入实验后，水浴加热器与真空泵均未开启，鼠标点击两个红色开关即可打开相应的设备。． 打开水浴加热器后，点击显示仪表盘可出现温度设置窗口，将温度设定为50度。仪表盘默认显示的是当前实际温度，要察看或改变设定温度应按下右侧的“调节”按钮。仪表盘将显示设定温度的同时，设定温度的个位或十位处于闪动状态，闪动状态的数字可以调节，再次按下“调节”按钮可以切换闪动位。 仪表盘右上方的“升高”与“降低”两个按钮可以对闪动数字进行调节。 调节完成后按下“设定”按钮即可切换到实际温度显示。 调节状态下，若30秒不进行任何操作，将自动切换回实际温度显示。 主界面的水浴温度显示盘下有3个温度指示灯，它们是用来指示水浴加热器工作状态的。 黄灯闪烁说明实际温度已高于设定值，正在降温。 红灯闪烁说明实际温度还未达到设定值，正在加热。 绿灯闪烁说明实际温度已达到设定值，正在保温。 点击真空泵的显示仪表盘也可出现设置窗口，不过实验中只是要保证气体流动顺畅，故实际上不需要对其进行调节，只要将泵打开即可。 仪表盘显示的是真空泵设定的压力，右侧的两个按钮可对真空泵压力进行调整，点击一次调整10kPa。 确定水浴温度达到50度、真空泵打开后，即可开始测量实验数据。鼠标点击主界面上的显微镜即可出现显微镜的观测窗口。 第1次打开显微镜的观测窗口时，由于显微镜还没有对准毛细管的液面，故看不见液面与卡尺。通过点击右上侧框格中的4个按钮，
扩散系数计算
7.2.2扩散系数 费克定律中的扩散系数Ｄ代表单位浓度梯度下的扩散通量，它表达某个组分在介质中扩散的快慢，是物质的一种传递性质。 一、气体中的扩散系数 气体中的扩散系数与系统、温度和压力有关，其量级为5 2 10/m s -。通常对于二元气体Ａ、B 的相互扩散，Ａ在B 中的扩散系数和B 在A 中的扩散系数相等，因此可略去下标而用同一符号Ｄ表示，即AB BA D D D ==。 表７－１给出了某些二元气体在常压下（5 1.01310Pa ?）的扩散系数。 对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由富勒（Fuller ）等提出的公式： 1/31/32 [()()]A B D P v v = +∑∑ （７－１９） 式中，D －Ａ、B 二元气体的扩散系数，2 /m s ； P －气体的总压，Pa ； T －气体的温度，Ｋ； A M 、 B M －组分Ａ、B 的摩尔质量，/kg kmol ； A v ∑、B v ∑－组分Ａ、B 分子扩散体积，3 /cm mol 。 一般有机化合物可按分子式由表７－２查相应的原子扩散体积加和得到，某些简单物质则在表７－２种直接列出。 5
式７－１９的相对误差一般小于１０％。 二、液体中的扩散系数 由于液体中的分子要比气体中的分子密集得多，因此也体的扩散系数要比气体的小得多，其量级为9 2 10/m s -。表７－３给出了某些溶质在液体溶剂中的扩散系数。 对于很稀的非电解质溶液（溶质Ａ＋溶剂Ｂ），其扩散系数常用Wilke-Chang 公式估算： 15 0.6()7.410 T B AB A M T D V -φ=?μ 2/m s （７－２１） 式中，AB D －溶质Ａ在溶剂Ｂ中的扩散系数（也称无限稀释扩散系数），2 /m s ； T －溶液的温度，Ｋ； μ－溶剂Ｂ的粘度，.Pa s ； B M －溶剂Ｂ的摩尔质量，/kg kmol ； φ－溶剂的缔合参数，具体值为：水2.6；甲醇1.9；乙醇1.5；苯、乙醚等不缔合的溶剂 为1.0； A V －溶质A 在正常沸点下的分子体积，3/cm mol ，由正常沸点下的液体密度来计 算。若缺乏此密度数据，则可采用Tyn-Calus 方法估算： 1.048 0.285c V V =，其中c V 为物质的
气体扩散系数测定实验
实验原理 扩散属于由于分子扩散所引起的质量传递，扩散系数在工业中是一项十分重要的物性指标。 在如图所示的垂直细管中盛以待测组分的液体A，该组分通过静止气层Z扩散至管口被另一头气流B带走。紧贴液面上方组分A的分压为液体A在一定温度下的饱和蒸汽压，管口处A的分压可视为零，组分A的汽化使扩散距离Z不断增加。记录时间t与Z的关系即可计算A在B中的扩散系数。 液体A通过静止气体层的扩散为单相扩散，此时传递速率： N A =D/(RTZ) ·P/P Bm ·(P A1 －P A2 ) 可写成: N A =ρ/RT·D/Z·ln(P B2 /P B1 ) (a) 设S为细管的截面积，ρ为液体A密度。在dt时间内汽化的液体A的量应等于液体A扩散出管口的量，即 SN A dt=ρSdZ/N A 或: N A =ρ/M A ·dZ/dt (b) 设备介绍
实验主界面如下图所示 计算公式 T形管： 横管为两端开口的普通玻璃管，用于气体流通；竖管为下端封口的毛细管，用于盛放丙酮溶液(丙酮为被测气体)，由于使用了毛细管，可以将被测气体的扩散视为一维的竖直扩散。 真空泵： 可生成20-60kPa的负压，使毛细管中扩散出的气体迅速离开管口，以保证管口处被测气体浓度不变(接近零)。 游标卡尺： 实验中使用精度为0.1mm的游标卡尺，可以通过显微镜对毛细管内的液位进行测量。 显微镜： 由于游标卡尺刻度较密，且置于水浴箱中，要借助显微镜进行读数。 水浴箱： 毛细管浸于水浴池中，使毛细管内液体保持恒温。另外，温度高时扩散较快，可加快实验速度。实验中要求设定为50度。 系统时钟：
可成倍加快实验速度，减少实验中的等待时间。 扩散系数：D=BρRT/(2M A P) ·1/ln(P B2/P B1) ρ—丙酮密度，797kg/m3； T—扩散温度，实验中要求设定为232K； M —丙酮分子量，58.05； A P—大气压，100kPa； P B2—空气在毛细管出口处的分压，可视为P； P B1—空气在毛细管内液面处的分压，P B1=P-P A*，P A*为丙酮的饱和蒸气压，232K时P A*=50kPa； B—以时间t为横坐标，Z2为纵坐标作图得到的直线的斜率。 实验时每隔10-15分钟测量一次扩散距离Z的数据，以Z2为纵坐标，时间为横坐标作图可得到B，将所有数据带入计算公式即可求得扩散系数。 注意事项
页岩储层气体扩散系数的测定技术要求(标准状态：即将实施)
I C S75.010 E11 中华人民共和国国家标准 G B/T39539 2020 页岩储层气体扩散系数的 测定技术要求 T e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s f o r d e t e r m i n a t i o no f g a s d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t i n s h a l e r e s e r v o i r 2020-11-19发布2021-06-01实施 国家市场监督管理总局
目 次 前言Ⅰ 1 范围1 2 规范性引用文件1 3 术语和定义1 4 方法提要1 5 仪器设备与材料1 6 样品的制备2 7 测定步骤及要求2 8 数据处理4 9 数值修约4 10 精密度4 11 实验结果数据4 附录A (资料性附录) 页岩储层气体扩散系数测定实验报告5 附录B (资料性附录) 扩散系数计算公式推导6 G B /T 39539 2020
前言 本标准按照G B/T1.1 2009给出的规则起草三 本标准由全国天然气标准化技术委员会(S A C/T C244)提出并归口三 本标准起草单位:中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司页岩气研究院二中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院二中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院二中国石化石油工程技术研究院二中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司勘探开发研究院二中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院二中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司二中海油研究总院有限责任公司三本标准主要起草人:李武广二吴建发二胡志明二周玉萍二端祥刚二杨文新二张德良二张鉴二岳文翰二邓晓航二白玉湖二庞伟二郑强二万欢二王宇蓉二包友书三
扩散系数计算
. 7.2.2扩散系数 费克定律中的扩散系数Ｄ代表单位浓度梯度下的扩散通量，它表达某个组分在介质中扩散的快慢，是物质的一种传递性质。 一、气体中的扩散系数 ?52s10m/。通常对于二元气体气体中的扩散系数与系统、温度和压力有关，其量级为中的扩散系数相等，因此可略去下标而B在AＡ、B的相互扩散，Ａ在B中的扩散系数和D?D?D。用同一符号Ｄ表示，即BAAB5Pa?101.013）的扩散系数。表７－１给出了某些二元气体在常压下（Fuller）等提出的公式：对于二元气体扩散系数的估算，通常用较简单的由富勒 ??1/321/3]vv))?(P[(BA（７－１９）（111.75?0.0101TMM BA?D 2m/sD；二元气体的扩散系数，式中，－Ａ、B PaP；－气体的总压，T－气体的温度，Ｋ；MMkg/kmol；的摩尔质量，、－组分Ａ、B BA??vv BA3molcm/、－组分Ａ、B分子扩散体积，。某些简单物质一般有机化合物可按分子式由表７－２查相应的原子扩散体积加和得到，则在表5 表７－２原子扩散体积和分子扩散体积 1 / 4 .
注：已列出分子扩散体积的，以后者为准。 式７－１９的相对误差一般小于１０％。二、液体中的扩散系数由于液体中的分子要比气体中的分子密集得多，因此也体的扩散系数要比气体的小得2?9s10m/。表７－３给出了某些溶质在液体溶剂中的扩散系数。多，其量级为表７－３溶质在液体溶剂中的扩散系数（溶质浓度很低） Wilke-Chang公式估算：（溶质Ａ＋溶剂Ｂ），其扩散系数常用对于很稀的非电解质溶液 T T?M)(15?B10?7.4D?AB0.6V?2sm/（７－２１）A D2sm/－溶质Ａ在溶剂Ｂ中的扩散系数（也称无限稀释扩散系数）；，式中，AB T－溶液的温度，Ｋ； ?sPa.－溶剂Ｂ的粘度，；Mkmol/kg；－溶剂Ｂ的摩尔质量，B?；苯、乙醚等不缔合的溶剂；乙醇1.91.5－溶剂的缔合参数，具体值为：水2.6；甲醇 1.0；为V3molcm/，由正常沸点下的液体密度来计－溶质A在正常沸点下的分子体积，A1.048VV0.285V?为物质的方法估算：则可采用算。若缺乏此密度数据，Tyn-Calus，其中cc2 / 4 . 3C
气体扩散系数的测定
气体扩散系数的测定和计算 实验目的 1. 了解和掌握气体扩散系数测定的一般方法 2. 测定并计算气体扩散系数 实验原理 气体的扩散系数与系统的温度、压力以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关。测定二元气体扩散系数的常用方法有蒸发管发、双容积法、液滴蒸发法等。这里以蒸发管法为例进行说明。下图所示为蒸发管法测定气体扩散系数的装置。 将此装置置于恒温、恒压的系统内。测定时，将液体A 注入圆管的底部，使气体B 徐徐地流过关口。圆管中待测组分A 汽化并通过气层B ，组分A 扩散到管口处即被气体B 带走，使得管口处的浓度很低，可认为p A2为0，而液面处组分A 的分压p A1为在测定条件下的组分A 饱和蒸汽压。此过程可近似看作稳态过程。 若气体B 不能溶解于液体A 中，则该过程为组分A 通过停滞组分B 的稳态扩散过程。则组分A 的扩散通量为 )(21A A BM AB A p p zp RT p D N -?= 对组分A 物料衡算得 A A A M Ad N dzA θρ= 整理得
θ ρd dz M N A A A = 又该过程为稳态过程则有 θ ρd dz M p p zp RT p D N A A A A BM AB A =-?= )(21 对上式积分得 ?? -=z z A A A AB BM A zdz p p pM D RTp d 0)(210ρθθ 得 2)(2 0221z z p p pM D RTp A A A AB BM A --=ρθ 也即 2)(2 0221z z p p M p RTp D A A A BM A AB --=θρ 测定时，可记录一系列时间间隔与z 的对应关系，便可由上式计算出气体的扩散系数D AB 。 实验装置 1-加热器开关 2-真空泵开关 3-空气泵 4-水浴 5-温度计 6-加热器控制器 7-毛细管 8-游标卡尺 9-显微镜
曲节因子实验测定及其数据处理
曲节因子实验测定及其数据处理 XXX （北京化工大学化学工程学院北京 100029） 摘要：描述催化剂的孔结构模型较常用的有平行交联孔模型和双重孔模型，由于用双重孔模型计算出的气体有效扩散系数与实验值相差较大，以及模型本身的不足使其应用受到限制。因为气体在催化剂内任何两点扩散路径必然大于这两点之间的距离，所以引进一个孔结构参数--曲节因子[1]。本文主要对曲节因子的实验测定及其数据处理进行研究。 关键词：催化剂；曲节因子；实验测定；数据处理 The experimental determination and the data processing of tortuosity factor Xingkai Huang (School of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing ,100029) Abstract：Description of catalyst pore structure model is commonly used with parallel crosslinking holes and double pore model. Due to the use of double hole model to calculate the gas effective diffusion coefficient has large difference with the experimental value and the shortages of the model itself , its application is restricted. Because any two points within the catalyst，s gas diffusion path must be greater than the linear distance between two points, so the introduction of a pore structure parameters - tortuosity factor. This article mainly to study The experimental determination and the data processing of tortuosity factor. Key words：The catalyst;tortuosityfactor.;The experimental determination;The data processing 引言： 催化剂颗粒内部存在着大大小小相互交叉错综复杂的孔道，因而气体组分在其中的扩散在一定程度上受到孔结构的影响[2,3]。一般根据气体分子平均运动自由程与孔径之间的相对大小，将其中的扩散分为努森扩散、过渡区和分子扩散。对工业颗粒催化剂来讲，用平行交联孔模型可得到较满意的结果[4]。为了得到多孔催化剂颗粒内部的浓度分布和扩散量，就需要对颗粒内的气体有效扩散系数加以测定或估算，这样才能预测受扩散限制下的反应速率。因此，对于平行交联孔模型来讲就归结到曲节因子上，它对于催化剂效率因子和宏观反应速率的模型求解，是一个关键的参数。气体在催化剂颗粒内的有效扩散系数D eff与综合扩散系数De，孔隙率θ、曲节因子δ之间可表示为: eff e D D θ δ =?（1）[5] 1曲节因子测定方法：
气体扩散系数测定
气体扩散系数的测定 实验目的 1.了解和掌握气体扩散系数测定的一般方法； 2.认识菲克定律； 3.测定并计算气体扩散系数； 4.求出液体表面蒸发的气体扩散系数。 实验原理 挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann's method来检测,在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量,可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。 最小平方法或称最小平方差法 (least-squares method) 的最基础型——线型的 (linear).今有一组实验数据基本上呈现线型的态势,则若以表示直线方程式,其中代表斜率 (slope),代表截距 (intercept),则最小平方法就是在使误差的平方和达到最小,即使下式最小化(minimize)，因此将上二式常规化(normalize) 得据此可由Cramer法则求出斜率和截距。其中是的平均值,是的平均值.一般而言,线性关系的良窈可由E值的大小来判断,但要注意值本身的大小.此外,统计学家尚有一个相关系数 (correlation coefficient) 的判断法,相关系数R可由计算得到。 气体的扩散系数与系统的温度、压力以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关。测定二元气体扩散系数的常用方法有蒸发管发、双容积法、液滴蒸发法等。这里以蒸发管法为例进行说明。下图所示为蒸发管法测定气体扩散系数的装置。 将此装置置于恒温、恒压的系统内。测定时，将液体A注入圆管的底部，使气体B徐徐地流过关口。圆管中待测组分A汽化并通过气层B，组分A扩散到管口处即被气体B带走，使得管口处的浓度很低，可认为p A2为0，而液面处组分A 的分压p A1为在测定条件下的组分A饱和蒸汽压。此过程可近似看作稳态过程。若气体B不能溶解于液体A中，则该过程为组分A通过停滞组分B的稳态扩散过程。则组分A的扩散通量为
气体扩散系数的测定和计算
实验 气体扩散系数的测定和计算 一、实验目的： 1. 了解菲克第一定律； 2. 求出液体表面蒸发气的气体扩散系数； 3. 通过实验掌握用蒸发管法测定气体扩散系数。 二、实验原理： 挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann’s method 来检测，在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量，可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。 图 蒸发管法测定气体扩散系数 已知质传速率： ??? ? ????? ??=Bm T A A C C L C D 'N （1） 式中：D = 扩散速率 (m 2/s) C A = A 物质于界面间的饱和浓度 (kmol/m 3) L =质传有效距离(mm) C Bm =蒸气的对数平均莫耳浓度 (kmol/m 3) 2A p 气体B A N z 0z 液体 ()时在01θz ()时在θ1z p 1A p 2z
C T = 总莫耳浓度＝C A +C Bm (kmol/m 3) 液体的蒸发速率： ??? ????? ??=dt dL M ρN L A ' （2） 式中：ρL = 液体密度 ? ?? ? ????? ??=?? ? ????? ??Bm T A L C C L C D dt dL M ρ （3） at t=0 , L=L 0 做积分 t C C C ρMD 2L L Bm T A L 202??? ? ?????? ??=- （4） ()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm T A L 000??? ? ?????? ??=+-- (5) ()()0A T Bm L 0A T Bm L 0L C MDC C ρL L C C C MD 2ρL L t ???? ??+-???? ????? ??=- (6) 其中：M = 分子量、t = 时间 ???? ?? ??? ??=a abs T T T Vol kmol C 1 ， 其中 Vol ＝22.4 m 3 (7) T 1B C C = (8) T a v a 2B C P P P C ??? ? ??-= (9) )C C ln() C (C C B2 B1B2B1Bm -= (10) T a v A C P P C ??? ? ??= (11) 三、实验装置： 本实验装置如下图所示，包括： 玻璃温度计；
分子扩散系数的测定
气体扩散系数之测定 一、实验目的： 1.认识 菲克第一定律。 2.求出液体表面蒸发之气体扩散系数。 二、实验原理： 气体扩散系数 挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann’s method 来检测，在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量，可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压。 已知质传速率： ??? ? ????? ??=Bm T A A C C L C D 'N (1) D = 扩散速率 (m 2/s) C A = A 物质于界面间的饱和浓度 (kmol/m 3) L =质传有效距离(mm) C Bm =蒸气的对数平均莫耳浓度 (kmol/m 3) C T = 总莫耳浓度＝C A +C Bm (kmol/m 3) 液体的蒸发速率： ?? ? ????? ??=dt dL M ρ'N L A
(2) ρL = 液体密度 因此 ??? ? ????? ??=??? ????? ??Bm T A L C C L C D dt dL M ρ (3) at t=0 , L=L 0 做积分 t C C C ρMD 2L L Bm T A L 202??? ? ?????? ??=- (4) ()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm T A L 000??? ? ?????? ??=+-- (5) ()()0A T Bm L 0A T Bm L 0L C MDC C ρL L C C C MD 2ρL L t ??? ? ??+-???? ????? ??=- (6) M = 分子量 、 t = 时间 其中 ??? ? ?? ??? ??=a abs T T T Vol kmol C 1 ， 其中 Vol ＝22.4 m 3 (7) T 1B C C = (8) T a v a 2B C P P P C ???? ??-= (9) )C C ln()C (C C B2B1B2B1Bm -= (10) T a v A C P P C ??? ? ??= (11) 三、实验仪器： 气体分子扩散系数测定仪、毛细管、水槽 四、实验步骤 ：
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 ； A 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(00A 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 AB ?----?=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 ， 10 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
气体扩散系数之测定
氣體擴散係數之測定 (Determination of Gaseous Diffusion coefficient ) 一、實驗目的： 1.認識 Fick’s first law 。 2.求出液體表面蒸發之氣體擴散係數。 二、實驗原理： (一)氣體擴散係數 揮發性液體之氣體擴散係數可藉由Winklemann’s method 來檢測，在有限內徑的垂直毛細管中保持固定的溫度和經過毛細管頂部的空氣流量，可確定液體表面的分子擴散到氣體中的蒸氣分壓。 已知質傳速率： ??? ? ????? ??=Bm T A A C C L C D 'N (1) D = 擴散速率 (m 2/s) C A = A 物質於界面間的飽和濃度 (kmol/m 3)
L =質傳有效距離(mm) C Bm =蒸氣的對數平均莫耳濃度 (kmol/m 3) C T = 總莫耳濃度＝C A +C Bm (kmol/m 3) 液體的蒸發速率： (2) ρL = 液體密度 因此 ??? ? ????? ??=??? ????? ??Bm T A L C C L C D dt dL M ρ (3) at t=0 , L=L 0 做積分 t C C C ρMD 2L L Bm T A L 202??? ? ?????? ??=- (4) ()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm T A L 000??? ? ?????? ??=+-- (5) ()()0A T Bm L 0A T Bm L 0L C MDC C ρL L C C C MD 2ρL L t ???? ? ?+-???? ????? ??=- (6) M = 分子量 、 t = 時間 其中 ??? ? ????? ??=a abs T T T Vol kmol C 1 ， 其中 Vol ＝22.4 m 3 (7) T 1B C C = (8) T a v a 2B C P P P C ???? ??-= (9) )C C ln()C (C C B2B1B2B1Bm -= (10) T a v A C P P C ??? ? ??= (11) ??? ????? ??=dt dL M ρ'N L A
气体在薄膜中扩散系数的测试方法研究
摘要：扩散系数是研究气体在材料中渗透行为的重要参数。本文以压差法气体渗透仪为试验设备，采用时间滞后法分析了氧气在PET薄膜样品中的扩散系数，并通过对试验原理、设备参数及适用范围、试验过程等内容的介绍，为研究气体在薄膜中的扩散系数提供参考。 关键词：气体扩散系数、压差法气体渗透仪、氧气扩散系数、PET薄膜、时间滞后法、气体透过量、氧气透过量、氧气透过系数 1、意义 按照现有理论，气体在薄膜材料中的渗透微观过程表现为溶解吸附-扩散-溶解脱附，其中气体在材料中的扩散是决定其渗透行为的重要参数指标，通常用扩散系数表征材料扩散能力。影响扩散系数的因素包括温度、气体分子直径及其与薄膜分子的相互作用、薄膜材料的内部结构等，通过对气体在薄膜中扩散系数的研究及测试，有利于分析气体在薄膜中的渗透行为及影响因素，为改善材料的阻隔性并提高对不同气体的分离能力提供理论依据与数据支持。 2、试验样品 本文以氧气为测试气体，PET薄膜为试验样品，测试氧气在PET薄膜中的扩散系数。 3、试验方法 气体在薄膜材料中的扩散系数测试方法包括半时间法、预计法与时间滞后法等，半时间法需通过抽真空或其他方法去除薄膜材料中的测试气体，再将薄膜两侧的气体调整为等压的测试气体与载气，待达到渗透平衡后计算测试气体的扩散系数，目前这种方法仅可测试氧气的扩散系数，通常采用等压法氧气透过量检测设备进行测试；预计法是通过复杂的计算预测气体的扩散系数；时间滞后法是使薄膜一侧处于高真空、另一侧为一定压力试验气体的情况下，测试气体在薄膜两侧达到渗透平衡时的滞后时间，计算气体扩散系数。为了保证测试精度，并提高不同气体扩散系数的对比性，本文采用时间滞后法进行研究试验。操作过程依据GB/T 1038-2000《塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法》。 4、试验设备 本次试验采用VAC-V2压差法气体渗透仪为检测设备，该设备由济南兰光机电技术有限公司自主研发生产。