气体扩散系数测定
岩石中烃类气体扩散系数测定技术细节浅析
- 29 -第5期岩石中烃类气体扩散系数测定技术细节浅析张璐1,2，国建英1,2，谢增业1,2，刘爱国1,2，杨春龙1,2（1.中国石油勘探开发研究院，北京，100083）（2.中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室， 河北 廊坊 065007）[摘 要] 烃类气体的扩散系数是衡量气体扩散能力的重要物理量，是盖层评价的基本参数之一。
国内实验室测定扩散系数一般采用间接方法，即实验测定一定时间内通过样品的扩散量或浓度，再由这些实测值求得扩散系数。
但不同的操作流程和实验方法会造成结果的差异。
对比实验表明，扩散系数测定误差主要出现在取气时间、取气方式、取值个数和取气位置这四个方面。
掌握这些技术细节，有助于提高实验数据的准确性，对盖层封闭能力评价及天然气资源量的估算具有重要意义。
[关键词] 扩散系数；盖层；测定方法；结果差异作者简介：张璐（1988—），女，山东东营人，硕士研究生，工程师。
研究方向为天然气成藏。
1,3-取样阀；2-岩心夹持器；4-恒温系统；5,7,8,9,12,13-截止阀；6-差压传感器；10,11-压力系统；14,15-三通阀；16-围压跟踪泵；17-真空泵；18-烃类气源；19-氮气气源；20-气相色谱仪图1 岩石中烃类气体扩散系数测定装置示意图[15]天然气具有分子半径小、结构简单、易扩散的特点，其对盖层保存质量的要求比石油更为严格。
由费克定律可知，对于确定的扩散源而言，不管周围的压力和温度如何变化，天然气在地下通过岩石的扩散速度大小主要反映在岩石的扩散系数这一物理量上[1]。
因此，准确测定岩石中烃类气体的扩散系数是天然气扩散研究中非常重要的一环，对盖层封闭能力研究有重要意义[2-13]。
目前为止，国内扩散系数测定单位都采用相同的原理和公式[14]，但对同一样品在相同条件下的测定结果有较大出入，这会严重影响天然气扩散充注量和散失量的计算，不利于常规和非常规天然气的运移、聚集、成藏及保存研究和资源评价工作的展开。
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(0AA AB 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，cmA0P 为扩散管管口A 组分的分压，atm ；AP 为液体A 的饱和蒸汽压，atm ； 饱和蒸汽压P A 0可由Antoine 方程，CT BA P A +-=0ln （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： dtdZM 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。
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/PBm·(PA1－PA2) 可写成:N A =ρ/RT·D/Z·ln(PB2/PB1) (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SNA dt=ρSdZ/NA或:N A =ρ/MA·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；AP—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。
气体透过率、溶解度系数、扩散系数、渗透系数的测定
气体透过率、溶解度系数、扩散系数、渗透系数的测定
气体透过率是指气体通过膜的速率。
其测定方法有质量法和体积法两种。
质量法是将气体压缩到一定压力下通过膜，测量透过的气体质量和时间，计算出透过率。
体积法则是将气体通过膜后，测量透过的气体体积和时间，计算出透过率。
溶解度系数是指气体在液体中的溶解度。
其测定方法主要有两种，即体积法和质量法。
体积法是将液体置于气体中，测量气体溶解后的体积变化，计算出溶解度系数。
质量法则是测量气体溶解后液体的质量变化，计算出溶解度系数。
扩散系数是指气体在两种不同气体或液体之间传递的速率。
其测定方法有静态法和动态法两种。
静态法是将两种气体或液体分别放在两个容器中，等待其达到平衡后测量浓度变化，计算出扩散系数。
动态法则是将两种气体或液体通过膜隔开，测量透过膜的气体或液体的浓度变化，计算出扩散系数。
渗透系数是指气体在膜中的传递速率。
其测定方法主要有两种，即压差法和速率法。
压差法是将气体分别置于膜的两侧，施加一定压差，测量透过膜的气体体积和时间，计算出渗透系数。
速率法则是测量气体在膜中的传递速率，计算出渗透系数。
总之，气体透过率、溶解度系数、扩散系数、渗透系数的测定方法各有不同，但它们都对于化学工程领域的研究和应用有着重要的意义。
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气相扩散系数
气相扩散系数
摘要：
1.气相扩散系数的定义
2.气相扩散系数的影响因素
3.气相扩散系数在实际应用中的重要性
4.如何测量气相扩散系数
正文：
气相扩散系数是一个描述气体在液体中扩散速度的物理量，它反映了气体分子通过液体内部分子间隙的能力。
气相扩散系数的大小对于许多工业过程和环境问题都有着重要的影响，因此对其进行研究和理解具有很高的实际意义。
气相扩散系数受多种因素影响，包括气体的性质、液体的性质、温度和压力等。
例如，气体分子的质量、大小和极性都会影响其扩散速度，而液体的粘度和表面张力也会对扩散系数产生影响。
此外，温度和压力的变化也会改变扩散系数，因为它们会影响到气体和液体分子之间的相互作用。
气相扩散系数在许多实际应用中都有着重要的地位。
例如，在化学工程中，扩散过程是许多反应和分离过程的关键步骤，因此对扩散系数的理解对于优化这些过程至关重要。
此外，在环境科学中，气相扩散系数也对于理解气体在空气和水体中的传输过程有着重要意义。
例如，它可以用于预测大气污染物的传输和分布，以及评估水体的水质。
测量气相扩散系数的方法有多种，包括实验方法和理论计算方法。
实验方法通常包括气体在液体中的扩散实验，通过测量气体浓度的变化来计算扩散系
数。
理论计算方法则通常基于分子动力学模拟和输运理论，可以提供对扩散系数的高精度预测。
总的来说，气相扩散系数是一个重要的物理量，它影响着许多工业过程和环境问题。
利用扩散法测定材料扩散系数的实验步骤
利用扩散法测定材料扩散系数的实验步骤引言：在材料科学领域中，了解材料的扩散性能对于设计和改进材料的性能至关重要。
通过扩散法能够测定材料的扩散系数，从而帮助科学家进一步探索材料的特性。
本文将介绍利用扩散法测定材料扩散系数的一般步骤。
1. 实验前准备：首先，准备实验所需的材料和设备。
其中包括所研究的材料样品、扩散体、室温控制设备、计时设备、实验容器等。
确保所有设备和材料的清洁度。
2. 材料准备：将待测材料样品切割成适当的形状和尺寸，确保表面平整。
然后，使用溶剂或高温处理清洁材料表面，以去除任何污染物。
3. 扩散体准备：选择合适的扩散体，常用的扩散体有气体、液体和固体。
液体扩散体可使用水、酒精等；气体扩散体可使用氮气、氢气等。
根据实验要求，调配扩散体的初始浓度。
4. 实验设置：将实验容器分成两个区域，一个是材料样品所在的区域，另一个是扩散体所在的区域。
确保两个区域之间有良好的密封，以防止扩散体泄漏。
5. 实验开始：将事先准备好的材料样品放置在一个密封的实验容器中，并且确保与环境隔绝。
然后，在另一个区域中放入扩散体，并且控制好该区域的温度。
6. 时间测定：开始实验后，使用计时设备记录实验时间的流逝。
根据实验需要，设定一定的时间间隔进行取样，以探测扩散体在材料样品中的浓度变化。
7. 取样分析：在设定的时间间隔内，从实验容器中取出样品，并通过分析测试设备测定样品内的扩散体浓度。
常用的分析测试设备有质谱仪、光谱仪等。
8. 数据处理：使用所得的实验数据进行处理和分析，并绘制扩散体浓度与时间的变化曲线。
根据扩散过程中浓度变化的特点，可以计算出材料的扩散系数。
9. 结果验证：将实验得到的扩散系数与已知数据进行对比和验证。
可以使用文献中的已有数据或者其他实验方法获得的数据进行比较。
10. 结论：根据实验结果和对比分析，得出关于材料的扩散性能和扩散系数的结论。
在实验结论中可以探讨各种因素对于扩散行为的影响，并提出相应的解释和建议。
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 AA C C L CD '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BA Nz0z液体()时在01θz()时在θ1z1A p2zC 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 TA L 202⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=- （4）()()t C C C ρMD 2L 2L L L L Bm TA 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⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛=aabs 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、实验装置：本实验装置如下图所示，包括： 玻璃温度计；T型管：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；温度传感器、恒温槽（透明压克力箱）、泄水阀；游标尺：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；游标尺高度计支撑架、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）；温度显示面板、heater 开关、电源线、air pump 开关、air pump (黑色压克力箱)、浮动开关、伸缩管。
扩散系数测定实验
3.7扩散系数的测定1. 实验目的①了解依据理论设计实验装置的思想。
②掌握纯物质气体扩散系数的测定方法。
2. 实验原理根据费克定律，气体中一个组分通过另外一个停滞组分的稳态分子扩散（单项扩散）扩散通量计算式为：（3-33）式中：— A组分的扩散通量，—扩散系数，、— A组分在1、2两点的分压，—系统总压，—惰性组分平均分压，，— 1、2两点间距离，—绝对温度，—通用气体常数、依据该式，可设计如实验装置示意图所示温克尔曼法（Winkel man’s Method）测定扩散系数的实验装置。
装置中采用恒温水浴的循环水维持恒定的扩散温度，在竖直扩散管底部加入适量挥发性扩散物质，利用风机使空气通过横管快速流过，以维持十字交叉口处扩散物质的分压为零。
由于竖管中气体不受水平气流影响，扩散物质从液面挥发后通过竖管下部的静止空气扩散至交叉口被气流带走。
由于液面处于平衡状态，扩散物在液面的分压为该温度下的饱和蒸汽压。
在上述条件下，扩散物质的瞬时扩散通量可表示为：（3-34）式中：—组分A的平衡分压，（3-35）于是（3-36）随扩散进行，液面下降导致扩散距离逐渐增加，液面下降的速率与竖直管中扩散物的传递速率存在如下关系：（3-37）式中：—扩散物的液相密度，—扩散物的摩尔质量，合并两式并分离变量可以得到：（3-38）对上式积分：（3-39）得到（3-40）化简得到：（3-41）依据上式，利用实验测定数据将对在直角坐标中进行标绘，得到一条直线，该直线的斜率为：（3-42）依据斜率的数值即可计算出扩散系数。
3. 实验内容测定确定温度下四氯化碳在空气中的扩散系数。
4. 实验装置与流程（1）实验装置与流程图（2）流程简介参照图3-8，循环水泵2将恒温水打入扩散室外的夹套后回流至水槽实现循环。
空气由风机6送入扩散管上方通过水平管后放空。
空气压力由U形差压计5测量；扩散温度与循环水温可分别由T1、T2测量；空气流量与循环水流量分别由相应转子流量计测量。
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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
)
(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
)
(210
ρθθ
得
2
)
(2
2
21z z p p pM D RTp A A A AB BM
A --=
ρθ
也即
2
)
(2
2
21z 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
加热器开关、真空泵开关、 空气泵、 水浴、 温度计 、加热器控制器、 毛
细管 、游标卡尺、 显微镜。
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。
注意事项
1. 实验前先确定仪器本体垂直地面.
2. 实验毕,务必彻底清洗T型管.
参考文献
[1]蒋维钧，戴奠元 . 化工原理(上册)[M]北京:化学工业出版社出版,1992，178～223.
[2] 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。