13液液傳質(zhì)系數(shù)的測定

1、液液傳質(zhì)系數(shù)的測定A實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)掌握用劉易斯池測定液液傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法；(2)測定醋酸在水與醋酸乙酯中的傳質(zhì)系數(shù)；(3)探討流動情況、物系性質(zhì)對液液界面?zhèn)髻|(zhì)的影響機(jī)理。B實(shí)驗(yàn)原理實(shí)際萃取設(shè)備效率的高低，以及怎樣才能提高其效率，是人們十分關(guān)心的問題。為了解決這些問題，必須研究影響傳質(zhì)速率的因素和規(guī)律，以及探討傳質(zhì)過程的機(jī)理。近幾十年來，人們雖已對兩相接觸界面的動力學(xué)狀態(tài)，物質(zhì)通過界面的傳遞機(jī)理和相界面對傳遞過程的阻力等問題進(jìn)行了研究，但由于液液間傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，許多問題還沒有得到滿意的解答，有些工程問題不得不借助于實(shí)驗(yàn)的方法或憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理。工業(yè)設(shè)備中，常將一種液相以滴狀分散于另一液相中進(jìn)

2、行萃取。但當(dāng)流體流經(jīng)填料、篩板等內(nèi)部構(gòu)件時，會引起兩相高度的分散和強(qiáng)烈的湍動，傳質(zhì)過程和分子擴(kuò)散變得復(fù)雜，再加上液滴的凝聚與分散，流體的軸向返混等問題影響傳質(zhì)速率的主要因素，如兩相實(shí)際接觸面積、傳質(zhì)推動力都難以確定。因此，在實(shí)驗(yàn)研究中，常將過程進(jìn)行分解，采用理想化和模擬的方法進(jìn)行處理。1954年劉易斯山(Lewis)提出用一個恒定界面的容器，研究液液傳質(zhì)的方法，它能在給定界面面積的情況下，分別控制兩相的攪拌強(qiáng)度，以造成一個相內(nèi)全混，界面無返混的理想流動狀況，因而不僅明顯地改善了設(shè)備內(nèi)流體力學(xué)條件及相際接觸狀況，而且不存在因液滴的形成與凝聚而造成端效應(yīng)的麻煩。本實(shí)驗(yàn)即采用改進(jìn)型的劉易斯池23進(jìn)行

3、實(shí)驗(yàn)。由于劉易斯池具有恒定界面的特點(diǎn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)在給定攪拌速度及恒定的溫度下，測定兩相濃度隨時間的變化關(guān)系，就可借助物料衡算及速率方程獲得傳質(zhì)系數(shù)。一2.W=KwCw-Cw(1)AdtV0dC0*=K0c°-co(2)Adt若溶質(zhì)在兩相的平衡分配系數(shù)m可近似地取為常數(shù)，則*_C0CW二m*C0-mCW式(1)、(2)中的dC值可將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合然后求導(dǎo)數(shù)取得。dt若將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)平衡時的水相濃度C1和有機(jī)相濃度C0替換式(1)、式(2)中的Cw和_*-C0,則對上兩式積分可推出下面的積分式:KWVw/WC)dCw_VwmCwCw(t)AtCW0C；-Cw_AtnCM_Cw0Ko迎C0

4、t4.。*工AtC00C：-C0AtC0-C00(4)以lnCCt對t作圖從斜率也可獲得傳質(zhì)系數(shù)。求得傳質(zhì)系數(shù)后，就可討論流動情況，物系性質(zhì)等對傳質(zhì)速率的影響。由于液液相際的傳質(zhì)遠(yuǎn)比氣液相際的傳質(zhì)復(fù)雜，若用雙膜模型處理液液相的傳質(zhì)，可假定界面是靜止不動的，在相界面上沒有傳質(zhì)阻力，且兩相呈平衡狀態(tài)；緊靠界面兩側(cè)是兩層滯流液膜；傳質(zhì)阻力是由界面兩側(cè)的兩層阻力疊加而成；溶質(zhì)靠分子擴(kuò)散進(jìn)行傳遞。但結(jié)果常出現(xiàn)較大的偏差，這是由于實(shí)際上相界面往往是不平靜的，除了主流體中的旋渦分量時常會沖到界面上外，有時還因?yàn)榱黧w流動的不穩(wěn)定，界面本身也會產(chǎn)生騷動而使傳質(zhì)速率增加好多倍。另外有微量的表面活性物質(zhì)的存在又可使

5、傳質(zhì)速率減少。關(guān)于產(chǎn)生界面現(xiàn)象和界面不穩(wěn)定的原因有關(guān)文獻(xiàn)已有報(bào)道內(nèi)。大致分為：(1)界面張力梯度導(dǎo)致的不穩(wěn)定性。在相界面上由于濃度的不完全均勻，因此界面張力也有差異。這樣，界面附近的流體就開始從張力低的區(qū)域向張力較高的區(qū)域運(yùn)動，正是界面附近界面張力的隨機(jī)變化導(dǎo)致相界面上發(fā)生強(qiáng)烈的旋渦現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為Marangoni效應(yīng)。根據(jù)物系的性質(zhì)和操作條件的不同，又可分為規(guī)則型和不規(guī)則型界面運(yùn)動。前者是與靜止的液體性質(zhì)有關(guān)，又稱Marangoni不穩(wěn)定性。后者與液體的流動或強(qiáng)制對流有關(guān)，又稱瞬時騷動。(2)密度梯度引起的不穩(wěn)定性5。除了界面張力會導(dǎo)致流體的不穩(wěn)定性外，一定條件下密度梯度的存在，界面處的

6、流體在重力場的作用下也會產(chǎn)生不穩(wěn)定，即所謂的Taylar不穩(wěn)定。這種現(xiàn)象對界面張力導(dǎo)致的界面對流有很大的影響。穩(wěn)定的密度梯度會把界面對流限制并且使它滲入到主體相中在界面附近的區(qū)域。而不穩(wěn)定的密度梯度會產(chǎn)生離開界面的旋渦,去。(3)表面活性劑的作用。表面活性劑是降低液體界面張力的物質(zhì)，只要很低的濃度，它就會積聚在相界面上，使界面張力下降，造成物系的界面張力與溶質(zhì)濃度的關(guān)系比較小，或者幾乎沒有什么關(guān)系，這樣就可抑制界面不穩(wěn)定性的發(fā)展，制止界面湍動。另外，表面活性劑在界面處形成吸附層時，有時會產(chǎn)生附加的傳質(zhì)阻力，減小了傳質(zhì)系數(shù)。C預(yù)習(xí)與思考(1)為何要研究液液傳質(zhì)系數(shù)？(2)理想化液液傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝

7、置有何特點(diǎn)？(3)由劉易斯池測定的液液傳質(zhì)系數(shù)用到實(shí)際工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮哪些因素？(4)物系性質(zhì)對液液傳質(zhì)系數(shù)是如何影響的？(5)根據(jù)物性數(shù)據(jù)表，確定醋酸向哪一方向的傳遞會產(chǎn)生界面湍動，說明原因。(6)了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，明確實(shí)驗(yàn)步驟，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。(7)設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)記錄表。D實(shí)驗(yàn)裝置及流程實(shí)驗(yàn)所用的劉易斯池，如圖2-9所示。它是由一段內(nèi)徑為0.1m,高為0.12m,壁厚為38M10m的玻璃圓筒構(gòu)成。池內(nèi)體積約為900ml,用一塊聚四氟乙烯制成的界面環(huán)(環(huán)上每個小孔的面積為3.8cm2),把池隔成大致等體積的兩隔室。每隔室的中間部位裝有互相獨(dú)立的六葉攪拌槳，在攪拌槳的四周各裝設(shè)六葉垂直擋板，其作用

8、在于防止在較高的攪拌強(qiáng)度下造成界面的擾動。兩攪拌槳由一直流侍服電機(jī)通過皮帶輪驅(qū)動。一光電傳感器監(jiān)測著攪拌槳的轉(zhuǎn)速，并裝有可控硅調(diào)速裝置，可方便地調(diào)整轉(zhuǎn)速。兩液相的加料經(jīng)高位槽注入池內(nèi)，取樣通過上法蘭的取樣口進(jìn)行。另設(shè)恒溫夾套，以調(diào)節(jié)和控制池內(nèi)兩相的溫度，為防止取樣后，實(shí)際傳質(zhì)界面發(fā)生變化，在池的下端配有一升降臺，以隨時調(diào)節(jié)液液界面處于界面環(huán)中線處。實(shí)驗(yàn)流程見圖245110。3O4_1151267水相取樣有機(jī)相取樣14口比89圖2-9劉易斯池簡圖圖2-10液液傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)流程簡圖7101-進(jìn)料口；2-上攪拌槳；3-夾套；1-劉易斯池；2-測速儀；3-恒溫夾套；4-光電傳感器;4-玻璃筒；5-出料

9、口；6-恒溫水接口；5-傳動裝置；6-直流電機(jī)；7-調(diào)速器；8-攪拌槳；7-襯墊；8-皮帶輪；9-取樣口；9-恒溫槽；10-升降臺10-垂直擋板；11-界面杯;12-攪拌槳；13-拉桿；14-法蘭E實(shí)驗(yàn)步驟與方法（包括分析方法）本實(shí)驗(yàn)所用的物系為水-醋酸-乙酸乙酯。有關(guān)該系統(tǒng)的物性數(shù)據(jù)和平衡數(shù)據(jù)列于下純物系性質(zhì)表物系NM105/PaS。/NmP/kgm，DX1091m2S水100.4272.67997.11.346醋酸130.023.901049乙酸乙酯48.024.189013.6925C醋酸在水相與酯相中的平衡濃度（Wt%）酯相0.02.505.777.6310.1714.2617.73水

10、相0.02.906.127.9510.1313.8217.25實(shí)驗(yàn)時應(yīng)注意以下幾個方面：（1）裝置在按裝前，先用丙酮清洗池內(nèi)各個部位，以防表面活性劑污染了系統(tǒng)。(2)將恒溫槽溫度調(diào)整到實(shí)驗(yàn)所需的溫度。(3)加料時，不要將兩相的位置顛倒，即較重的一相先加人，然后調(diào)節(jié)界面環(huán)中心線的位置與液面重合，再加入第二相。第二相加入時應(yīng)避免產(chǎn)生界面騷動。(4)啟動攪拌槳約30分鐘，使兩相互相飽和，然后由高位槽加入一定量的醋酸。因溶質(zhì)傳遞是從不平衡到平衡的過程，所以當(dāng)溶質(zhì)加完后就應(yīng)開始計(jì)時。(5)溶質(zhì)加入前，應(yīng)預(yù)先調(diào)節(jié)好實(shí)驗(yàn)所需的轉(zhuǎn)速，以保證整個過程處于同一流動條件下。(6)各相濃度按一定的時間間隔同時取樣分析

11、。開始應(yīng)35分鐘取樣一次，以后可逐漸的延長時間間隔，當(dāng)取了810個點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，停止攪拌，放出池中液體，洗凈待用。(7)實(shí)驗(yàn)中各相濃度，可用NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液分析滴定醋酸含量。以醋酸為溶質(zhì)，由一相向另一相傳遞的萃取實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行以下內(nèi)容：(1)測定各相濃度隨時間的變化關(guān)系，求取傳質(zhì)系數(shù)。(2)改變攪拌強(qiáng)度，測定傳質(zhì)系數(shù)，關(guān)聯(lián)攪拌速度與傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系。(3)進(jìn)行系統(tǒng)污染前后傳質(zhì)系數(shù)的測定，并對污染前后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，解釋系統(tǒng)污染對傳質(zhì)的影響。(4)改變傳質(zhì)方向，探討界面湍動對傳質(zhì)系數(shù)的影響程度。(5)改變相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)或條件，重復(fù)以上(2)、(3)、(4)的實(shí)驗(yàn)步驟。F實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理(1

12、)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表，并標(biāo)繪C。、Cw對t的關(guān)系圖；(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)，計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)KW,K0；(3)將傳質(zhì)系數(shù)KWt或K0t作圖。G結(jié)果與討論(1)討論測定液液傳質(zhì)系數(shù)的意義。(2)討論界面湍動對傳質(zhì)系數(shù)的影響。(3)討論攪拌速度與傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系。(4)解釋系統(tǒng)污染對傳質(zhì)系數(shù)的影響。(5)分析實(shí)驗(yàn)誤差的來源。(6)提出實(shí)驗(yàn)裝置的修改意見。H主要符號說明A-兩相接觸面積；C-溶質(zhì)濃度；D-擴(kuò)散系數(shù)；K-總傳質(zhì)系數(shù)；m-平衡分配系數(shù)；t-時間；V-溶劑相體積；P-密度；仃-表面張力；下標(biāo)：O-有機(jī)相；w-水相參考文獻(xiàn)1LewisJB.ChemEng.Sci,1954,3:2482JBnlicka,JProchazka.ChemEngSci,1976:1373周永傳、李洲.化工學(xué)報(bào)，1976,3:104李以圭等.化學(xué)工程手冊第14篇萃取及浸取.北京：化學(xué)