一種氣體擴散系數(shù)的測試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體擴散系數(shù)測定領(lǐng)域，具體設(shè)及一種揮發(fā)性液體-空氣（或其它氣 體）擴散系數(shù)的測試裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油化工、生物醫(yī)藥和建筑材料等許多行業(yè)都與擴散現(xiàn)象密切相關(guān)，擴散過程包 括很多擴散機理且復(fù)雜多變。擴散系數(shù)作為表征擴散進程快慢的主要物性參數(shù)，對研究計 算擴散過程中的各種物理量至關(guān)重要。因此，提高擴散系數(shù)測試的便捷性和精確度，對于深 入了解傳質(zhì)過程及其在工業(yè)中的應(yīng)用，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。
[0003] 針對氣體分子擴散系數(shù)的實驗測定，國內(nèi)外研究者從宏觀角度和微觀角度分別給 出了不同種類的測定方法。其中，宏觀方法主要有；激光全息干設(shè)法、氣相色譜分析法、膜池 法和Stefan擴散管法等，是通過對氣體濃度變化的檢測間接導(dǎo)出分子擴散系數(shù)。微觀方法 有核磁共振等，成本太高而且不經(jīng)常用。
[0004] 根據(jù)本發(fā)明技術(shù)特點檢索了國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫，發(fā)現(xiàn)有關(guān)氣體擴散系數(shù)實驗測定的報 道和專利不是很多。例如，中國專利CN101701895B通過拉曼光譜儀對微控流巧片中的混 合留到的濃度分布進行測量，進而反演出擴散系數(shù)；中國專利CN202195998U采用加熱套 對可巖巧夾持器內(nèi)的巖巧加熱，模擬地層真實溫度，使測試結(jié)果更接近實際天然氣的擴散 系數(shù)；中國專利CN103308426A公開了一種適用于常規(guī)流體分子擴散系數(shù)的微控流測試 方法，利用巧光示蹤劑，通過分析待測液體傳質(zhì)過程的巧光圖像，得到分子擴散系數(shù)；中國 專利CN102621039B基于擴散管采用雙流氣準(zhǔn)靜態(tài)法測量放射性和非放射性氣體擴散系 數(shù)；中國專利CN102507394B提出基于擴散管法測定一種組分在被測多孔介質(zhì)中有效擴 散系數(shù)，再根據(jù)曲折因數(shù)得到被測多孔介質(zhì)的孔隙率，但該專利是在鼓風(fēng)烘箱中操作，溫度 不宜保持恒定，而且操作也不方便、不太安全。目前，針對Stefan擴散管法，尚未見到采用 從玻璃擴散管底部進液，用溫控數(shù)顯玻璃恒溫水浴保持溫度恒定，同時利用氣吹的方法把 擴散管管口已蒸發(fā)的液體蒸氣隨時帶走，W提高擴散系數(shù)精確度的液體蒸氣-空氣（或其 它氣體）擴散系數(shù)的測試裝置及方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是克服現(xiàn)有Stefan擴散管法測試裝置技術(shù)上的不足，也就是說，針對 常規(guī)操作中人為地由擴散管上部注入液體很難一直保持平衡，而且液體容易粘到擴散管管 壁的缺點，同時還存在了從擴散管上部注入液體時會對擴散管內(nèi)的氣體空間造成較大的對 流擾動從而影響到擴散系數(shù)測定精確度等問題，本發(fā)明提出了一種揮發(fā)性液體-空氣（或 其它氣體）擴散系數(shù)的測試裝置及方法。該裝置不僅可W保證液體能夠平穩(wěn)緩慢地從底部 注入擴散管，從而在液體上部氣體空間不產(chǎn)生明顯的對流擾動作用，另外擴散管管口可W 設(shè)置取樣口，用于氣相色譜儀的在線取氣及濃度分析。此外，基于安全性考慮，將玻璃擴散 管豎直固定于溫控數(shù)顯玻璃恒溫水浴中。故此，在提高擴散系數(shù)測定精確度的同時，提高測 試系統(tǒng)的安全性。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為；
[0007] (1)所述的一種揮發(fā)性液體-空氣（或其它氣體）擴散系數(shù)的測試裝置，包括無油 空氣壓縮機（或其它氣體的氣瓶），氣體緩沖瓶，氣體/液體流量計變送器，溫控數(shù)顯玻璃恒 溫水浴，加熱盤管，帶溫控加熱器，液體瓶，進/出液累，可拆卸套管式玻璃擴散管（上部為 水平通氣管，下部為玻璃擴散管），溫度/壓力傳感器，測高儀，低速電動攬拌器，氣相色譜 儀，進/出氣管線，進/出液管線W及溫度控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。
[000引進一步，所述的擴散系數(shù)測試裝置各部件的連接方式為：無油空氣壓縮機（或其 它氣體的氣瓶）、氣體緩沖瓶、氣體流量計變送器、水平通氣管通過進氣管線依次連接，無油 空氣壓縮機（或其它氣體的氣瓶）與氣體緩沖瓶之間安裝進氣閥；液體瓶、進/出液累、液 體流量計變送器、可拆卸套管式玻璃擴散管通過進液管線依次連接，液體瓶與進液累之間 安裝截止閥，進/出液累與液體流量計變送器之間安裝進/出液閥，液體流量計變送器與擴 散管底部進/出液口之間依次安裝截止閥、控制閥；玻璃擴散管豎直固定于溫控數(shù)顯玻璃 恒溫水浴中，擴散管管口處設(shè)置取氣口，取氣口后設(shè)有壓力傳感器；溫控數(shù)顯玻璃恒溫水浴 中設(shè)有溫度傳感器、測高儀W及低速電動攬拌器，同時底部設(shè)有加熱盤管，與溫度傳感器一 同連接到帶溫控加熱器。
[0009] 進一步，所述的氣體/液體流量計變送器精度為1級，水平通氣管中空氣流量為 0.2~0.4m3/h。如果需要測定揮發(fā)性液體與其它氣體（如氮氣、氧氣、氨氣、二氧化碳、一 氧化碳、氮氣、氣氣、氨氣，等等）之間的擴散系數(shù)，可W用各自的氣瓶來代替無油空氣壓縮 機。
[0010] 進一步，所述的可拆卸套管式玻璃擴散管，上部為水平通氣管，下部為玻璃擴散 管，安裝時玻璃擴散管管口要與水平通氣管在同一水平面，W保證空氣（或其它氣體）順利 通過把擴散管管口已蒸發(fā)的液體蒸氣隨時帶走。玻璃擴散管外徑為0. 8~2畑1，外壁有均 勻刻度線，精度為0. 1cm，長度為20~30cm，底部設(shè)有進/出液口，長度為2~3cm，外徑為 0. 5cm，由進/出液累從底部進/出液，解決了擴散管自動加/卸液問題，進液結(jié)束后擴散距 離為8~15畑1。水平通氣管外徑為1. 2~2. 5畑1，空氣流入端長度為40~60畑1，空氣流出 端長度為10~30畑1，空氣流出端距離擴散管管口 3~5cm處設(shè)有取氣口，通過取氣管線連 接氣相色譜儀，進行在線取氣及濃度分析，此外，取氣口后設(shè)有壓力傳感器，可隨時觀測系 統(tǒng)壓力變化情況。
[0011] 進一步，所述的玻璃擴散管可W平行垂直設(shè)置3~5個，它們之間的水平距離為 15~20cm?？稍?個或2~5個不同擴散管中裝填同種液體，測定其擴散系數(shù)，即同時進 行平行實驗；也可在3~5個不同擴散管中分別裝填不同液體，從而可W同時測定不同液體 的擴散系數(shù)。此外，通過不同液體的單管單獨測定及多管同時測定，還可W用來研究各擴散 管間的相互干擾情況。
[0012] 進一步，所述的液體包括有機液體和無機液體。揮發(fā)性有機液體如燒姪、環(huán)燒姪、 芳香姪，醇類、酬類、醋類、離類、醒類等，揮發(fā)性無機液體如水、氨水、硫酸、鹽酸等。對于腐 蝕性液體，測試裝置需要用耐腐蝕材料制成。
[0013] 進一步，所述的溫控數(shù)顯玻璃恒溫水浴，溫度波動范圍不大于0. 5°C;溫度傳感器 分度值為0.rc;低速電動攬拌器轉(zhuǎn)速范圍為0~7(K)r/min。
[0014] 進一步，所述的測高儀帶有放大鏡，且放大倍數(shù)為30~50倍，可清晰準(zhǔn)確地觀測 并記錄玻璃擴散管上的刻度，精度為0. 1mm。
[0015] 進一步，所述的溫度傳感器、加熱盤管、帶溫控加熱器W及溫控數(shù)顯玻璃恒溫水浴 集于溫度控制系統(tǒng)，同時，所述本測試裝置的溫度、壓力、濃度集于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，進行 數(shù)據(jù)的在線采集及分析。
[0016] (2)所述的一種揮發(fā)性液體-空氣（或其它氣體）擴散系數(shù)的測試裝置的測試方 法為：
[0017] 第一步，將溫控數(shù)顯玻璃恒溫水浴設(shè)定到目標(biāo)溫度T，在玻璃恒溫水浴中的水達到 目標(biāo)溫度T的過程中，豎直固定于玻璃恒溫水浴中的玻璃擴散管、進液管線W及水平固定 于玻璃恒溫水浴中水平通氣管、進氣管線先預(yù)熱，使其達到玻璃恒溫水浴設(shè)定的目標(biāo)溫度 T。
[001引第二步，關(guān)閉相應(yīng)截止閥，開啟相應(yīng)截止閥、進液累、進液閥及控制閥，液體經(jīng)截止 閥、進液累、進液閥、液體流量計變送器、另一截止閥、控制閥由進液管線從玻璃擴散管底部 進液口平穩(wěn)緩慢注入，進液結(jié)束，關(guān)閉截止閥、進液累、進液閥及控制閥，用帶有放大鏡的測 高儀記錄進液結(jié)束及開始測定時液面高度值并