一種氣體擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)試裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣體擴(kuò)散系數(shù)測(cè)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(kuò)散系數(shù)的測(cè)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(kuò)散現(xiàn)象密切相關(guān)，擴(kuò)散過(guò)程包 括很多擴(kuò)散機(jī)理且復(fù)雜多變。擴(kuò)散系數(shù)作為表征擴(kuò)散進(jìn)程快慢的主要物性參數(shù)，對(duì)研究計(jì) 算擴(kuò)散過(guò)程中的各種物理量至關(guān)重要。因此，提高擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試的便捷性和精確度，對(duì)于深 入了解傳質(zhì)過(guò)程及其在工業(yè)中的應(yīng)用，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 針對(duì)氣體分子擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，國(guó)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(lèi)的測(cè)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(kuò)散管法等，是通過(guò)對(duì)氣體濃度變化的檢測(cè)間接導(dǎo)出分子擴(kuò)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(diǎn)檢索了國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)現(xiàn)有關(guān)氣體擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的報(bào) 道和專(zhuān)利不是很多。例如，中國(guó)專(zhuān)利CN101701895B通過(guò)拉曼光譜儀對(duì)微控流巧片中的混 合留到的濃度分布進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而反演出擴(kuò)散系數(shù)；中國(guó)專(zhuān)利CN202195998U采用加熱套 對(duì)可巖巧夾持器內(nèi)的巖巧加熱，模擬地層真實(shí)溫度，使測(cè)試結(jié)果更接近實(shí)際天然氣的擴(kuò)散 系數(shù)；中國(guó)專(zhuān)利CN103308426A公開(kāi)了一種適用于常規(guī)流體分子擴(kuò)散系數(shù)的微控流測(cè)試 方法，利用巧光示蹤劑，通過(guò)分析待測(cè)液體傳質(zhì)過(guò)程的巧光圖像，得到分子擴(kuò)散系數(shù)；中國(guó) 專(zhuān)利CN102621039B基于擴(kuò)散管采用雙流氣準(zhǔn)靜態(tài)法測(cè)量放射性和非放射性氣體擴(kuò)散系 數(shù)；中國(guó)專(zhuān)利CN102507394B提出基于擴(kuò)散管法測(cè)定一種組分在被測(cè)多孔介質(zhì)中有效擴(kuò) 散系數(shù)，再根據(jù)曲折因數(shù)得到被測(cè)多孔介質(zhì)的孔隙率，但該專(zhuān)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(duì)Stefan擴(kuò)散管法，尚未見(jiàn)到采用 從玻璃擴(kuò)散管底部進(jìn)液，用溫控?cái)?shù)顯玻璃恒溫水浴保持溫度恒定，同時(shí)利用氣吹的方法把 擴(kuò)散管管口已蒸發(fā)的液體蒸氣隨時(shí)帶走，W提高擴(kuò)散系數(shù)精確度的液體蒸氣-空氣（或其 它氣體）擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)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(kuò)散管法測(cè)試裝置技術(shù)上的不足，也就是說(shuō)，針對(duì) 常規(guī)操作中人為地由擴(kuò)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(kuò)散管管 壁的缺點(diǎn)，同時(shí)還存在了從擴(kuò)散管上部注入液體時(shí)會(huì)對(duì)擴(kuò)散管內(nèi)的氣體空間造成較大的對(duì) 流擾動(dòng)從而影響到擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定精確度等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種揮發(fā)性液體-空氣（或 其它氣體）擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)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(kuò)散管，從而在液體上部氣體空間不產(chǎn)生明顯的對(duì)流擾動(dòng)作用，另外擴(kuò)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(kuò)散 管豎直固定于溫控?cái)?shù)顯玻璃恒溫水浴中。故此，在提高擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定精確度的同時(shí)，提高測(cè) 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(kuò)散系數(shù)的測(cè)試裝置，包括無(wú)油 空氣壓縮機(jī)（或其它氣體的氣瓶），氣體緩沖瓶，氣體/液體流量計(jì)變送器，溫控?cái)?shù)顯玻璃恒 溫水浴，加熱盤(pán)管，帶溫控加熱器，液體瓶，進(jìn)/出液累，可拆卸套管式玻璃擴(kuò)散管（上部為 水平通氣管，下部為玻璃擴(kuò)散管），溫度/壓力傳感器，測(cè)高儀，低速電動(dòng)攬拌器，氣相色譜 儀，進(jìn)/出氣管線，進(jìn)/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(jìn)一步，所述的擴(kuò)散系數(shù)測(cè)試裝置各部件的連接方式為：無(wú)油空氣壓縮機(jī)（或其 它氣體的氣瓶）、氣體緩沖瓶、氣體流量計(jì)變送器、水平通氣管通過(guò)進(jìn)氣管線依次連接，無(wú)油 空氣壓縮機(jī)（或其它氣體的氣瓶）與氣體緩沖瓶之間安裝進(jìn)氣閥；液體瓶、進(jìn)/出液累、液 體流量計(jì)變送器、可拆卸套管式玻璃擴(kuò)散管通過(guò)進(jìn)液管線依次連接，液體瓶與進(jìn)液累之間 安裝截止閥，進(jìn)/出液累與液體流量計(jì)變送器之間安裝進(jìn)/出液閥，液體流量計(jì)變送器與擴(kuò) 散管底部進(jìn)/出液口之間依次安裝截止閥、控制閥；玻璃擴(kuò)散管豎直固定于溫控?cái)?shù)顯玻璃 恒溫水浴中，擴(kuò)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?cái)?shù)顯玻璃恒溫水浴 中設(shè)有溫度傳感器、測(cè)高儀W及低速電動(dòng)攬拌器，同時(shí)底部設(shè)有加熱盤(pán)管，與溫度傳感器一 同連接到帶溫控加熱器。
[0009] 進(jìn)一步，所述的氣體/液體流量計(jì)變送器精度為1級(jí)，水平通氣管中空氣流量為 0.2~0.4m3/h。如果需要測(cè)定揮發(fā)性液體與其它氣體（如氮?dú)?、氧氣、氨氣、二氧化碳、?氧化碳、氮?dú)?、氣氣、氨氣，等等）之間的擴(kuò)散系數(shù)，可W用各自的氣瓶來(lái)代替無(wú)油空氣壓縮 機(jī)。
[0010] 進(jìn)一步，所述的可拆卸套管式玻璃擴(kuò)散管，上部為水平通氣管，下部為玻璃擴(kuò)散 管，安裝時(shí)玻璃擴(kuò)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(guò)把擴(kuò)散管管口已蒸發(fā)的液體蒸氣隨時(shí)帶走。玻璃擴(kuò)散管外徑為0. 8~2畑1，外壁有均 勻刻度線，精度為0. 1cm，長(zhǎng)度為20~30cm，底部設(shè)有進(jìn)/出液口，長(zhǎng)度為2~3cm，外徑為 0. 5cm，由進(jìn)/出液累從底部進(jìn)/出液，解決了擴(kuò)散管自動(dòng)加/卸液?jiǎn)栴}，進(jìn)液結(jié)束后擴(kuò)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(zhǎng)度為40~60畑1，空氣流出 端長(zhǎng)度為10~30畑1，空氣流出端距離擴(kuò)散管管口 3~5cm處設(shè)有取氣口，通過(guò)取氣管線連 接氣相色譜儀，進(jìn)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(shí)觀測(cè)系 統(tǒng)壓力變化情況。
[0011] 進(jìn)一步，所述的玻璃擴(kuò)散管可W平行垂直設(shè)置3~5個(gè)，它們之間的水平距離為 15~20cm?？稍?個(gè)或2~5個(gè)不同擴(kuò)散管中裝填同種液體，測(cè)定其擴(kuò)散系數(shù)，即同時(shí)進(jìn) 行平行實(shí)驗(yàn)；也可在3~5個(gè)不同擴(kuò)散管中分別裝填不同液體，從而可W同時(shí)測(cè)定不同液體 的擴(kuò)散系數(shù)。此外，通過(guò)不同液體的單管單獨(dú)測(cè)定及多管同時(shí)測(cè)定，還可W用來(lái)研究各擴(kuò)散 管間的相互干擾情況。
[0012] 進(jìn)一步，所述的液體包括有機(jī)液體和無(wú)機(jī)液體。揮發(fā)性有機(jī)液體如燒姪、環(huán)燒姪、 芳香姪，醇類(lèi)、酬類(lèi)、醋類(lèi)、離類(lèi)、醒類(lèi)等，揮發(fā)性無(wú)機(jī)液體如水、氨水、硫酸、鹽酸等。對(duì)于腐 蝕性液體，測(cè)試裝置需要用耐腐蝕材料制成。
[0013] 進(jìn)一步，所述的溫控?cái)?shù)顯玻璃恒溫水浴，溫度波動(dòng)范圍不大于0. 5°C;溫度傳感器 分度值為0.rc;低速電動(dòng)攬拌器轉(zhuǎn)速范圍為0~7(K)r/min。
[0014] 進(jìn)一步，所述的測(cè)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(cè) 并記錄玻璃擴(kuò)散管上的刻度，精度為0. 1mm。
[0015] 進(jìn)一步，所述的溫度傳感器、加熱盤(pán)管、帶溫控加熱器W及溫控?cái)?shù)顯玻璃恒溫水浴 集于溫度控制系統(tǒng)，同時(shí)，所述本測(cè)試裝置的溫度、壓力、濃度集于數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，進(jìn)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(kuò)散系數(shù)的測(cè)試裝置的測(cè)試方 法為：
[0017] 第一步，將溫控?cái)?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(dá)到 目標(biāo)溫度T的過(guò)程中，豎直固定于玻璃恒溫水浴中的玻璃擴(kuò)散管、進(jìn)液管線W及水平固定 于玻璃恒溫水浴中水平通氣管、進(jìn)氣管線先預(yù)熱，使其達(dá)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(kāi)啟相應(yīng)截止閥、進(jìn)液累、進(jìn)液閥及控制閥，液體經(jīng)截止 閥、進(jìn)液累、進(jìn)液閥、液體流量計(jì)變送器、另一截止閥、控制閥由進(jìn)液管線從玻璃擴(kuò)散管底部 進(jìn)液口平穩(wěn)緩慢注入，進(jìn)液結(jié)束，關(guān)閉截止閥、進(jìn)液累、進(jìn)液閥及控制閥，用帶有放大鏡的測(cè) 高儀記錄進(jìn)液結(jié)束及開(kāi)始測(cè)定時(shí)液面高度值并