実験 蒸発(拡散係数の測定)


物質移動の基礎は着目成分の媒体中の拡散係数であり,拡散係数は粘性係数,熱伝導度と並ぶ基本となる移動物性値である。本実験では気相2成分系相互拡散係数の実測により,拡散の推進力,成分による拡散係数の違い,拡散係数の温度依存生を調べる。

一方拡散における蒸発速度と拡散係数

液Aの表面からその蒸気が静止気体B中を通って蒸発,拡散する状態を一方拡散と言う。本実験では静止気体が窒素で以下添字Bで表し,蒸発成分は添字Aで表す。このとき蒸発成分Aの液表面(添字s)における物質移動流束A[kg/(m2・s)]は,

(1)

で表せる。ABが両成分気体の相互拡散係数,ω は蒸発成分の質量分率,ρは混合気体の密度,が拡散方向距離である。Aは一定であるから拡散セルにおける拡散では拡散距離(セル長さ)を として次式となる.(ただしω =0 とする。)

 (2)

実験操作

@拡散セルに試料液(メタノール,アセトン)をピペットで注入する。
A恒温槽温度を30,37,45℃に設定して以下の測定を繰り返す。(計6回の測定)
B窒素を50cm
3/s程度流して蒸発をおこない,読取顕微鏡で5分毎に液面位置を測定し,方眼紙上にプロットする。30分程度測定をおこない,直線が得られたらその傾きを液面低下速度(蒸発速度)とする。拡散距離 l は液面(平均値)とセル口間の距離である。

測定値:蒸発液,蒸発温度t [℃],液面低下速度 u[mm/min],平均拡散距離 [mm]

diff06.jpg (86373 バイト)

実験結果の整理

1)表1の様式で計算処理をして拡散係数ABを求める。これをレポートの表1とする。ただし,

飽和蒸気圧 はAntoine式: log10 [kPa]= A - B/(C+ [℃]),
表面モル分率
s: s= /101kPa
質量分率: ω=
A/(A+B(1-))
密度: =
B/(1000・0.0224・(273+)/273)
ρ
s=(As+B(1-s)) /(1000・0.0224・(273+)/273)
蒸発速度
A:  A= uρl (ρl:液密度(25℃の値でよい))
拡散係数
AB : AB = ( 1-ωs )A /ρωs  (ρ=( +ρs)/2)
で計算される。

2)得られた拡散係数ABを片対数紙に横軸,縦軸ABでプロットする。
3)図中に藤田式による2成分系相互拡散係数推算値:

破線で描いて比較せよ。

考察

1)一方拡散の基礎式(1)を導け。

表1 データ整理法

メタノール/窒素 等
蒸発温度  [℃]  
拡散距離 [m]  
液面低下速度 [mm/min]  
[m/s]  
飽和蒸気圧  * [kPa]  
s [-]  
ωs [-]  
気体密度   [kg/m3]  
ρs [kg/m3 ]  
平均気体密度  ρ [kg/m3]  
蒸発速度 A   [kg/(m2・s)]  
拡散係数 AB [m2/s]  

 

表2  物性値表

  メタノール アセトン ジエチルエーテル 窒素
  H20 CH3OH C3H6O C4H10O N2
分子量[g/mol] 18.02 32.04 58.08 74.12 28.01
沸点  [K] 373.15 337.77 329.35 307.65  
液密度(25℃) [kg/m3] 997 786.6 784.4 706.6  
臨界温度c[K] 647.3 513 508.4 460.8 126.3
臨界圧c[atm] 218.9 79.3 47.3 36.0 33.8
アントワン定数 A 7.07406 7.19736 6.35647 6.10962  
1657.46 1574.99 1277.03 1090.64  
227.02 238.86 237.22 231.20