[发明专利]一种快速测定气体在液体中扩散系数的方法

说明书

本发明公开了属于化学、化工与生物技术领域的一种快速测定气体在液体中扩散系数的方法。所述方法将待测液体以流速F_L,1注入测试系统的套管式膜接触器的液体管路内，将待测气体通入套管式膜接触器的外管，使待测气体溶解到待测液体中；待气体流量稳定后，快速将液体流速F_L,1改变为F_L,2，记录气体流量达到另一稳定状态前气体流量F_g随时间t的变化；建立数学模型得到理论气体与时间关系，与F_g‑t关系相拟合，计算待测气体在待测液体中的扩散系数D。本发明方法5分钟内即可实现扩散系数的快速测定，并且适用性广，通用性强。

技术领域

本发明属于化学、化工与生物技术领域，具体涉及一种快速测定气体在液体中扩散系数的方法。

背景技术

气-液体系在化学、化工与生物等研究工作中普遍存在，例如CO₂气体捕集，加氢、氧化、氯化反应和生物氧合等过程。研究气体在液体中的扩散过程和准确测量扩散系数等基础数据对于过程优化和高效的反应器设计是必不可少的。比如，通过测量不同条件下CO₂气体在不同溶剂中的扩散系数，可以筛选得到更优的吸收溶剂。因此，开发一种用于快速测定气液扩散系数的新方法和装置具有非常重要的应用价值。

目前，用于测量气体在液体中扩散系数的研究方法可分为稳态法和非稳态法两种方法。比如，稳态法通过在稳态条件下，测试扩散过程中溶液的浓度变化，常用的方法有膜池法，但是，该方法测量时间长，通常测量一个数据需要几个小时，这大大地减少了该方法的效率。非稳态法常利用溶液浓度的光学或电学性质，直接得到溶液浓度随时间的变化关系，直接准确得到扩散系数。然而，该方法常需要配备高性能的分析仪器，也增加了测量成本，另外，仪器分辨率的好坏对气液扩散系数的测量精度有很大的影响。另外，对于高粘度的气液体系的扩散系数，如二氧化碳-离子液体体系，这两种方法的测定时间更长，效率则较更低。

基于套管式膜接触器比传统测量装置具有更高透气性和更大气液接触面积的优势，现有技术公开的测定气体在液体中溶解度和扩散系数的系统及方法中采用的是拟稳态的方法，需要连续改变液体流速，获得气体流量跟液体流速变化的关系，在这个基础上处理数据得到溶解度和扩散系数，为了保证拟稳态的前提成立，连续改变液体流速的速度不能太快，否则该方法的测量结果将不再准确，因此，该方法对于高粘度液体，比如离子液体等体系时的测量时间仍然很长，至少需要60min。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种快速测定气体在液体中扩散系数的方法，包括以下步骤：

a)将待测液体以流速F_L,1注入测试系统的套管式膜接触器的液体管路内，将待测气体通入套管式膜接触器的外管，使待测气体溶解到待测液体中；

b)待气体流量稳定后，快速将液体流速F_L,1改变为F_L,2，记录气体流量达到另一稳定状态前气体流量F_g随时间t的变化；

c)建立数学模型得到理论的待测气体随时间的变化关系，并与步骤b)F_g-t的变化关系相拟合，计算待测气体在待测液体中的扩散系数D。

所述数学模型如下所示：

当液体流速改变为F_L,2，数学模型如下所示：

其中，N_g为内管气体量，C_w为内管壁上气液平衡浓度，为气体溶解在液体内的平均浓度，P₀为气瓶减压阀出口压力，F_g为气体质量流量计记录的气流流量，T为测量温度，R为理想气体常数8.314J/mol·K，R_i为套管式膜接触器的内管半径，z为套管式膜接触器轴向方向的长度，K为总传质系数，t为测量时间；