类比实验

实验7 .传质传热类比实验

一、实验目的

1．了解用极限扩散电流技术测定液固传质系数的原理。

2．掌握用极限扩散电流法（LDCT法）测定垂直管内液固传质系数的实验方法。 3．运用传热与传质的类比关系验证三传类比原理。

二．实验原理

1．LDCT法原理

在铁氰化钾与亚铁氰化钾所构成的电解质溶液中设置一对电极，其中，阴极（测量电极）的表面积远比阳极的表面积小。当有电压施加在两电极之间时，在溶液中便有电极反应发生，阴极上是铁氰根离子的还原，阳极上则是亚铁氰根离子的氧化：

阴极： Fe(CN)6阳极：Fe(CN)6?3?4?e?Fe(CN)6

?3?4?e?Fe(CN)6

电极电路中电流强度的大小反映出电极反应的快慢。在溶液中，反应离子将向电极表面运动，其传递方式主要为：① 电场作用下的离子迁移；② 浓度梯度所导致的扩散。若向溶液中加入过量的惰性电介质溶质，则可消除电迁移的影响。此时，宏观反应速率取决于反应离子向电极表面的扩散速率与电极表面上的电化学反应速率。当外加直流电压由小变大时，宏观反应速率加快，电路中的电流变大。典型的电流—电压曲线如图2-7-1所示。当电压加大到某一值后（达到极限电流区域），电极表面上的电化学反应已相当快，超过了反应离子向电极表面的扩散速度，宏观电化学反应速度由反应离子向电极表面扩散的速度所控制，此时电极表面反应离子浓度趋于零，电压的改变对电流影响很小，在电流—电压曲线上出现“平台”。这一“平台”所对应的电流值称为“极限扩散电流”。在极限扩散电流下，电化学反应速率与反应离子向电极表面的扩散速率相等。

由对流传质方程：

NA?kL(cA?0)?kLcA （2-7-1）

又由电化学反应原理（法拉第定律）：

NA?因而有：

IL （2-7-2） nFAkL?IL （2-7-3）

nFAcA式中：kL — 电极表面的液固传质系数，m/s；IL — 极限电流，A；n — 每个分子在电极上反应时的离子数；F — Faraday常数；A — 测量电极（阴极）表面积，m；cA — 主体溶

2

液中反应离子的浓度，mol/m；NA — 传质速率，mol/(m.s)。

3

2

由方程（2-7-3）计算LDCT法测定垂直管内的传质系数kL。 2．三传类比原理

摩擦系数、对流传热系数和Chilton和Colburn曾通过大量的实验研究了湍流条件下，

对流传质系数之间的三传类比关系，对于许多具有不同几何形状和广泛的流动范围内传热与传质的类比关系为：

jH?jM （2-7-4）

式中，jH和jM分别为传热j因子与传质j因子，其定义分别为：

jH?jMNu （2-7-5） m13RePrSh （2-7-6） ?RemSc13由LDCT法测得垂直管内的传质系数kL，通过三传类比关系（2-7-4）推得传热系数h，即

h???DAB???kL （2-7-7） DAB???2

13式中： h — 对流传热系数，W/(m.K)；? — 溶液的导热系数, W/(m.K)；

DAB — 扩散系数, m2/s；? — 热扩散系数，m2/s。

溶液中铁氰化钾与亚铁氰化钾的浓度约为0.5%，氢氧化钠的浓度约为5%，故溶液物性数据可近似取氢氧化钠溶液的物性数据，从手册

【2】

中查得。

三．实验装置和流程

实验装置如图2-7-2所示。实验段为一φ26×3mm长为1500mm的有机玻璃管，在距

入口1000mm处设有电极，电极的设置形式如图2-7-3所示。实验流程见图2-7-4。循环液

图2-7-2 三传类比实物装置 图2-7-3 电极测试段

槽中的电解质溶液由循环泵，经调节阀和转子流量计调控后进入实验段。离开实验段的液体经下降管返回循环液槽。溶液中的溶解氧将影响电极反应，故配好的电解液需进行脱氧气处理，方法是向溶液中鼓入氮气，以促进溶解氧的解吸。来自氮气瓶的氮气经减压阀后，经转子流量计计量后进入实验段，在实验段顶部经气液分离罐后放空。

图2-7-4传质传热类比实验流程

实验药品：铁氰化钾（分析纯），氢氧化钠（分析纯），亚铁氰化钾（分析纯），蒸馏水。 实验仪器：分析天平，氮气钢瓶，量筒（1L）一个，计算机一台。

四．实验步骤及分析方法

1.清洗装置。打开电源开关；关闭出水阀门和气阀；用2L量筒取蒸馏水4L放入循环槽中，开启循环液泵，蒸馏水循环5min后，关闭循环液泵，打开出水阀门，将循环槽中的水放尽。对设备进行再一次的清洗，步骤同上。

2.配制溶液。配制含0.005mol/L铁氰化钾，0.005mol/L亚铁氰化钾及1mol/L氢氧化钠溶液28L，加入循环液槽中。

3.溶液脱氧处理。通入氮气，打开气液分离罐顶部排气阀，打开氮气气阀和流量计，打开氮气瓶总阀；启动循环液泵，使液体循环；通气30min后关闭气阀，减压阀，关闭气体流量计，关闭氮气钢瓶总阀，关闭排气阀。

4.实验开始时，双击桌面上的“组态王6.5”快捷键，双击“LDCT”，依次出现三个提示框，进入组态王界面，见图2-7-5。在图2-7-5中点击“模拟工作画面”按钮，进入仿真实验界

图2-7-5 组态王操作界面 图2-7-6 LDCT实验数据采集系统工作面

面。点击“实时数据画面”按钮，进入实验数据采集界面，见图2-7-6。

5.极限电流的确定。由水阀调节确定某一液体流量（流量从低到高），电压调节钮位于最初点，一切准备就绪后单击“实验开始”按钮（图2-7-6），同时手动调节电压（图2-7-6），电压调节应缓缓进行，同时观察图2-7-6中电流的变化，调节时间控制在120s左右。单击“实验结束”按钮（图2-7-6）结束实验。

6.将所得数据导入excel应用软件中作图，确定极限电流区域与极限电流值，类似图2-7-1。 7.确定新的液体流量，按照上述步骤继续实验。

8.若实验完毕单击“退出实验”按钮（图2-7-6）退出实验系统。 9.实验完毕关闭泵，关闭仪表电源开关，关闭总电源。 10.清洗装置和回路。

五．实验数据记录

实验数据见表2-7-1。

表2-7-1 实验数据记录表

序号 1 2 3 4 5 6

液体 流量 L/h 500 750 1000 1250 1500 1750 液体 温度 ℃ 20.3 21.6 22.6 23.8 24.5 25.7 极限 电流 传质 系数 m/s 1.46×10-5 2.13×10-5 2.79×10-5 3.44×10-5 4.19×10-5 4.93×10-5 传热系数传热系数类比值 计算值 h h’ W/m2.K mA 8.34 12.25 16.05 19.8 24.1 28.4 kL 相对 误差(%) -3.58253 -2.33452 -1.12261 -1.25565 1.931379 2.837332 W/m.K 2360.596 3356.046 4324.609 5230.951 6295.024 7276.761 22448.307 3436.266 4373.709 5297.468 6175.747 7075.992 六．实验数据处理

将各流量条件下的极限电流值代入（2-7-3）式，求得各操作条件下的固液传质系数：

kL?IL

nFAcA3

-3

式中：F = 96500，C/mol；cA ＝0.005mol/m； A＝1.1938×10 m2 扩散系数按Eisenberg式计算： DAB?2.5?10?12T?L(m2/s,cp,K) （2-7-8）

13由方程（2-7-7） h???DAB???kL DAB???求得表面对流传热系数类比值h，见表2-7-1。

求出不同流量下的Re、Pr，并按经验式获得对流传热系数计算值h’： h??0.023?d Re0.8Pr1/3 （2-7-9）

对全部数据点，比较h与h’,求出相对误差，见表2-7-1。

流量为500L/h时，电流随电压的变化曲线（极限电流平台图）见图2-7-7。

电流I=8.34mAV=500L/h121086420050010001500电流mA 图2-7-7 极限电流平台图

七．实验结果分析和思考题

1．实验结果分析

（1）绘出电压－电流曲线，标出极限电流区域及极限电流值。

（2）求出液固传质系数；将对流传热系数h与理论值h’列表比较，计算各点误差，并分析讨论。

（3）求出在气液两相传递中的传质系数和对流传热系数h；说明在同一液体流量下，有气体通入比没有气体情况下传质系数与对流传热系数有何变化。 2．思考题

（1）何谓三传类比？

（2）请导出根据方程（2-7-5）、（2-7-6）导出方程（2-7-7）。

（3）“用LDCT法测定直管内液固传质系数，再应用三传类比原理求得对流传热系数”与“直接测定对流传热系数”相比有何特点？

（4）请设计一个采用摩擦阻力系数类推对流传热系数（或对流传质系数）的实验方案。 （5）请设计求气液两相传递中的传质系数和对流传热系数h；说明在同一液体流量下，有气体通入比没有气体情况下传质系数与对流传热系数有否影响，影响如何，原因是什么？ （6）请查阅LDCT法测定传质过程的相关论文。

八．注意事项

1．配置的电解液有较大的腐蚀性，注意不要喷溅到溶液循环槽之外。

2．阴极长时间不用或长时间浸泡在电解液中易表面污染，使用时应当仔细清洗。 3．通氮排氧时注意不要让电解液倒灌进气体回路。

九．参考文献

1．王运东.传递过程原理.北京：清华大学出版社，2002

2．时钧.化学工程手册 第二版 第一篇 化工基础数据手册.北京：化学工业出版社，1996 3．天津大学化工技术基础实验教研室.化工基础实验技术.天津：天津大学出版社，1989 4.王德耕，朱士亮等.稀电解质溶液中传递现象电化学测试技术.高校化学工程学报，1997，11（2）：136-142.

5.王军，刘延来，刘芸.传热与电化学反应测量同时进行的自对流传热、传质的实验方法.化工高等教育，2002，4：57-59

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tjx8.html