王菊，吳現(xiàn)力，杜春華

（青島農(nóng)業(yè)大學化學與藥學院，山東青島266109）

液液傳質(zhì)系數(shù)測定實驗的數(shù)據(jù)處理與擬合*

王菊，吳現(xiàn)力，杜春華**

（青島農(nóng)業(yè)大學化學與藥學院，山東青島266109）

液液傳質(zhì)系數(shù)的測定對提高實際萃取設(shè)備的效率具有重要的理論和現(xiàn)實意義。針對學生在處理液液傳質(zhì)系數(shù)實驗數(shù)據(jù)時存在的概念不清，邏輯混亂等問題，以在青島農(nóng)業(yè)大學化學工程與工藝專業(yè)實驗室所測的醋酸在水和乙酸乙酯中的傳質(zhì)數(shù)據(jù)為例，介紹了液液傳質(zhì)系數(shù)測定實驗的數(shù)據(jù)處理與擬合。

液液傳質(zhì)系數(shù)；數(shù)據(jù)處理；擬合

研究影響傳質(zhì)速率的因素和規(guī)律，探討傳質(zhì)過程的機理對提高實際萃取設(shè)備的效率具有重要的理論和現(xiàn)實意義。然而，由于液液間傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，許多工程問題還需要借助于實驗的方法進行處理。液液傳質(zhì)系數(shù)的測定實驗為化學工程與工藝專業(yè)實驗中的一個重要項目。通過該實驗，學生能理解液液傳質(zhì)實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點，掌握用Lewis池測定液液傳質(zhì)系數(shù)的方法，并探討流動狀況、物系性質(zhì)等對液液傳質(zhì)的影響，研究影響傳質(zhì)速率的因素和規(guī)律，探討傳質(zhì)過程的機理［1］。然而，作者發(fā)現(xiàn)學生在處理實驗數(shù)據(jù)時對采用曲線擬合求導(dǎo)和對數(shù)作圖兩種方法計算傳質(zhì)系數(shù)存在概念不清，邏輯混亂等一系列問題。另外，學生在處理數(shù)據(jù)時多采用坐標紙進行手工作圖，不僅費時費工，且處理的數(shù)據(jù)并不理想。提高數(shù)據(jù)處理的能力、掌握基本數(shù)據(jù)處理方法是提高實驗?zāi)芰Φ闹匾h(huán)節(jié)，也是提高學生創(chuàng)新能力的重要基礎(chǔ)［2］。目前，相關(guān)的實驗教材重點在于實驗原理、實驗裝置及流程、實驗步驟及方法等，對實驗數(shù)據(jù)的處理僅簡要介紹了相關(guān)步驟［3，4］。本文以在青島農(nóng)業(yè)大學化學工程與工藝專業(yè)實驗室所測的醋酸在水和乙酸乙酯中的傳質(zhì)數(shù)據(jù)為例，采用曲線擬合求導(dǎo)和對數(shù)作圖兩種方法，介紹了液液傳質(zhì)系數(shù)測定實驗的數(shù)據(jù)處理，并初步探討了不同方法對處理結(jié)果的影響。

1　實驗部分

1.1實驗原理

本實驗所用的Lewis池為天津大學化工基礎(chǔ)實驗中心所制。HAc首先加入上層酯相，逐漸向下層水相傳遞。在給定攪拌速度及恒定的溫度下，測定兩相濃度隨時間的變化關(guān)系，由物料衡算及速率方程獲得傳質(zhì)系數(shù)。

傳質(zhì)速率方程為：

式中Vw、Vo：t時刻水相和有機相的體積；A：界面面積；Kw、Ko：以水相濃度和有機相濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù)；C*w：與酯相濃度Co成平衡的水相濃度；C*o：與水相濃度Cw成平衡的有機相濃度。

由25℃HAc在水相和酯相中的平衡濃度［3］可知，兩相達平衡時，HAc在水相中的濃度高于其在酯相中的濃度，分配系數(shù)m可近似取常數(shù)，為1.0772，則有

根據(jù)實驗測定的醋酸在兩相中的濃度Cw和Co即可由上式計算出相應(yīng)的平衡濃度，而值可將實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合然后求導(dǎo)數(shù)獲得，這樣即可由式（1）計算出傳質(zhì)系數(shù)。

HAc在兩相中的傳遞為一動態(tài)過程，在兩相中的濃度及對應(yīng)的平衡濃度均為變量。為簡化處理，可將系統(tǒng)最終達平衡時的水相濃度Cew和酯相濃度Coe替代（1）式中的C*w和C*o，對（1）式積分可推出：

1.2實驗方法

實驗開始前，首先通過高位槽加入400mL蒸餾水，調(diào)節(jié)Lewis池界面環(huán)中心線的位置與水面重合，然后緩慢加入400mL乙酸乙酯。啟動攪拌，維持攪拌轉(zhuǎn)速在100r·min-1左右。啟動恒溫水浴開關(guān)。當池內(nèi)溫度穩(wěn)定在25℃時，通過高位槽向上層酯相中加入60mLHAc。加入HAc后就開始計時，間隔一段時間同時取上層酯相和下層水相的樣品，采用NaOH標準溶液進行滴定，分析其中的HAc含量。

2　實驗數(shù)據(jù)與處理

2.1通過曲線擬合求導(dǎo)獲得傳質(zhì)系數(shù)

醋酸在兩相中的溶質(zhì)傳遞是一個從不平衡到平衡的過程，HAc由酯相逐漸向水相傳遞，直至兩相濃度達到平衡。實驗過程中通過測定HAc濃度在兩相中的變化趨勢，利用Excel［5，6］或Origin［7］對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，確定回歸方程的形式，再利用回歸方程求導(dǎo)計算出值，即可根據(jù)式（1）計算出傳質(zhì)系數(shù)。其中酯相體積V0和水相體積Vw均為400mL，兩相接觸面積A為界面環(huán)上小孔的總面積，為0.00228m2，C*w和C*0可根據(jù)平衡分配系數(shù)m計算。

圖1為HAc在兩相中的濃度變化曲線，利用對數(shù)方程回歸得出兩相濃度隨時間的變化趨勢分別為和C0=-0.34In（t）+2.669和Cw=0.349In（t）-0.218，則d C0=-0.34/t，d Cw=0.349/t，具體計算過程見表1。

圖1　25℃時HAc在酯相和水相中的濃度變化曲線Fig.1 Concentration curves of ethylic acid in aqueous phase and ester phase at 25℃

表1　25℃時HAc在酯相和水相中的濃度實測及擬合數(shù)據(jù)Tab.1 Measured and Curve-Fitting Data of ethylic acid in aqueous phase and ester phase at25℃

由不同時刻的傳質(zhì)系數(shù)取平均值可得Ko=0. 003913m·min-1，Kw=0.003728m·min-1。

2.2以對數(shù)值對t作圖獲得傳質(zhì)系數(shù)。

實驗開始時，通過高位槽向上層酯相中加入60mLHAc。因Lewis池提供了一個相內(nèi)全混，界面無返混的理想流動狀況，此時可認為HAc在酯相中分布均勻，酯相濃度Co（0）=2.6225mol·L-1，水相濃度Cw（0）=0。另外，根據(jù)加入HAc的總量及平衡時HAc在兩相中的分配系數(shù)m可計算出平衡濃度，再根據(jù)實驗測得的酯相及水相HAc濃度即可計算出，以對數(shù)值對時間作圖從斜率就可獲得傳質(zhì)系數(shù)。

4　結(jié)論

在萃取動力學的研究中，傳質(zhì)系數(shù)的確定具有非常重要的現(xiàn)實意義，是提高實際萃取設(shè)備效率的依據(jù)。由以上分析可見，兩種方法計算出來的傳質(zhì)系數(shù)有一定差別，但均屬于同一數(shù)量級?？紤]到HAc在兩相中的傳遞是一個動態(tài)過程，其在兩相中的濃度處于不斷變化中，所對應(yīng)的平衡濃度也應(yīng)該是一個變量。而在第二種處理方法中用系統(tǒng)最終達平衡時的水相濃度Cew和酯相濃度Ceo替代變量C*w和C*o，對該過程做了較大的簡化。因此，作者認為通過曲線擬合求導(dǎo)獲得的傳質(zhì)系數(shù)更為符合實際情況。

［1］賈紹義,柴誠敬.化工傳質(zhì)與分離過程（2版）［M］.北京：化學工業(yè)出版社,2007.214-216.

［2］程衍富,戴同慶,潘林峰,等.在實驗數(shù)據(jù)處理中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力［J］.實驗科學與技術(shù)，2009,7（3）：92-93,155.

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［4］許前會.化學工程與工藝專業(yè)實驗［M］.南京：東南大學出版社. 2011.23-28.

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［6］秦向東,楊姝,趙紅梅,等.分析化學綜合實驗中的軟件實驗教學設(shè)計-以Excel為例［J］.化學教育，2015,（12）：58-62.

［7］武新,張永勝.Origin在曲線擬合中的應(yīng)用［J］.計算機工程與應(yīng)用，2005,17：206-208.

Experimental data processing and fitting in the determ ination of liquid-liquid mass transfer coefficient*

WANG Ju，WU Xian-li，DU Chun-hua
（Qingdao Agricultural University College of Chemistry and Pharmaceutical Sciences，Qingdao 266109，China）

The Determination of Liquid-Liquid Mass Transfer Coefficient have a significant sense to improve the efficiency of the actual extraction equipment.In the determination of liquid-liquidmass transfer coefficient，the conceptual and logical confusion of students was widespread.Take the experimental data which tested in the laboratory of chemical engineering and technology of Qingdao agricultural university for instance，this paper introduced the experimental data processing and fitting in the determination of liquid-liquid mass transfer coefficient.

liquid-liquidmass transfer coefficient；data processing；fitting

TQ021.4

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160919

2016-06-07

青島農(nóng)業(yè)大學應(yīng)用型人才培養(yǎng)特色名校建設(shè)工程課程建設(shè)項目（XJP201315，XJP201314，XJG2013070）

王菊（1981），女，漢，四川省雅安市，講師，博士，從事綠色化學工藝方面的研究。