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Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff in Wasser und wässerigen Polymerlösungen nach der CBS-Methode

Measurement of the diffusion coefficient of hydrogen in water and aqueous polymer solutions according to the CBS-method

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Wärme - und Stoffübertragung Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Values of the diffusion coefficient of hydrogen in water and aqueous polymer solutions at 20 and 30°C and about 1 bar total pressure are given. The measurement of these values has been performed according to the recently published “constant bubble size” method (CBS-method).

The influence of free convection on the determination of diffusion coefficients of slightly soluble gases in liquids has been investigated qualitatively. It is shown that by increase of viscosity, free convection is reduced. To this end, the viscosity is increased by addition of a polymer. Furthermore, the relation between diffusion coefficient and “zero-shear” viscosity has been investigated quantitatively. The “zero-shear” viscosity of the non-Newtonian polymer solutions has been determined. A directly proportional relation between the logarithm of the diffusion coefficient and the logarithm of the “zero-shear” viscosity has been found.

Increasing values of the polymer concentration result in a small decrease of the diffusion coefficient. The experimental values are compared with other results from literature.

Zusammenfassung

Die Werte des Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff in Wasser und wässerigen Polymerlösungen bei 20 und 30°C und ungefähr l bar Gesamtdruck werden gegeben. Die Bestimmung dieser Werte geschah nach der kürzlich veröffentlichten „constant bubble-size“-Methode (CBS-Methode).

Der Einfluß der freien Konvektion bei der Bestimmung der Diffusionskoeffizienten von mäßig lösbaren Gasen in Flüssigkeiten ist qualitativ untersucht worden. Es wird gezeigt, daß freie Konvektion durch Erhöhung der Viskosität völlig zurückgedrängt wird. Dazu wird die Viskosität durch Zusatz eines Polymerisats erhöht.

Weiterhin wurde auch der Zusammenhang zwischen Diffusionskoeffizient und „zero-shear“-Viskosität quantitativ untersucht. Es wurde die „zero-shear“-Viskosität dieser wässerigen Polymerlösungen bestimmt. Ferner ergab sich, daß der Zusammenhang zwischen dem Logarithmus des Diffusionskoeffizienten und dem Logarithmus der „zero-shear“-Viskosität direkt proportional war.

Der Diffusionskoeffizient nimmt bei höherem Polymerzusatz leicht ab. Die experimentellen Werte wurden mit Ergebnissen aus dem Schrifttum verglichen.

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Abbreviations

a [m2 s−1]:

Temperaturleitfähigkeit der Flüssigkeit

A c [m2]:

Oberfläche des gesperrten Kugelabschnitts

c A [mol m−3]:

Konzentration des GasesA in der Flüssigkeit

c p [kg kg−1]:

Polymerkonzentration in der Flüssigkeit

c R [mol m−3]:

Konzentration des Gases in der Flüssigkeit an der Oberfläche (r=R)

c z [mol m−3]:

Konzentration der Zusatzmenge

c ∞ [mol m−3]:

Konzentration des Gases in der Flüssigkeit fürt=0 und zur → ∞ fürt >0

d [m]:

Gasblasendurchmesser

d c [m]:

Durchmesser der Spitze des Kegelstumpfs

D AB [m2 s−1]:

Diffusionskoeffizient des GasesA in der FlüssigkeitB

D w [m2 s−1]:

fusionskoeffizient des Gases in der reinen Flüssigkeit

g [m s−2]:

Fallbeschleunigung

L [m]:

Halbmesser der Innenzelle

m [s−1]:

Neigung der Gerade in der Gleichung (10)

n [1]:

Exponent in Gleichung (12)

N *A [mol]:

Menge des in der Flüssigkeit absorbierten GasesA

p R [Pa]:

Teildruck des Gases zur=R

r [m]:

Kugelkoordinate

R [m]:

Halbmesser der Gasblase

R [Jmol−1K−1]:

Gaskonstante (R=8.314 J mol−1 K−1)

t [s]:

Zeit

T [K]:

Temperatur

ΔT [K]:

Temperaturdifferenz

v a* [m3]:

Volumen des in der Flüssigkeit absorbierten GasesA

α [W K−1 m−2]:

Wärmeübergangskoeffizient

β [K−1]:

Wärmedehnungszahl der Flüssigkeit

γ [rad]:

Winkel

η [Pa s]:

Viskosität

η w [Pa s]:

Viskosität der reinen Flüssigkeit

η 0 [Pa s]:

Viskosität der Polymerlösung fürτ → 0

η∞ [Pa s]:

Viskosität der Polymerlösung fürτ → ∞

θ [rad]:

Kugelkoordinate

λ [W K−1 m−1]:

Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit

ν [m2 s−1]:

kinematische Viskosität der Flüssigkeit

ϱ L [kg m−3]:

Dichte der Flüssigkeit

σ [Pa m]:

Oberflächenspannung der Flüssigkeit

σ D [m2 s−1]:

Standardabweichung vom Diffusionskoeffizienten

σ n [1]:

Standardabweichung vonn

τ [Pa]:

Schubspannung

Eö [1]:

Eötvössche Kenngröße (Eö=ϱL g R2/σ)

He [1]:

Henrysche Kenngröße (He=c RRT/pR)

Nu [1]:

Nusseltsche Kenngröße (Nu=α L/λ)

Ra [l]:

Rayleighsche Kenngröße (Ra=L 3 g β ΔT/(a v))

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Authors and Affiliations

  1. Laboratorium voor Chemische Technologie, Plantage Muidergracht 30, 1018, TV Amsterdam, Niederlande

    W. J. de Blok,  J. M. H. Fortuin & D. P. Vermeulen

Authors
  1. W. J. de Blok
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  2. J. M. H. Fortuin
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  3. D. P. Vermeulen
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de Blok, W.J., Fortuin, J.M.H. & Vermeulen, D.P. Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Wasserstoff in Wasser und wässerigen Polymerlösungen nach der CBS-Methode. Wärme- und Stoffübertragung 17, 11–16 (1982). https://doi.org/10.1007/BF01686960

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