論溶氣原理及提高溶氣效率的途經(jīng)

邊朝輝

　　【摘 要】在氣浮中，溶氣量的大小對氣浮的效果起著極其重要的作用，因此，了解溶氣原理以提高溶氣效率對提高氣浮效果有很大幫助。本文系統(tǒng)介紹了常見的傳質(zhì)理論：雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論，并在理論的基礎(chǔ)上得出了各種提高溶氣效率的途經(jīng)
　　【關(guān)鍵詞】 溶氣 雙膜理論 溶質(zhì)滲透理論 表面更新理論 效率

　　在氣浮中，溶氣量的大小對氣浮的效果起著極其重要的作用，因此，了解溶氣原理以提高溶氣效率對提高氣浮效果有很大幫助。
　　氣液相間的物質(zhì)傳遞過程通常用傳質(zhì)理論來描述。常見的傳質(zhì)理論有雙膜理論、溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論。

1. 雙膜理論

雙膜理論是1923年由Lewis & Whitusan提出的。其基本論點(diǎn)是：
1．認(rèn)為氣、液兩相接觸的自由界面附近，分別存在著作層流流動的氣膜和液膜，即在氣相側(cè)的氣膜和液相側(cè)的掖膜，如圖4-2所示。氣體必須以分子擴(kuò)散的方式從氣相主體連續(xù)通過此兩層膜而進(jìn)入液相主體。由于此兩層膜在任何情況下均呈層流，放又稱為層流膜。兩相流動情況的改變僅影響膜的厚度，即如氣體的流速越大，氣膜就越薄；同樣，如液體的流速越大，液膜也就越薄。

圖 1 雙膜模型

2．在氣液兩相界面上，兩相的濃度總是互相平衡的，也即氣膜與液膜中的傳遞速率總是相等的。故在界面上不再存在傳遞阻力。
　　3．氣體傳遞過程可看作由四個階段組成。第一階段，氣體通過氣相全體抵達(dá)氣、液界面；第二階段，氣體通過界面上氣相一側(cè)的氣膜；第三階段，氣體通過界面上液膜一側(cè)的液膜；最后階段，是氣體向液相主體的擴(kuò)散。每一個傳遞階段都包含一個有限的時間增量，但是，其中某一階段所需的時間往往比其他階段長好多，以致在整個傳遞過程中，其余階段的速率可以忽略不計(jì)。給定條件下傳遞時間最長的階段稱為速率控制階段，整個氣體傳遞過程的速率可以只按速率控制階段的速率計(jì)算。
　　物質(zhì)在穩(wěn)定的濃度場中擴(kuò)散時，沿著擴(kuò)散方向，濃度逐漸降低，形成濃度梯度。濃度梯度的存在既是擴(kuò)散過程的動力，又表明介質(zhì)對擴(kuò)散物質(zhì)存在著阻力。圖1表明，在主體紊流區(qū)內(nèi)，氣體主要依靠渦流擴(kuò)散進(jìn)行傳遞。這時，總體運(yùn)動雖大，但氣體與周圍介質(zhì)之間的相對運(yùn)動卻不大，因而介質(zhì)對傳遞的阻力也不大。所以在氣相主體和液相主體中可看做不存在濃度梯度。而在液膜和氣膜中，氣體將進(jìn)行分子擴(kuò)散，與周圍介質(zhì)有較大的相對運(yùn)動，因而阻力也大，結(jié)果在很短的距離內(nèi)就產(chǎn)生很大的濃度梯度。雙膜理論認(rèn)為，氣體傳遞過程的主要阻力和濃度降低，僅存在于兩層層流邊界膜內(nèi)。傳遞過程的總速率主要決定于邊界膜的厚度和其中進(jìn)行的分子擴(kuò)散速率。至于液膜和氣膜中，哪一個將成為速率控制階段，這將取決于氣體溶解度的大小。
　　有雙膜理論的模型可以推導(dǎo)出氣液相各自的傳質(zhì)分系數(shù)符合下列關(guān)系：

　　氣相： （1）

　　液相： （2）

其中 H — 氣體的溶解度系數(shù)；
K_g— 氣相傳質(zhì)系數(shù)；
K_l— 液相傳質(zhì)系數(shù)；

　　由式(1)（2）可見氣體溶解度對傳遞過程影響很大：

　　1.對易溶氣體來說，溶解度系數(shù)H很大，式(1)中的一項(xiàng)將相對很小，亦即氣體在液體中的傳質(zhì)阻力及液膜厚度甚小，因而有K_G≈k_g。此時傳遞過程的總阻力主要由氣膜阻力所構(gòu)成，也就是氣體傳遞速率主要系受氣膜阻力所控制，故稱為氣膜控制。
　　 2．對于難溶氣體，溶解度系數(shù)日值甚小，式(2)中的一項(xiàng)將相對很小，此時總傳質(zhì)系數(shù)與液相傳質(zhì)分系數(shù)相近，即K_L≈k_l，亦即氣膜阻力及厚度均很小，傳遞過程的總阻力主要受液膜阻力所控制，故稱為液膜控制。
　　 3．對于溶解度適中的氣體，其液膜和氣膜中的阻力相差不大，都不能忽略，必須嚴(yán)格按照式(1)、(2)計(jì)算總傳質(zhì)系數(shù)。
　　 由上述可知，對于氣膜控制過程，如增大氣相流速和紊動程度，可使氣膜厚度減薄，因而有利于加快氣體傳遞速率。對于液膜控制過程，則應(yīng)增大液相流速和紊動程度，才能減小液膜厚度，加快氣體傳遞速率。
　　 空氣是難溶于水的氣體，例如，氧的液膜阻力約為氣膜阻力的140倍，氣膜阻力實(shí)際上可以忽略不計(jì)，氮在水中的溶解度比氧更低。所以，溶氣過程應(yīng)屬液股控制過程。
　　 雙膜理論雖能較好地符合具有固定界面的傳質(zhì)過程，但它具有一些基本缺陷，如紊流劇烈的自由界面上實(shí)際難以存在穩(wěn)定的層流膜。因此繼雙膜理論后出現(xiàn)了一些新的傳質(zhì)理論。

2. 溶質(zhì)滲透模型

Higbie提出的溶質(zhì)滲透理論假定物質(zhì)主要借湍流旋渦運(yùn)動由流體內(nèi)部運(yùn)動至界面，隨后在很短時間內(nèi)又由界面向流體進(jìn)行不穩(wěn)態(tài)的分子擴(kuò)散，位于界面的原來的旋渦又被其它旋渦取代，如此反復(fù)進(jìn)行這一過程。
　　 根據(jù)溶質(zhì)滲透理論得出的平均傳質(zhì)速率取決于界面上旋渦的暴露時間以及在這段時間內(nèi)擴(kuò)散組分穿過界面?zhèn)鬟f進(jìn)入旋渦的量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（3）

　　其中θ_c為氣液接觸時間。由于θ_c一般未知，所以溶質(zhì)滲透理論的應(yīng)用受到限制。傳質(zhì)系數(shù)k_c與分子擴(kuò)散系數(shù)的平方根成下比這一點(diǎn)已由實(shí)驗(yàn)證實(shí)是正確的，證明溶質(zhì)滲透理論比雙膜理論更能代表兩相間的傳質(zhì)機(jī)理。

3. 表面更新模型

　　 Dankwerts通過對溶質(zhì)滲透理論的修正而發(fā)展出表面更新理論。丹克伍茨假定表面單元暴露的時間不同，而質(zhì)量傳遞的平均速率取決于各種年齡期的表面單元的頒，平均吸收速率是將年齡期為 的表面分率乘以該表面的瞬時吸收速率，然后將所有表面單元的表達(dá)式相加得到。由此得到

（4）

　　其中，S為表面更新分率，必須由實(shí)驗(yàn)測定。從該式可以看出，k_c與D_AB的平方根成正比，與赫格比獲得的結(jié)果完全一致。
　　表面更新理論認(rèn)為表面更新過程是隨時間進(jìn)行的，而溶質(zhì)滲透理論每隔τ₀ 周期性的發(fā)生。表面更新理論更深刻的揭示了對流傳質(zhì)過程的物理本質(zhì)——非定態(tài)擴(kuò)散和表面更新，指明傳質(zhì)的強(qiáng)化途徑。
　　雖然溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論能夠反映出氣液相間傳質(zhì)的真實(shí)情況，但由于氣液接觸時間θ_c和表面更新分率S均不易獲得，而且在實(shí)際應(yīng)用中會使過程的數(shù)學(xué)描述復(fù)雜化。所以，目前對于很多實(shí)際過程的描述仍采用雙膜理論，這樣可以使過程的數(shù)學(xué)描述簡化，而計(jì)算結(jié)果的誤差也是可以接受的。
　　由式(3)、(4)可知，如欲增大傳質(zhì)系數(shù)以強(qiáng)化溶氣過程，則必須減小液膜厚度，縮短暴露時間或提高表面更新速率。
　　綜上所述，可以得出強(qiáng)化溶氣過程的途徑為：
　　1．提高液相噴淋密度，可以加快液體流速，減小液膜厚度，縮短暴露時間，從而提高傳質(zhì)速率。
　　2．選用高效填料，可以加劇液相紊動程度，從而提高表面更新速率，加快溶氣速率；
　　3．在鼓泡灌中，增大氣流密度，減小布?xì)鈿馀萘６然蛟趪娏芄嘀?，提高液體噴射速度，可以加強(qiáng)表面更新，縮短暴露時間，提高溶氣效率。
　　4．傳質(zhì)速率N本身包含接觸時間和傳質(zhì)面積兩個因素，因此使氣、液相高度分散，以增大兩相實(shí)際接觸面積(例如，利用比表面很大的墳料)，或延長兩相實(shí)際接觸時間(例如，在噴淋灌中增大氣相區(qū)高度及在填料灌中增加填料床高度)，均可提高溶氣效率。
　　由于溶氣過程的速率系受液膜控制，其氣相一側(cè)的阻力很小，所以采用加大氣速的辦法，對提高溶氣速率不會有明顯效果。

【參考文獻(xiàn)】

1. 氣浮凈水技術(shù)的研究與應(yīng)用，陳翼孫、胡斌著，上海科學(xué)技術(shù)出版社，49-54。
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5. 化工原理（下冊），陳敏恒 叢德滋 方圖南編，化學(xué)工業(yè)出版社18-19。

邊朝輝
班級：給排水0201班
學(xué)號： 012002018008
指導(dǎo)老師： 范躍華