論溶氣原理及提高溶氣效率的途徑

1、 06-03-05 10:25:00 作者：邊朝輝編輯：studa9ngns摘要：在氣浮中，溶氣量的大小對(duì)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(duì)提高氣浮效果有很大幫助。本文系統(tǒng)介紹了常見(jiàn)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徑。 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(duì)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(duì)提高氣浮效果有很大幫助。氣液相間的物質(zhì)傳遞過(guò)程通常用傳質(zhì)理論來(lái)描述。常見(jiàn)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

2、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(dòng)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(guò)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(chēng)為層流膜。兩相流動(dòng)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??；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(guò)程可看作由四個(gè)階段組成。第一階段，氣體通過(guò)氣相全體

3、抵達(dá)氣、液界面；第二階段，氣體通過(guò)界面上氣相一側(cè)的氣膜；第三階段，氣體通過(guò)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(gè)傳遞階段都包含一個(gè)有限的時(shí)間增量，但是，其中某一階段所需的時(shí)間往往比其他階段長(zhǎng)好多，以致在整個(gè)傳遞過(guò)程中，其余階段的速率可以忽略不計(jì)。給定條件下傳遞時(shí)間最長(zhǎng)的階段稱(chēng)為速率控制階段，整個(gè)氣體傳遞過(guò)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(chǎng)中擴(kuò)散時(shí)，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(guò)程的動(dòng)力，又表明介質(zhì)對(duì)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(shí)，總體運(yùn)動(dòng)雖大，但氣體與周?chē)橘|(zhì)之

4、間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)卻不大，因而介質(zhì)對(duì)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?chē)橘|(zhì)有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(guò)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(guò)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(gè)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)； 氣相傳質(zhì)系數(shù)； 液相傳質(zhì)系數(shù)；由式(1)（2）可見(jiàn)氣體

5、溶解度對(duì)傳遞過(guò)程影響很大：1.對(duì)易溶氣體來(lái)說(shuō)，溶解度系數(shù)H很大，式(1)中的一項(xiàng)將相對(duì)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。此時(shí)傳遞過(guò)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(chēng)為氣膜控制。2對(duì)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(duì)很小，此時(shí)總傳質(zhì)系數(shù)與液相傳質(zhì)分系數(shù)相近，即，亦即氣膜阻力及厚度均很小，傳遞過(guò)程的總阻力主要受液膜阻力所控制，故稱(chēng)為液膜控制。3對(duì)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(duì)于氣膜控制過(guò)程，如增大氣相流速和紊動(dòng)程度，可使氣膜

6、厚度減薄，因而有利于加快氣體傳遞速率。對(duì)于液膜控制過(guò)程，則應(yīng)增大液相流速和紊動(dòng)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(guò)程應(yīng)屬液股控制過(guò)程。雙膜理論雖能較好地符合具有固定界面的傳質(zhì)過(guò)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(dòng)由流體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)至界面，隨后在很短時(shí)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(lái)的旋渦又被其它旋渦取代，如此反復(fù)進(jìn)行這一過(guò)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(shí)間以及在這段時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散組分穿過(guò)界面?zhèn)鬟f進(jìn)入旋渦的量，其數(shù)學(xué)表達(dá)