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吸收过程的机理——双膜理论

发布时间:2014-11-07 00:00 作者:北纳创联

气液两相间物质传递的理论是近十年来一直在研究的问题。已经提出的理论很多,包括溶质渗透理论和表面更新理论,但应用最广泛且较成熟的是所谓“双膜理论”,亦称滞流膜理论,它不仅适用于物理吸收,也适用于气液相反应。图5-2为双膜理论的示意图,其基本论点是:

①气液两相接触时存在一个相界面,在相界面两侧各存在着一层稳定的层流薄膜,分别称为气膜和液膜。即使气液两相的主体呈湍流时,这两层膜内仍是层流。

②被吸收组分从气相转入液相的过程依次分为五步:靠湍流扩散从气相主体到气膜表面;靠分子扩散通过气膜到达两相界面;在界面上被吸收组分从气相溶入液相;靠分子扩散从两相界面通过液膜;靠湍流扩散从液膜表面到液相主体。

③在气液两相主体中,由于流体的充分湍流而不存在浓度梯度。即被吸收组分在两相主体中的扩散阻力略而不计。

④无论气液两相主体中是否达到平衡,但在相界面处,被吸收组分在两相间已达到平衡。即认为相界面处没有任何传质阻力。

⑤一般来说,两层膜的厚度均极薄,在膜中并没有吸收组分的积累,所以吸收过程可以看作是通过气液膜的稳定扩散。

通过以上假定,整个吸收过程的传质阻力就简化为仅由两层薄膜组成的扩散阻力。因此,气液两相的传质速率取决于通过气膜和液膜的分子扩散速率。其中气膜传质速率:

式中NA——— 单位面积上的吸收(扩散)速度,kmol/(m·s);

p——— 混合气体总压,kPa;

pi——— 气相主体及界面上的组分压力,kPa;

ZG——— 气膜的厚度,m;

D——— 组分在气相中的扩散系数,m/s;

pBm ——— 惰性气体在气膜中的平均分压,kPa;

KG——— 气膜传质分系数,kmol/(m·s·kPa)及m/s;

R——— 通用气体常数,8.314kJ/(kmol·K);

T——— 绝对温度,K。

液膜传质速率

此时:

式中 DL——— 组分在液相中的扩散系数,m/s;

ZL——— 液膜的厚度,m;

C、Ci——— 液相主体及界面上的组分浓度,kmol/m

KL——— 液膜的传质分系数,kmol/(m·s·kPa)及m/s。

与气相扩散系数D不同,液相扩散系数DL 随溶质A的浓度不同而变化,DL值对于吸收塔的计算是一个重要的参数。

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