論溶氣原理及提高溶氣效率的途徑

1、論溶氣原理及進(jìn)步溶氣效率的途徑摘要：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，理解溶氣原理以進(jìn)步溶氣效率對(duì)進(jìn)步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)浸透理論和外表更新理論，并在理論的根底上得出了各種進(jìn)步溶氣效率的途徑。關(guān)鍵詞：溶氣雙膜理論溶質(zhì)浸透理論外表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，理解溶氣原理以進(jìn)步溶氣效率對(duì)進(jìn)步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)描繪。常見(jiàn)的傳質(zhì)理論有雙膜理論、溶質(zhì)浸透理論和外表更新理論。1.雙膜理論雙膜理論是1923年由Leishitusan提出的。其根本論點(diǎn)是：1

2、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，液膜也就越保圖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

3、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，又說(shuō)明介質(zhì)對(duì)擴(kuò)散物質(zhì)存在著阻力。圖1說(shuō)明，在主體紊流區(qū)內(nèi)，氣體主要依靠渦流擴(kuò)散進(jìn)展傳遞。這時(shí)，總體運(yùn)動(dòng)雖大，但氣體與周?chē)橘|(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)卻不大，因此介質(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

4、不存在濃度梯度。而在液膜和氣膜中，氣體將進(jìn)展分子擴(kuò)散，與周?chē)橘|(zhì)有較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此阻力也大，結(jié)果在很短的間隔 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)展的分子擴(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校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)符合以下關(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

5、體中的傳質(zhì)阻力及液膜厚度甚小，因此有。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，可使氣膜厚度減薄，因此有利于加快氣體傳遞速率。對(duì)于液膜控制過(guò)程，那么應(yīng)增大液相流速和紊動(dòng)程度，才能減小液膜厚度，

6、加快氣體傳遞速率?？諝馐请y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，但它具有一些根本缺陷，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)浸透模型Higbie提出的溶質(zhì)浸透理論假定物質(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)展不穩(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)展這一過(guò)程。根據(jù)溶質(zhì)浸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

7、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)式為：3其中為氣液接觸時(shí)間。由于一般未知，所以溶質(zhì)浸透理論的應(yīng)用受到限制。傳質(zhì)系數(shù)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)浸透理論比雙膜理論更能代表兩相間的傳質(zhì)機(jī)理。3.外表更新模型Dankerts通過(guò)對(duì)溶質(zhì)浸透理論的修正而開(kāi)展出外表更新理論。丹克伍茨假定外表單元暴露的時(shí)間不同，而質(zhì)量傳遞的平均速率取決于各種年齡期的外表單元的頒，平均吸收速率是將年齡期為的外表分率乘以該外表的瞬時(shí)吸收速率，然后將所有外表單元的表達(dá)式相加得到。由此得到4其中，S為外表更新分率，必須由實(shí)驗(yàn)測(cè)定。從該式可以看出，與的平方根成正比，與赫格比獲得的

8、結(jié)果完全一致。外表更新理論認(rèn)為外表更新過(guò)程是隨時(shí)間進(jìn)展的，而溶質(zhì)浸透理論每隔周期性的發(fā)生。外表更新理論更深入的提醒了對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程的物理本質(zhì)非定態(tài)擴(kuò)散和外表更新，指明傳質(zhì)的強(qiáng)化途徑。雖然溶質(zhì)浸透理論和外表更新理論可以反映出氣液相間傳質(zhì)的真實(shí)情況，但由于氣液接觸時(shí)間和外表更新分率S均不易獲得，而且在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)使過(guò)程的數(shù)學(xué)描繪復(fù)雜化。所以，目前對(duì)于很多實(shí)際過(guò)程的描繪仍采用雙膜理論，這樣可以使過(guò)程的數(shù)學(xué)描繪簡(jiǎn)化，而計(jì)算結(jié)果的誤差也是可以承受的。由式(3)、(4)可知，如欲增大傳質(zhì)系數(shù)以強(qiáng)化溶氣過(guò)程，那么必須減小液膜厚度，縮短暴露時(shí)間或進(jìn)步外表更新速率。綜上所述，可以得出強(qiáng)化溶氣過(guò)程的途徑為：1進(jìn)步液

9、相噴淋密度，可以加快液體流速，減小液膜厚度，縮短暴露時(shí)間，從而進(jìn)步傳質(zhì)速率。2選用高效填料，可以加劇液相紊動(dòng)程度，從而進(jìn)步外表更新速率，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然蛟趪娏芄嘀校M(jìn)步液體噴射速度，可以加強(qiáng)外表更新，縮短暴露時(shí)間，進(jìn)步溶氣效率。4傳質(zhì)速率N本身包含接觸時(shí)間和傳質(zhì)面積兩個(gè)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，利用比外表很大的墳料)，或延長(zhǎng)兩相實(shí)際接觸時(shí)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)，均可進(jìn)步溶氣效率。由于溶氣過(guò)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方法，對(duì)進(jìn)步溶氣速率不會(huì)有明顯效果?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1.氣浮凈水技術(shù)的研究與應(yīng)用，陳翼孫、胡斌著，上?？茖W(xué)技