论溶气原理及提高溶气效率的途经

论溶气原理及提高溶气效率的途经

边朝辉

　　【摘 要】在气浮中，溶气量的大小对气浮的效果起着极其重要的作用，因此，了解溶气原理以提高溶气效率对提高气浮效果有很大帮助。本文系统介绍了常见的传质理论：双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论，并在理论的基础上得出了各种提高溶气效率的途经
　　【关键词】 溶气 双膜理论 溶质渗透理论 表面更新理论 效率

　　在气浮中，溶气量的大小对气浮的效果起着极其重要的作用，因此，了解溶气原理以提高溶气效率对提高气浮效果有很大帮助。
　　气液相间的物质传递过程通常用传质理论来描述。常见的传质理论有双膜理论、溶质渗透理论和表面更新理论。

1. 双膜理论

双膜理论是1923年由Lewis & Whitusan提出的。其基本论点是：
1．认为气、液两相接触的自由界面附近，分别存在着作层流流动的气膜和液膜，即在气相侧的气膜和液相侧的掖膜，如图4-2所示。气体必须以分子扩散的方式从气相主体连续通过此两层膜而进入液相主体。由于此两层膜在任何情况下均呈层流，放又称为层流膜。两相流动情况的改变仅影响膜的厚度，即如气体的流速越大，气膜就越薄；同样，如液体的流速越大，液膜也就越薄。

图 1 双膜模型

2．在气液两相界面上，两相的浓度总是互相平衡的，也即气膜与液膜中的传递速率总是相等的。故在界面上不再存在传递阻力。
　　3．气体传递过程可看作由四个阶段组成。第一阶段，气体通过气相全体抵达气、液界面；第二阶段，气体通过界面上气相一侧的气膜；第三阶段，气体通过界面上液膜一侧的液膜；最后阶段，是气体向液相主体的扩散。每一个传递阶段都包含一个有限的时间增量，但是，其中某一阶段所需的时间往往比其他阶段长好多，以致在整个传递过程中，其余阶段的速率可以忽略不计。给定条件下传递时间最长的阶段称为速率控制阶段，整个气体传递过程的速率可以只按速率控制阶段的速率计算。
　　物质在稳定的浓度场中扩散时，沿着扩散方向，浓度逐渐降低，形成浓度梯度。浓度梯度的存在既是扩散过程的动力，又表明介质对扩散物质存在着阻力。图1表明，在主体紊流区内，气体主要依靠涡流扩散进行传递。这时，总体运动虽大，但气体与周围介质之间的相对运动却不大，因而介质对传递的阻力也不大。所以在气相主体和液相主体中可看做不存在浓度梯度。而在液膜和气膜中，气体将进行分子扩散，与周围介质有较大的相对运动，因而阻力也大，结果在很短的距离内就产生很大的浓度梯度。双膜理论认为，气体传递过程的主要阻力和浓度降低，仅存在于两层层流边界膜内。传递过程的总速率主要决定于边界膜的厚度和其中进行的分子扩散速率。至于液膜和气膜中，哪一个将成为速率控制阶段，这将取决于气体溶解度的大小。
　　有双膜理论的模型可以推导出气液相各自的传质分系数符合下列关系：

　　气相： （1）

　　液相： （2）

其中 H — 气体的溶解度系数；
K_g— 气相传质系数；
K_l— 液相传质系数；

　　由式(1)（2）可见气体溶解度对传递过程影响很大：

　　1.对易溶气体来说，溶解度系数H很大，式(1)中的一项将相对很小，亦即气体在液体中的传质阻力及液膜厚度甚小，因而有K_G≈k_g。此时传递过程的总阻力主要由气膜阻力所构成，也就是气体传递速率主要系受气膜阻力所控制，故称为气膜控制。
　　 2．对于难溶气体，溶解度系数日值甚小，式(2)中的一项将相对很小，此时总传质系数与液相传质分系数相近，即K_L≈k_l，亦即气膜阻力及厚度均很小，传递过程的总阻力主要受液膜阻力所控制，故称为液膜控制。
　　 3．对于溶解度适中的气体，其液膜和气膜中的阻力相差不大，都不能忽略，必须严格按照式(1)、(2)计算总传质系数。
　　 由上述可知，对于气膜控制过程，如增大气相流速和紊动程度，可使气膜厚度减薄，因而有利于加快气体传递速率。对于液膜控制过程，则应增大液相流速和紊动程度，才能减小液膜厚度，加快气体传递速率。
　　 空气是难溶于水的气体，例如，氧的液膜阻力约为气膜阻力的140倍，气膜阻力实际上可以忽略不计，氮在水中的溶解度比氧更低。所以，溶气过程应属液股控制过程。
　　 双膜理论虽能较好地符合具有固定界面的传质过程，但它具有一些基本缺陷，如紊流剧烈的自由界面上实际难以存在稳定的层流膜。因此继双膜理论后出现了一些新的传质理论。

2. 溶质渗透模型

Higbie提出的溶质渗透理论假定物质主要借湍流旋涡运动由流体内部运动至界面，随后在很短时间内又由界面向流体进行不稳态的分子扩散，位于界面的原来的旋涡又被其它旋涡取代，如此反复进行这一过程。
　　 根据溶质渗透理论得出的平均传质速率取决于界面上旋涡的暴露时间以及在这段时间内扩散组分穿过界面传递进入旋涡的量，其数学表达式为：

（3）

　　其中θ_c为气液接触时间。由于θ_c一般未知，所以溶质渗透理论的应用受到限制。传质系数k_c与分子扩散系数的平方根成下比这一点已由实验证实是正确的，证明溶质渗透理论比双膜理论更能代表两相间的传质机理。

3. 表面更新模型

　　 Dankwerts通过对溶质渗透理论的修正而发展出表面更新理论。丹克伍茨假定表面单元暴露的时间不同，而质量传递的平均速率取决于各种年龄期的表面单元的颁，平均吸收速率是将年龄期为 的表面分率乘以该表面的瞬时吸收速率，然后将所有表面单元的表达式相加得到。由此得到

（4）

　　其中，S为表面更新分率，必须由实验测定。从该式可以看出，k_c与D_AB的平方根成正比，与赫格比获得的结果完全一致。
　　表面更新理论认为表面更新过程是随时间进行的，而溶质渗透理论每隔τ₀ 周期性的发生。表面更新理论更深刻的揭示了对流传质过程的物理本质——非定态扩散和表面更新，指明传质的强化途径。
　　虽然溶质渗透理论和表面更新理论能够反映出气液相间传质的真实情况，但由于气液接触时间θ_c和表面更新分率S均不易获得，而且在实际应用中会使过程的数学描述复杂化。所以，目前对于很多实际过程的描述仍采用双膜理论，这样可以使过程的数学描述简化，而计算结果的误差也是可以接受的。
　　由式(3)、(4)可知，如欲增大传质系数以强化溶气过程，则必须减小液膜厚度，缩短暴露时间或提高表面更新速率。
　　综上所述，可以得出强化溶气过程的途径为：
　　1．提高液相喷淋密度，可以加快液体流速，减小液膜厚度，缩短暴露时间，从而提高传质速率。
　　2．选用高效填料，可以加剧液相紊动程度，从而提高表面更新速率，加快溶气速率；
　　3．在鼓泡灌中，增大气流密度，减小布气气泡粒度或在喷淋灌中，提高液体喷射速度，可以加强表面更新，缩短暴露时间，提高溶气效率。
　　4．传质速率N本身包含接触时间和传质面积两个因素，因此使气、液相高度分散，以增大两相实际接触面积(例如，利用比表面很大的坟料)，或延长两相实际接触时间(例如，在喷淋灌中增大气相区高度及在填料灌中增加填料床高度)，均可提高溶气效率。
　　由于溶气过程的速率系受液膜控制，其气相一侧的阻力很小，所以采用加大气速的办法，对提高溶气速率不会有明显效果。

【参考文献】

1. 气浮净水技术的研究与应用，陈翼孙、胡斌著，上海科学技术出版社，49-54。
2. 排水工程 下册（第四版），张自杰、林荣忱、金儒霖编，中国建筑工业出版社，143-145。
3. 化工原理，王志魁主编，化学工业出版社，221。
4. 化工原理（第二版），王志魁主编，化学工业出版社，186-187。
5. 化工原理（下册），陈敏恒 丛德滋 方图南编，化学工业出版社18-19。

边朝辉
班级：给排水0201班
学号： 012002018008
指导老师： 范跃华