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文檔簡介
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)步溶氣效率對進(jìn)步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)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)步溶氣效率對進(jìn)步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)理論來描繪。常見的傳質(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(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氣體傳遞過程可看作由四個(gè)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
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好多,以致在整個(gè)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(shí)間最長的階段稱為速率控制階段,整個(gè)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(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)散過程的動(dòng)力,又說明介質(zhì)對擴(kuò)散物質(zhì)存在著阻力。圖1說明,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,但氣體與周圍介質(zhì)之間的相對運(yùn)動(dòng)卻不大,因此介質(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
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,與周圍介質(zhì)有較大的相對運(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)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
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(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(dòng)程度,可使氣膜厚度減薄,因此有利于加快氣體傳遞速率。對于液膜控制過程,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。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,位于界面的原來的旋渦又被其它旋渦取代,如此反復(fù)進(jìn)展這一過程。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通過對溶質(zhì)浸透理論的修正而開展出外表更新理論。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流傳質(zhì)過程的物理本質(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)使過程的數(shù)學(xué)描繪復(fù)雜化。所以,目前對于很多實(shí)際過程的描繪仍采用雙膜理論,這樣可以使過程的數(shù)學(xué)描繪簡化,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?,進(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
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