概述
雙膜理論(two-film theory),是一經典的傳質機理理論,於1923年由惠特曼(W.G.Whitman)和劉易斯(L.K.Lewis)提出,作為界面傳質動力學的理論,該理論較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質吸收的過程。
理論論點
氣體吸收是氣相中的吸收質經過相際傳遞到液相的過程。當氣體與液體相互接觸時,即使在流體的主體中已呈湍流,氣液相際兩側仍分別存在有穩定的氣體滯流層(氣膜)和液體滯流層(液膜),而吸收過程是吸收質分子從氣相主體運動到氣膜面,再以分子擴散的方式通過氣膜到達氣液兩相界面,在界面上吸收質溶入液相,再從液相界面以分子擴散方式通過液膜進入液相主體。
針對氣體吸收傳質過程,雙膜理論的基本論點如下:
1、相互接觸的氣、液兩相流體間存在著穩定的相界面,界面兩側各有一個很薄的停滯膜,相界面兩側的傳質阻力全部集中於這兩個停滯膜內,吸收質以分子擴散方式通過此二膜層由氣相主體進入液相主體;
2、在相界面處,氣、液兩項瞬間即可達到平衡,界面上沒有傳質阻力,溶質在界面上兩相的的組成存在平衡關係,即所需的傳質推動力為零或氣、液兩相達到平衡。
3、在兩個停滯膜以外的氣、液兩相主體中,由於流體充分湍動,不存在濃度梯度,物質組成均勻。溶質在每一相中的傳質阻力都集中在虛擬的停滯膜內。
根據雙膜理論,氣、液相界面附近的濃度分布如右圖所示。
理論表達式
雙膜理論將相際傳質過程簡化為經兩膜層的穩定分子擴散的串聯過程。吸收過程則為溶質通過氣膜和液膜的分子擴散過程。
所以,兩項間傳質的速率方程分別為
氣膜: (NA)g=kg(pA-pAi)
液膜: (NA)l=kl(cAi-cA)
式中: (NA)g,(NA)l——溶質通過氣膜和液膜的傳質通量,kmol/(m2·s)
pA,cA——溶質在氣、液兩相主題中的壓力(Pa)和濃度(kmol/m3)
pAi,cAi——溶質在氣、液兩相界面上的壓力(Pa)和濃度(kmol/m3)
kg——以氣相分壓為推動力的氣膜傳質係數,kmol/(m2·s·Pa)
kl——以液相濃度為推動力的液膜傳質係數,m·s
雙膜理論假設溶質以穩定分子擴散方式通過氣膜和液膜,因此,氣相和液相的對流傳質速率相等。所
以:
(NA)g= (NA)l=kg(pA-pAi)=kl(cAi-cA)
進而:
(pA-pAi)/(cAi-cA)=kl/kg
根據雙膜理論的假設,在相界面上,氣、液兩相呈平衡關係,即pAi與cAi互為平衡關係,因此若兩相界面某一側的組成已知,另一側的組成可用相平衡關係求出
右圖即為氣相溶質分壓與液相溶質濃度的相平衡關係曲線。
局限性
由此理論所得的傳質係數計算式形式簡單,但等效膜層厚度 以及界面上濃度都難以確定;
雙膜理論存在著一定局限性,例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質體系,相界面是不穩定的,因此界面兩側存在穩定的等效膜層以及物質以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以成立;