雙膜模型，是將傳統提取植物精油的水蒸汽蒸餾裝置靜態操作改為動態並建立起傳質過程的雙膜模型。
基本介紹
- 中文名：雙膜模型
- 外文名：Double membrane model
- 學科：冶金工程
- 領域：冶煉
- 套用：填料塔
- 特性：傳遞特性
基本介紹,用途,傳遞特性,總結,
基本介紹
通過雙膜模型的建立，對填料反應塔的塔高計算公式進行了推導，並推導出填料反應塔傳遞特性的相關方程。
填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備。液體從塔頂經液體分布器噴淋到填料上，並沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布後，與液體呈逆流連續通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬於連續接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續變化，在正常操作狀態下，氣相為連續相，液相為分散相。在化工生產中，經常使用填料塔來淨化工藝氣體。在填料塔中，通過氣液逆流接觸，液體介質將工藝氣體中的部分物質吸收，從而達到淨化氣體介質的目的。
當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設定再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經液體收集器收集後，送到液體再分布器，經重新分布後噴淋到下層填料上。填料塔由於具有效率高、壓降低、通量大等優點而得到廣泛的套用。填料塔具有生產能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優點，但也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質效率降低；不能直接用於有懸浮物或容易聚合的物料；對側線進料和出料等複雜精餾不太適合等。
將傳統提取植物精油的水蒸汽蒸餾裝置靜態操作改為動態並建立起傳質過程的雙膜模型。以計算流體力學為基礎,結合漿滴脫硫的雙膜模型,以Euler/Lagrange方法建立了噴霧乾燥煙氣脫硫的數值計算模型及程式,在較廣的參數變化範圍內,模擬結果與Hill和Zank的試驗數據符合較好。
以氣體吸收的雙膜模型為理論基礎,套用分子擴散的費克定律推導出氣、液膜分子擴散速率方程以及氣體吸收速率方程.同時指出,若要提高吸收速度,首先應了解過程的控制類型,有針對性地採取措施;以計算流體力學為基礎,結合漿滴脫硫的雙膜模型,以Euler/Lagrange方法建立了噴霧乾燥煙氣脫硫的數值計算模型及程式,在較廣的參數變化範圍內,模擬結果與Hill和Zank的試驗數據符合較好。
用途
雙膜模型用於填料反應塔的設計
對於填料反應塔，由於其填料層高度比填料直徑大得多，因此，填料的作用除增加接觸面積外，還能降低氣泡合併和液相軸向返混，塔內氣液兩相皆可視為平推流。填料反應塔的設計計算關鍵是求出為完成規定的生產任務所必須的填料層高度和塔徑。這裡主要討論填料層高度的計算。為便於計算，特作下列假定：
1) 全塔溫度恆定並相等；
2) 氣液兩相皆視為平推流；
3) 全塔總壓不變；
4) 流體流經全塔的物性不變。
總壓強為：p=pA+pB+… +p1
液相總濃度為：c=cA+cB+… +c1
氣相摩爾分數：yA=pA/p
氣相物質的量比：YA=pA/p1
液相摩爾分數：xB=cB/cT
液相物質的量比：XB=cB/cv
傳遞特性
1 氣液比相界面積
氣液反應首先要穿過相界面才能實現，氣液相界面積是設計氣- 液或氣- 液- 固反應器非常重要的參數之一，因為氣液比相界面積的大小直接影響反應過程中的傳質速率。氣- 液接觸比相界面積的測定方法很多，如化學法、光透法、照像法等。因為化學法是唯一不需用其他測量方法對比驗證的，因此套用也較多。
在填料反應塔中，填料的潤濕性是填料的主要特性之一，但填料並非總是完全潤濕的，即部分表面在傳質上不起作用。所以氣液比相界面積不同於填料的表面積，填料的潤濕表面也並非都有效，因為填料與填料之間的接觸點會形成流動慢的死角。因此，有效比表面積ap 較潤濕比表面aw 小一點。
對於一級反應f = 0.87，極快反應且吸收劑濃度較低時f = 0.06~0.08，物理吸收時f = 0.078~0.1。對於一級快反應和吸收劑足夠時的極快反應，其有效比表面積接近於潤濕比表面積。用於通用型填料（除鮑爾環以外），其最大誤差為±20%，而對鮑爾環填料的潤濕比表面估計過低，甚至低達50%。
在化學吸收過程中，由於化學反應的作用，易使有效比表面積增大，因而有利於傳質的進行和過程速率增大。當填料的名義尺寸小於30mm 時，此現象更加明顯。因此，計算有效比表面積ap 時應充分考慮化學反應的影響。
2 填料反應塔的傳質特性
化學吸收傳質係數的計算有以下幾種方法：理論公式、利用實驗手段直接測定、利用傳質係數的經驗數據或通用關聯式。對於理論公式方法，由於很多化學吸收系統的機理尚未探明，還不能根據原始理論作出有把握的計算，且計算所需的數據也欠完備，故很少採用。對於利用實驗手段直接測定方法，研究過的吸收系統終究有限，測試的條件也不見得都與生產所規定的條件相一致，其套用常常受到限制。在工業上，當實驗條件缺乏時，常利用傳質係數的經驗數據或通用關聯式方法來進行化學吸收傳質係數的計算。
體積總傳質係數KGav 是衡量填料塔傳質性能高低的重要參數, 它可直接用於設計填料塔設備,對於研究化學吸收過程有著重要的意義。微分法是測定填料塔體積總傳質係數KGav 最主要的方法。Adisorn Aroonwilas 等即採用此方法在填料塔中測得了NaOH、MEA、AMP 等水溶液吸收CO2 的體積總傳質係數KGav。
總結
以工業反應器中進行的反應過程為研究對象，運用數學模型方法建立反應器數學模型，研究反應器傳遞過程對化學反應的影響以及反應器動態特性和反應器參數敏感性，可實現工業反應器的可靠設計和操作控制。
