雙膜理論

雙膜理論（two-film theory），為氣液界面傳質過程的經典理論。由惠特曼（W.G. Whitman）和劉易斯（L.K. Lewis）於20世紀20年代提出，模型經多次改進，已成功用於環境中化合物在大氣-水界面間的傳質過程，較好地解釋了液體吸收劑對氣體吸收質的吸收過程。

基本介紹

• 中文名：雙膜理論
• 外文名：Two-film theory
• 實質：氣液界面傳質過程的經典理論
• 時間：1923年
• 提出者：惠特曼和劉易斯

理論要點

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）和液體滯留層（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，雙膜理論就是以吸收質在滯流層內的分子擴散的概念為基礎而提出的。

基本論點如下：

(1)相接觸的氣、液兩流體間存在著穩定的相界面，界面兩側附近各有一層很薄的穩定的氣膜或液膜，溶質以分子擴散方式通過此兩膜層。

(2)界面上的氣、液兩相呈平衡。相界面上沒有傳質阻力。

(3)在膜層以外的氣、液兩相主體區無傳質阻力，即濃度梯度(或分壓梯度)為零。

雙膜理論把整個相際傳質過程簡化為溶質通過兩層有效膜的分子擴散過程，理論模型如右圖所示。

理論方程

根據雙膜理論，吸收過程中的速率方程式可用溶質以分子擴散方式通過氣、液膜的擴散速率方程來表示。

氣膜：(N_A)_g=K_g(P_g-P_i)

液膜：(N_A)_L=K_L(C_i-C)

式中：(N_A)_g，(N_A)_L—溶質通過氣膜和液膜的傳質通量，kmol /(m²·s)

P_g，P_i—分別為溶質組分在氣相主體與相界面處的分壓，kPa

C_i，C_p—分別為溶質組分在液相相界面和主體處的濃度，kmol/m³

K_g —氣相傳質係數和液相傳質係數，kmol /(m²·s·kPa)

K_L—液相傳質係數，kmol /[m²·s·(kmol/m³)]，或m/s

為避開難以確定的界面參數，可以採用主體濃度的某種差值來表示總推動力。因此相應的吸收速率方程式可表示為以下幾種形式。

相平衡關係曲線

以P_g-P*表示：(N_A)_g=K_g(P_g-P*)

以C*-C表示： (N_A)_L=K_L(C*-C)

式中：P*—液相主體濃度c成平衡的氣相分壓，kPa

C*—平衡時，溶質組分在液相相界面處的濃度，kmol/m³

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。

注意事項

套用吸收速率方程式時，應注意以下幾點：

(1) 必須注意各速率方程式中吸收係數與推動力的正確搭配及其單位的一致性，吸收係數的倒數即表示吸收阻力，阻力的表達形式也應與推動力的表達形式相對應。

(2) 所有吸收速率方程式，都只適用於描述穩態操作的吸收塔內任一橫截面上的速率關係，不能直接用來描述全塔的吸收速率。在塔內不同橫截面上，氣、液兩相的組成各不相同，吸收速率也不同。

(3) 若採用以總係數表達的吸收速率方程式時，在整個吸收過程所涉及的組成範圍內，平衡關係須為直線，符合亨利定律，否則，總係數仍會隨組成而變化，這將不便於用來進行吸收塔的計算。

(4) 對於具有中等溶解度的氣體而平衡關係不為直線時，不宜採用總係數表示的速率方程式。

局限性

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。