界面性質(zhì)對氣液傳質(zhì)的影響

楊立紅

摘 要：對于氣液傳質(zhì)來說，其屬于一個動態(tài)的過程。在對不同類型物質(zhì)的傳質(zhì)進行研究的過程中，研究人員主要考慮的是流場結(jié)構(gòu)因素，往往忽視了物質(zhì)本身的性質(zhì)。界面性質(zhì)對氣液傳質(zhì)會產(chǎn)生重要的影響，分子結(jié)構(gòu)在流動的過程中可能會消耗一定的能量來對界面的自由能進行克服，使得界面兩種物質(zhì)的濃度存在著嚴重地差異。本文中，筆者主要對界面性質(zhì)對氣液傳質(zhì)進行分析，并且導出界面性質(zhì)和氣液傳質(zhì)之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：界面性質(zhì)；氣液傳質(zhì)；關(guān)系分析；自由能

在生產(chǎn)生活中，氣液傳質(zhì)現(xiàn)象是非常普遍的。但是，對于這方面的研究來說，不僅研究成果還不夠成熟，而且研究人員只是將研究重點放置到理論上。在實際的研究中，人們偏向于對流場維數(shù)進行分析，促進了理論質(zhì)的飛躍。在氣液傳質(zhì)的過程中，界面的平衡程度能否達到標準是需要掌握的重要問題。因此，加強氣液界面熱力學的性質(zhì)分析力度，可以直接得到界面性質(zhì)對氣液傳質(zhì)所造成的影響。

1 氣液界面性質(zhì)

對于氣液界面的性質(zhì)來說，其有很多種類型。包括熱力學性質(zhì)、界面吸附性質(zhì)以及界面定向性質(zhì)等等。其中比較常見的就是氣液界面的平衡性質(zhì)以及自由能等方面。為了對氣液界面對氣液傳質(zhì)的影響情況進行明確，下文主要從幾個方面來進行探討和分析：

1.1 平衡性質(zhì)

平衡性質(zhì)就是一種處于平衡態(tài)的性質(zhì)。就是蒸汽與液體相結(jié)合，同時與蒸汽相的分子達到平衡的一種狀態(tài)。從物理學的角度可以看出，根據(jù)氣體分析理論可以直接計算出蒸汽撞在1cm3的摩數(shù)。一般來說，在蒸汽所受壓力和溫度達到一定標準的前提下，參與計算的所有數(shù)值都是定量的。一旦達到平衡狀態(tài)，蒸發(fā)的實際速度和凝聚速度之間幾乎不相差。所以說，研究人員在計算蒸發(fā)速度的同時需要充分考慮到壓力因素、溫度因素以及界面的具體濃度等方面。在其他條件相同的條件下，界面的濃度與蒸汽蒸發(fā)的速度之間成正比。但是，在傳質(zhì)的過程中，蒸汽從液相傳遞到氣相時的速度會發(fā)生一定的變化。這時，氣體的分子數(shù)量就和揮發(fā)的分子數(shù)以及傳質(zhì)的分子數(shù)之間存在著密切的聯(lián)系。

經(jīng)過細致地分析和計算，研究人員發(fā)現(xiàn)，氣液傳質(zhì)的過程中，界面上的兩相無法直接達到熱力學平衡的狀態(tài)。在接觸面上，界面的濃度可以被看做為平衡的濃度。如果分子要經(jīng)過界面，就需要克服一定的能量，液相一側(cè)的濃度就明顯低于平衡濃度數(shù)值。對這一方面進行細致地研究和探討是研究人員工作的重點。

1.2 表面張力、自由能

為了對液氣界面的性質(zhì)進行分析，必須要考慮到表面的張力以及自由能等方面的問題。一般來說，表面的張力和自由能無論是在性質(zhì)上還是本質(zhì)上都具有一定的區(qū)別，是完全不同的兩個概念。當然，這只是針對固體的表面而言的。如果是對于液體來說，其表面的張力和自由能則可以等同來看。這是兩種不同形式的做功狀態(tài)。只不過是表面要擴大和分子的移動兩種形式。一般情況下，要想得到界面的數(shù)值，需要對液體的徑向分布函數(shù)進行分析和研究。其標準數(shù)值可以用界面和內(nèi)部分子兩個因素來進行計算。其位能差即為標準數(shù)值。

在進行計算和分析的過程中，總需要考慮到分子的熱力學理論。但現(xiàn)如今，分子熱力學的相關(guān)理論還處于一種發(fā)展不成熟的階段。因此，無法直接得到精準的數(shù)值量。眾所周知，界面的分子自由能主要的影響因素就是分子的不平衡受力引起，如果結(jié)果的精準度不夠，必然會直接影響到氣液界面本身的性質(zhì)。因此，直接影響到氣液傳質(zhì)?？梢?，分子在穿過界面的時候，很容易受到熱力學因素的影響，此時的熱力學性質(zhì)和平衡時的性質(zhì)之間發(fā)生明顯的變化。從另一個方面也可以直接解釋，如果界面是一個平衡程度較強的幾何體，界面兩側(cè)的濃度就會出現(xiàn)明顯的跳躍性。

2 界面濃度分析

分子表面的自由能主要是指分子在做功時產(chǎn)生的能量。一般來說，分子做功主要有兩種情況。第一是分子在穿過界面的時候會使得界面的面積增加。第二是界面的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化的情況。無論是哪種情況出現(xiàn)，分子所做功的情況就可以直接等同于自由能。

也就是說，可以假定界面左側(cè)的濃度是與氣相成平衡的液相濃度，取向液相側(cè)的方向為y正方向，有：Cy→0-=C*。可以推得，對于從氣相到液相的傳質(zhì)過程，界面右側(cè)的濃度為：Cy→0+=C*e-E/RT。

而對于從液相到氣相的傳質(zhì)過程，有：Cy→0-=C*=Cy→0+e-E/RT即Cy→0+=C*eE/RT。其中E為每摩分子的界面自由能。因此要求Cy→0+，必須知道界面上每增加一摩分子后其表面能的增加。對于任意一個半徑為r的球形分子，每摩界面分子的界面面積為：A=fN/03V2/3f是一個復合幾何因子，其值約為1。V為摩體積。因此每個界面分子的界面面積為：S=AN0假定液體的性質(zhì)不變，界面上增加一個半徑為r′的分子，界面面積增加為：S′=r′2/r2S。

由此，可以求算E，從而求出界面液相側(cè)的濃度。E=S′N0y。例如，對于甲醇靜止吸收CO2過程，在25℃時，C*=1.54×10-4mol/cm3，Cy→0+=0.67×10-4mol/cm3。這說明界面附近液相側(cè)的濃度遠小于界面平衡濃度。作者利用激光全息顯微干涉技術(shù)測定了氣液傳質(zhì)過程中液相側(cè)的濃度。下表列出了甲醇、乙醇、正丙醇吸收CO2過程界面濃度計算值、實驗值與平衡濃度的比較。表中示出，界面濃度遠未達到平衡值，本文從理論上驗證了實驗結(jié)果。見表1：

結(jié)束語

氣液傳質(zhì)在化工過程中普遍存在，由于目前的研究大多局限于宏觀的 表面現(xiàn)象，尚難揭示其內(nèi)在的傳質(zhì)特性及傳質(zhì)機理?，F(xiàn)有的經(jīng)典傳質(zhì)理論均是在經(jīng)驗或半經(jīng)驗基礎上發(fā)展起來的，無法從微觀上揭示相際傳質(zhì)機理，因而只適用于某些特定的情況，局限性較大。因此，從微觀上進一步深入研究氣液傳質(zhì)過程，建立精確的以界面非平衡機理為基礎的非線性傳質(zhì)模型是非常必要的。氣液傳質(zhì)時，界面存在界面阻力，界面兩側(cè)的濃度不一樣，其差異與界面性質(zhì)和分子大小有關(guān)。本文推出了兩者之間的定量關(guān)系。按照本文的結(jié)果，以往傳質(zhì)理論的液相濃度推動力項均需修正，因此本研究結(jié)果有助于傳質(zhì)理論的發(fā)展，并可將此研究成果推廣到液液傳質(zhì)過程中去?！?/p>

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