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双膜理论

气液界面传质过程的经典理论

双膜理论（two-film theory），为气液界面传质过程的经典理论。由惠特曼（W.G. Whitman）和刘易斯（L.K. Lewis）于20世纪20年代提出，模型经多次改进，已成功用于环境中化合物在大气-水界面间的传质过程，较好地解释了液体吸收剂对气体吸收质的吸收过程。

理论要点
气体吸收是气相中的吸收质经过相际传递到液相的过程。当气体与液体相互接触时，即使在流体的主体中已呈湍流，气液相际两侧仍分别存在有稳定的气体滞流层（气膜）和液体滞留层（液膜)，而吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散的方式通过气膜到达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体，双膜理论就是以吸收质在滞流层内的分子扩散的概念为基础而提出的。
基本论点如下：
(1)相接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧附近各有一层很薄的稳定的气膜或液膜，溶质以分子扩散方式通过此两膜层。
(2)界面上的气、液两相呈平衡。相界面上没有传质阻力。
(3)在膜层以外的气、液两相主体区无传质阻力，即浓度梯度(或分压梯度)为零。
双膜理论把整个相际传质过程简化为溶质通过两层有效膜的分子扩散过程，理论模型如右图1所示。
理论方程
根据双膜理论，吸收过程中的速率方程式可用溶质以分子扩散方式通过气、液膜的扩散速率方程来表示。
气膜：(NA)g=Kg(Pg-Pi)
液膜：(NA)L=KL(Ci-C)
式中：(NA)g，(NA)L—溶质通过气膜和液膜的传质通量，kmol /(m2·s)
Pg，Pi—分别为溶质组分在气相主体与相界面处的分压，kPa
Ci，Cp—分别为溶质组分在液相相界面和主体处的浓度，kmol/m3
Kg —气相传质系数和液相传质系数，kmol /(m2·s·kPa)
KL—液相传质系数，kmol /[m2·s·(kmol/m3)]，或m/s
为避开难以确定的界面参数，可以采用主体浓度的某种差值来表示总推动力。因此相应的吸收速率方程式可表示为以下几种形式。
以Pg-P*表示：(NA)g=Kg(Pg-P*)
以C*-C表示： (NA)L=KL(C*-C)
式中：P*—液相主体浓度c成平衡的气相分压，kPa
C*—平衡时，溶质组分在液相相界面处的浓度，kmol/m3
右图即为气相溶质分压与液相溶质浓度的相平衡关系曲线。
注意事项
应用吸收速率方程式时，应注意以下几点：
(1) 必须注意各速率方程式中吸收系数与推动力的正确搭配及其单位的一致性，吸收系数的倒数即表示吸收阻力，阻力的表达形式也应与推动力的表达形式相对应。
(2) 所有吸收速率方程式，都只适用于描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，不能直接用来描述全塔的吸收速率。在塔内不同横截面上，气、液两相的组成各不相同，吸收速率也不同。
(3) 若采用以总系数表达的吸收速率方程式时，在整个吸收过程所涉及的组成范围内，平衡关系须为直线，符合亨利定律，否则，总系数仍会随组成而变化，这将不便于用来进行吸收塔的计算。
(4) 对于具有中等溶解度的气体而平衡关系不为直线时，不宜采用总系数表示的速率方程式。
局限性
双膜理论存在着一定局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立。
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