纳塞特数是在彼此分隔的两相界面上,物质从一个相传到另一个相的过程的时间比数。这种传递是吸收、萃取、气-液相反应和液-液相反应等过程的基础。纳塞特数理论阐明物质通过两相界面传递的机理的理论。
基本介绍
- 中文名:纳塞特数
- 性质:时间比数
- 对象:两相界面上物质相传时间
- 意义:气-液相反应和液-液相反应的基础
- 分类:双模、渗透、表面更新理论
简介
纳塞特数是在彼此分隔的两相界面上,物质从一个相传到另一个相的过程的时间比数。这种传递是吸收、萃取、气-液相反应和液-液相反应等过程的基础。
分类
纳塞特数理论阐明物质通过两相界面传递的机理的理论。主要有下列几种:
①双膜理论纳塞特数:构想在两相(例如气-液)界面两侧分别存在着一层气膜和液膜,膜内没有法向流动,只有扩散。传递。又假设膜外的流体主体中因湍流的扩散作用而不存在浓度梯度,传质阻力完全集中于膜内。总括气膜传质係数和总括液膜传质係数。它们与膜係数和的关係如下:各传质係数需由实验求得,它们与设备和流体特性以及流动状况有关。双膜理论具有简明的特色,多年来成功地套用于各种不相混的两流体相系统。
②渗透理论纳塞特数:这一理论把吸收过程看作是向半无限静止液体中进行不稳定扩散的过程,气相在液相中浓度的分布乃是时间的函式。这一理论的物理概念更接近于真实,算得的结果与双膜理论的结果相差甚微。
③表面更新理论纳塞特数:这一理论是以相界面在不断变化、不断更新为依据的。因而引出了“表面年龄”的概念,算得的结果与施密特数理论的结果相差很小。
双膜理论
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。
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[1]。
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。
套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係数与推动力的正确搭配及其单位的一致性,吸收係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係,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) 若採用以总係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範围内,平衡关係须为直线,符合亨利定律,否则,总係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係不为直线时,不宜採用总係数表示的速率方程式。
渗透理论
渗透理论是溶质渗透模型的简称。传质理论模型之一,由赫格比(Higbie)于1935年提出。这一模型考虑了为双膜理论所忽略的、形成浓度梯度的过度时间。
渗透理论是研究随机环境中聚簇现象的理论,是Broadbent和Hammersley在1957年研究液体通过多孔媒介问题时提出的。紧接着相变(1960),级数展开(Domb),重整化群等理论的出现和发展进一步帮助了人们理解渗透理论和它作为一种临界现象的本质。随后人们在随机图理论的研究中发现节点存在节点集群的临界机率,即网路具有临界机率pc,当不超过pc时,网路是由孤立的节点集群组成,但是当超过pc时,节点集群将扩展连线到整个网路。渗流理论研究能够从一端开始而终止于另一端的、可以渗透整个网路的通道出现的机率。
在设备中进行传质过程而当气液还未接触时,整个气相或液相内的溶质是均匀的。当气液一开始接触,溶质才渐渐溶于液相中,随着气液接触时间的增长,积累在液膜内的溶质量也逐渐增多,溶质从相界面向液膜深度方向逐步渗透,直至建立起稳定的浓度梯度。这一段时间称为过渡时间。按渗透理论预计的传质速率比双膜理论的大。本理论建立在双膜理论的基础之上,只是强调了形成浓度梯度的过度阶段;因讨论的是从气液界面至液相主体的传质,渗透理论的主要对象为液膜控制的吸收。
表面更新理论
表面更新理论是传质三大典型理论中的一种, 直到1951年,丹寇沃茨才对渗透论进行了修正。他认为:
1.在界面上的每一微元具有不同的暴露时间(年龄),表面寿命为t,但它们被另一微元置换的机会均等;
2.无论气相或液相都可能发生上述过程。所以两相表面是不断更新的,更新频率为S;
3.每个进入界面的微元均按瞬变传质的规律向膜内渗透。
儘管表面更新率S任然是一个不可获得的量,但丹寇沃茨的假设更接近于实际,离正确的反应机理更近,它十分接近传质的一般表达式。当所有的表面更新率S的值相同时,即各微元在界面上的接触时间(寿命)相等,此时表面跟新理论就是渗透论。当接触时间趋于无穷时,彼此停留时间都将一样,且达到建立稳定的分子扩散所需的时间也一样,此时表面更新理论又和双膜理论一致了。所以从某种意义上来说,渗透论与双膜论都将是表面更新论的特例。