双膜模型

双膜模型，是将传统提取植物精油的水蒸汽蒸馏装置静态操作改为动态并建立起传质过程的双膜模型。

双膜模型基本介绍

通过双膜模型的建立，对填料反应塔的塔高计算公式进行了推导，并推导出填料反应塔传递特性的相关方程。

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。在化工生产中，经常使用填料塔来净化工艺气体。在填料塔中，通过气液逆流接触，液体介质将工艺气体中的部分物质吸收，从而达到净化气体介质的目的。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔由于具有效率高、压降低、通量大等优点而得到广泛的应用。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点，但也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。

将传统提取植物精油的水蒸汽蒸馏装置静态操作改为动态并建立起传质过程的双膜模型。以计算流体力学为基础,结合浆滴脱硫的双膜模型,以Euler/Lagrange方法建立了喷雾干燥烟气脱硫的数值计算模型及程序,在较广的参数变化范围内,模拟结果与Hill和Zank的试验数据符合较好。

以气体吸收的双膜模型为理论基础,应用分子扩散的费克定律推导出气、液膜分子扩散速率方程以及气体吸收速率方程.同时指出,若要提高吸收速度,首先应了解过程的控制类型,有针对性地采取措施;以计算流体力学为基础,结合浆滴脱硫的双膜模型,以Euler/Lagrange方法建立了喷雾干燥烟气脱硫的数值计算模型及程序,在较广的参数变化范围内,模拟结果与Hill和Zank的试验数据符合较好。

双膜模型用途

双膜模型用于填料反应塔的设计

对于填料反应塔，由于其填料层高度比填料直径大得多，因此，填料的作用除增加接触面积外，还能降低气泡合并和液相轴向返混，塔内气液两相皆可视为平推流。填料反应塔的设计计算关键是求出为完成规定的生产任务所必须的填料层高度和塔径。这里主要讨论填料层高度的计算。为便于计算，特作下列假定：

1) 全塔温度恒定并相等；

2) 气液两相皆视为平推流；

3) 全塔总压不变；

4) 流体流经全塔的物性不变。

总压强为：p=pA+pB+… +p1

液相总浓度为：c=cA+cB+… +c1

气相摩尔分数：yA=pA/p

气相物质的量比：YA=pA/p1

液相摩尔分数：xB=cB/cT

液相物质的量比：XB=cB/cv

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双膜模型传递特性

1　气液比相界面积

气液反应首先要穿过相界面才能实现，气液相界面积是设计气- 液或气- 液- 固反应器非常重要的参数之一，因为气液比相界面积的大小直接影响反应过程中的传质速率。气- 液接触比相界面积的测定方法很多，如化学法、光透法、照像法等。因为化学法是唯一不需用其他测量方法对比验证的，因此应用也较多。

在填料反应塔中，填料的润湿性是填料的主要特性之一，但填料并非总是完全润湿的，即部分表面在传质上不起作用。所以气液比相界面积不同于填料的表面积，填料的润湿表面也并非都有效，因为填料与填料之间的接触点会形成流动慢的死角。因此，有效比表面积ap 较润湿比表面aw 小一点。

对于一级反应f = 0.87，极快反应且吸收剂浓度较低时f = 0.06~0.08，物理吸收时f = 0.078~0.1。对于一级快反应和吸收剂足够时的极快反应，其有效比表面积接近于润湿比表面积。用于通用型填料（除鲍尔环以外），其最大误差为±20%，而对鲍尔环填料的润湿比表面估计过低，甚至低达50%。

在化学吸收过程中，由于化学反应的作用，易使有效比表面积增大，因而有利于传质的进行和过程速率增大。当填料的名义尺寸小于30mm 时，此现象更加明显。因此，计算有效比表面积ap 时应充分考虑化学反应的影响。

2　填料反应塔的传质特性

化学吸收传质系数的计算有以下几种方法：理论公式、利用实验手段直接测定、利用传质系数的经验数据或通用关联式。对于理论公式方法，由于很多化学吸收系统的机理尚未探明，还不能根据原始理论作出有把握的计算，且计算所需的数据也欠完备，故很少采用。对于利用实验手段直接测定方法，研究过的吸收系统终究有限，测试的条件也不见得都与生产所规定的条件相一致，其应用常常受到限制。在工业上，当实验条件缺乏时，常利用传质系数的经验数据或通用关联式方法来进行化学吸收传质系数的计算。

体积总传质系数KGav 是衡量填料塔传质性能高低的重要参数, 它可直接用于设计填料塔设备,对于研究化学吸收过程有着重要的意义。微分法是测定填料塔体积总传质系数KGav 最主要的方法。Adisorn Aroonwilas 等即采用此方法在填料塔中测得了NaOH、MEA、AMP 等水溶液吸收CO2 的体积总传质系数KGav。

双膜模型总结

以工业反应器中进行的反应过程为研究对象，运用数学模型方法建立反应器数学模型，研究反应器传递过程对化学反应的影响以及反应器动态特性和反应器参数敏感性，可实现工业反应器的可靠设计和操作控制。