界面性质对气液传质的影响

杨立红

摘 要：对于气液传质来说，其属于一个动态的过程。在对不同类型物质的传质进行研究的过程中，研究人员主要考虑的是流场结构因素，往往忽视了物质本身的性质。界面性质对气液传质会产生重要的影响，分子结构在流动的过程中可能会消耗一定的能量来对界面的自由能进行克服，使得界面两种物质的浓度存在着严重地差异。本文中，笔者主要对界面性质对气液传质进行分析，并且导出界面性质和气液传质之间的关系。

关键词：界面性质；气液传质；关系分析；自由能

在生产生活中，气液传质现象是非常普遍的。但是，对于这方面的研究来说，不仅研究成果还不够成熟，而且研究人员只是将研究重点放置到理论上。在实际的研究中，人们偏向于对流场维数进行分析，促进了理论质的飞跃。在气液传质的过程中，界面的平衡程度能否达到标准是需要掌握的重要问题。因此，加强气液界面热力学的性质分析力度，可以直接得到界面性质对气液传质所造成的影响。

1 气液界面性质

对于气液界面的性质来说，其有很多种类型。包括热力学性质、界面吸附性质以及界面定向性质等等。其中比较常见的就是气液界面的平衡性质以及自由能等方面。为了对气液界面对气液传质的影响情况进行明确，下文主要从几个方面来进行探讨和分析：

1.1 平衡性质

平衡性质就是一种处于平衡态的性质。就是蒸汽与液体相结合，同时与蒸汽相的分子达到平衡的一种状态。从物理学的角度可以看出，根据气体分析理论可以直接计算出蒸汽撞在1cm3的摩数。一般来说，在蒸汽所受压力和温度达到一定标准的前提下，参与计算的所有数值都是定量的。一旦达到平衡状态，蒸发的实际速度和凝聚速度之间几乎不相差。所以说，研究人员在计算蒸发速度的同时需要充分考虑到压力因素、温度因素以及界面的具体浓度等方面。在其他条件相同的条件下，界面的浓度与蒸汽蒸发的速度之间成正比。但是，在传质的过程中，蒸汽从液相传递到气相时的速度会发生一定的变化。这时，气体的分子数量就和挥发的分子数以及传质的分子数之间存在着密切的联系。

经过细致地分析和计算，研究人员发现，气液传质的过程中，界面上的两相无法直接达到热力学平衡的状态。在接触面上，界面的浓度可以被看做为平衡的浓度。如果分子要经过界面，就需要克服一定的能量，液相一侧的浓度就明显低于平衡浓度数值。对这一方面进行细致地研究和探讨是研究人员工作的重点。

1.2 表面张力、自由能

为了对液气界面的性质进行分析，必须要考虑到表面的张力以及自由能等方面的问题。一般来说，表面的张力和自由能无论是在性质上还是本质上都具有一定的区别，是完全不同的两个概念。当然，这只是针对固体的表面而言的。如果是对于液体来说，其表面的张力和自由能则可以等同来看。这是两种不同形式的做功状态。只不过是表面要扩大和分子的移动两种形式。一般情况下，要想得到界面的数值，需要对液体的径向分布函数进行分析和研究。其标准数值可以用界面和内部分子两个因素来进行计算。其位能差即为标准数值。

在进行计算和分析的过程中，总需要考虑到分子的热力学理论。但现如今，分子热力学的相关理论还处于一种发展不成熟的阶段。因此，无法直接得到精准的数值量。众所周知，界面的分子自由能主要的影响因素就是分子的不平衡受力引起，如果结果的精准度不够，必然会直接影响到气液界面本身的性质。因此，直接影响到气液传质。可见，分子在穿过界面的时候，很容易受到热力学因素的影响，此时的热力学性质和平衡时的性质之间发生明显的变化。从另一个方面也可以直接解释，如果界面是一个平衡程度较强的几何体，界面两侧的浓度就会出现明显的跳跃性。

2 界面浓度分析

分子表面的自由能主要是指分子在做功时产生的能量。一般来说，分子做功主要有两种情况。第一是分子在穿过界面的时候会使得界面的面积增加。第二是界面的结构出现明显变化的情况。无论是哪种情况出现，分子所做功的情况就可以直接等同于自由能。

也就是说，可以假定界面左侧的浓度是与气相成平衡的液相浓度，取向液相侧的方向为y正方向，有：Cy→0-=C*。可以推得，对于从气相到液相的传质过程，界面右侧的浓度为：Cy→0+=C*e-E/RT。

而对于从液相到气相的传质过程，有：Cy→0-=C*=Cy→0+e-E/RT即Cy→0+=C*eE/RT。其中E为每摩分子的界面自由能。因此要求Cy→0+，必须知道界面上每增加一摩分子后其表面能的增加。对于任意一个半径为r的球形分子，每摩界面分子的界面面积为：A=fN/03V2/3f是一个复合几何因子，其值约为1。V为摩体积。因此每个界面分子的界面面积为：S=AN0假定液体的性质不变，界面上增加一个半径为r′的分子，界面面积增加为：S′=r′2/r2S。

由此，可以求算E，从而求出界面液相侧的浓度。E=S′N0y。例如，对于甲醇静止吸收CO2过程，在25℃时，C*=1.54×10-4mol/cm3，Cy→0+=0.67×10-4mol/cm3。这说明界面附近液相侧的浓度远小于界面平衡浓度。作者利用激光全息显微干涉技术测定了气液传质过程中液相侧的浓度。下表列出了甲醇、乙醇、正丙醇吸收CO2过程界面浓度计算值、实验值与平衡浓度的比较。表中示出，界面浓度远未达到平衡值，本文从理论上验证了实验结果。见表1：

结束语

气液传质在化工过程中普遍存在，由于目前的研究大多局限于宏观的 表面现象，尚难揭示其内在的传质特性及传质机理。现有的经典传质理论均是在经验或半经验基础上发展起来的，无法从微观上揭示相际传质机理，因而只适用于某些特定的情况，局限性较大。因此，从微观上进一步深入研究气液传质过程，建立精确的以界面非平衡机理为基础的非线性传质模型是非常必要的。气液传质时，界面存在界面阻力，界面两侧的浓度不一样，其差异与界面性质和分子大小有关。本文推出了两者之间的定量关系。按照本文的结果，以往传质理论的液相浓度推动力项均需修正，因此本研究结果有助于传质理论的发展，并可将此研究成果推广到液液传质过程中去。■

参考文献

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