界面性質對氣液傳質的影響

楊立紅

摘 要：對于氣液傳質來說，其屬于一個動態的過程。在對不同類型物質的傳質進行研究的過程中，研究人員主要考慮的是流場結構因素，往往忽視了物質本身的性質。界面性質對氣液傳質會產生重要的影響，分子結構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，使得界面兩種物質的濃度存在著嚴重地差異。本文中，筆者主要對界面性質對氣液傳質進行分析，并且導出界面性質和氣液傳質之間的關系。

關鍵詞：界面性質；氣液傳質；關系分析；自由能

在生產生活中，氣液傳質現象是非常普遍的。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進行分析，促進了理論質的飛躍。在氣液傳質的過程中，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分析力度，可以直接得到界面性質對氣液傳質所造成的影響。

1 氣液界面性質

對于氣液界面的性質來說，其有很多種類型。包括熱力學性質、界面吸附性質以及界面定向性質等等。其中比較常見的就是氣液界面的平衡性質以及自由能等方面。為了對氣液界面對氣液傳質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

平衡性質就是一種處于平衡態的性質。就是蒸汽與液體相結合，同時與蒸汽相的分子達到平衡的一種狀態。從物理學的角度可以看出，根據氣體分析理論可以直接計算出蒸汽撞在1cm3的摩數。一般來說，在蒸汽所受壓力和溫度達到一定標準的前提下，參與計算的所有數值都是定量的。一旦達到平衡狀態，蒸發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的速度之間成正比。但是，在傳質的過程中，蒸汽從液相傳遞到氣相時的速度會發生一定的變化。這時，氣體的分子數量就和揮發的分子數以及傳質的分子數之間存在著密切的聯系。

經過細致地分析和計算，研究人員發現，氣液傳質的過程中，界面上的兩相無法直接達到熱力學平衡的狀態。在接觸面上，界面的濃度可以被看做為平衡的濃度。如果分子要經過界面，就需要克服一定的能量，液相一側的濃度就明顯低于平衡濃度數值。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上還是本質上都具有一定的區別，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。只不過是表面要擴大和分子的移動兩種形式。一般情況下，要想得到界面的數值，需要對液體的徑向分布函數進行分析和研究。其標準數值可以用界面和內部分子兩個因素來進行計算。其位能差即為標準數值。

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。但現如今，分子熱力學的相關理論還處于一種發展不成熟的階段。因此，無法直接得到精準的數值量。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，如果結果的精準度不夠，必然會直接影響到氣液界面本身的性質。因此，直接影響到氣液傳質。可見，分子在穿過界面的時候，很容易受到熱力學因素的影響，此時的熱力學性質和平衡時的性質之間發生明顯的變化。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，界面兩側的濃度就會出現明顯的跳躍性。

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。第二是界面的結構出現明顯變化的情況。無論是哪種情況出現，分子所做功的情況就可以直接等同于自由能。

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

而對于從液相到氣相的傳質過程，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測定了氣液傳質過程中液相側的濃度。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果。見表1：

結束語

氣液傳質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 表面現象，尚難揭示其內在的傳質特性及傳質機理。現有的經典傳質理論均是在經驗或半經驗基礎上發展起來的，無法從微觀上揭示相際傳質機理，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過程，建立精確的以界面非平衡機理為基礎的非線性傳質模型是非常必要的。氣液傳質時，界面存在界面阻力，界面兩側的濃度不一樣，其差異與界面性質和分子大小有關。本文推出了兩者之間的定量關系。按照本文的結果，以往傳質理論的液相濃度推動力項均需修正，因此本研究結果有助于傳質理論的發展，并可將此研究成果推廣到液液傳質過程中去。■

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