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气液传质过程的界面效应
在两相传质的相界面处,由于质量、热量或质量与热量的传递,常常会使界面结构发
生变化,并在界面产生有对流运动的界面湍动。这种对流是由于在界面形成的表面张力差
△b和界面与主体间形成的密度差△「的共同作用下而产生的流体力学不稳定性所诱发的,
并使界面产生有序或有规律的耗散结构。这种现象对传质速度有很大影响,称为界面效应。
对于这种现象的产生,可以简单地说明如下。
例如经过CO2和的乙醇薄层(即液相及界面均含有乙醇及C02两组分)在静止的氮气
中解吸,界面的CO2浓度将降低,而界面的乙醇浓度则相应增高。在传质的过程中,界面
会有浓度的随机不均匀分布,因而使界面相邻两点的表面张力会有随机的不相等。由于乙
醇表面张力“随着浓度c的升高而降低,即竺<0,如果界面某点的乙醇浓度突然随机地
de
升高从而使它的界面张力下降,则会促使这局部的界面伸展并压缩邻近的界面。若这两点
的距离为叫筮项,其结果就产生负界面应力-票,也可表示其绝对值为告,即由于表
面张力梯度而产生的界面应力,其值可能为负(伸展)或为正(压缩)。当相邻点的浓度差不大,
形成的表面张力梯度不大,界面应力不足以克服产生流动时的黏性剪应力时,则界面仍能
处于稳定。如果表面张力梯度增大到一个临界点,此时界面应力达到界面开始流动导致的
黏性剪应力,则界面就会变得不稳定。一般而言,如果界面应力是伸展,则会出现自发的
界面流动,以期维持界面的应力平衡,即形成下述关系:
3b-〃彻surf.-彻surf,G
式中“为液体黏度;亨为液相界面流体的黏性剪应力,其中surf可看作是在界面产生
Sy
的流动(对流)的流速;等式右边第二项是对应的气体黏性应力。一般气相黏度代远小于液
相黏度,因而气相对上述力的平衡可以忽略。由此可见,只要界面的表面张力梯度的绝对
值虫达到及超过一个临界值,则界面不稳定,将引发流动,即产生界面效应。此时由于
dx
流体黏性力的作用,界面上的流动也带动了与界面垂直的相邻流体一起流动,如图9-1所
示(图中六角形是虚拟的,也可以是其他形状),因而形成对流并在界面上产生突起的条纹,
出现界面结构。
263
(a)与界面垂直的界面对流(b)界面的对流胞
图9-1界面表面张力变化引发的Marangoni对流的示意
在上述简单的举例中,因液相中CO?的溶解度很小,而且氮气是静止的,故可忽略气
相对界面效应的影响。
另一方面从热力学观点来说,如果界面伸展所释放的能量大于界面收缩所需的能量,
则剩余的能量将使界面失去稳定,并诱发改变原来界面相的状态,出现有序或有规律的耗
散结构,产生有界面对流的新界面相,故这种现象也称为非平衡相变。
1865-1871年,Marangoni在其有关著作中描述了界面流动现象⑴,故以后这种界面
流动现象被称为Marangoni现象。在表面张力梯度作用下诱发的流体力学不稳定性而产生
的对流,称作Marangoni对流。界面对流所形成的对流细胞(ce)结构,称为Marangoni对
流胞。界面对流会使相际的传递过程得到强化。这种由于出现Marangoni现象而对传质过
程产生的作用称为传质过程的Marangoni效应。
由于不稳定(非平衡)过程是非线性的,当系统达到出现不稳定的临界点后,过程可能
产生分岔,并且与表面张力梯度的正负有关,因此除出现界面对流这一状态外,也可能出
现液滴化、界面振荡等状态。
在界面流动现象出现后,如果表面张力梯度不断增大使界面对流速度增大到一定限度
时,界面的有序结构就趋于模糊,走向无序与混沌的状态,使流动逐步过渡到湍流。降膜
过程传质实验表明,传质系数在界面浓度差(浓度梯度)达到某一数值(临界点)以后会突然增
加,并随着浓度差的增加继续稳步上升;但当浓度差增加到比较大以后,传质系数的增加
变得缓慢起来,最后逐渐趋于恒定。这就说明系统发展经历的过
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