絲網板液膜流動及傳質

胡劍光，劉佳特，王成，于建國，戴干策

（華東理工大學化學工程聯合國家重點實驗室，上海 200237）

絲網填料因其高通量、低操作壓降、高分離效率等一系列優點，自問世以來，一直在化工塔填料中占據著重要地位。對于絲網填料表面液體運動及氣液接觸方式的描述，始見于 Stedman[1]的研究，認為絲網填料表面排布的細密網絲會產生很強的毛細力，有利于液體均勻分布；而絲網通透的網狀結構，能有效促進液體不斷混合。繼Stedman之后，Watson[2]研究了不同液量下Stedman填料表面液體流型。Hayter[3]則考察了網絲直徑對填料性能影響，發現粗網絲可通過增加湍動來提高效率，但支撐液膜的能力不如細網絲。Huber等[4]認為絲網填料良好的傳質性能是因為液膜薄，且液體在通道匯合處因混合會誘導湍流。McGlamery[5]以水和乙二醇為實驗物系，觀察了不銹鋼絲網液體流動行為。

對于絲網結構的潤濕性能研究，Sulzer[6]提出了“自潤濕材料”的概念，即在諸如金屬絲增強的紡織纖維或在織造絲布上進行粗糙化處理，材料能實現自潤濕，并在此基礎上提出了材料是否具備自潤濕特性的判別式。Huber等[7]認為絲網結構產生的毛細效應能使得其表面達到完全潤濕，但 Meier[8]后來通過實驗觀察發現當操作物系為水溶液時，不銹鋼金屬絲網表面不能很好地被潤濕，表明僅靠絲網結構自身的毛細作用無法達到很好的潤濕效果，為此，Meier等[9]在原結構基礎上進行了開孔及細條紋設計，進一步提高了絲網表面潤濕性能。Chen等[10]通過實驗研究發現：與平板成膜類似，當絲網表面已經被潤濕時，液體成膜性良好，此時毛細作用影響不大。此外，他們指出絲網表面織態結構能有效促進材料的潤濕性。Huber[11]研究了開孔形狀對絲網成膜性影響，發現矩形孔易導致溝流，而三角形孔有利于成膜。

近年來，在絲網填料研究方面，賈紹義等[12]為提高金屬絲網填料對高表面張力（如水、甘油）物系的潤濕性，采用液相化學法對填料表面進行處理，實驗結果表明，填料經表面處理后傳質效率提高了8%～11%，而流體力學性能未發生明顯變化。在新型高效絲網填料開發方面，一些研究者[13-17]開發了高比表面積（900～2500 m2·m-3）絲網填料，并對其性能及適宜操作條件進行了報道。此外，李洪等[18]為研究液相在波紋片上的流動方式對填料性能的影響，考察了4種絲網填料的流體力學及傳質性能。發現雙層錯孔絲網填料因其液相流動兼具滲流和膜狀流動的特點，有利于波紋片兩側液體交換，強化液體在流動過程中的擾動。

綜上所述，現有對絲網填料表面液膜流動行為，雖已認識到絲網填料優異性能與其上液膜流動行為密切相關[19-20]，但對其僅做了初步觀察，至今無系統研究。值得一提的是，現有絲網填料孔徑多為40～80目（0.18～0.38 mm），絲徑為0.16～0.25 mm，而對網孔尺寸選取依據以及不同尺寸液膜流動及傳質差異，以及絲網表面與固體壁面液膜流動行為差異，亦未見有詳細報道。為此，本文進行了固體壁面及不同孔徑絲網板液膜流動行為研究，考察不同網孔尺寸液膜流動行為差異，并在此基礎上采用二氧化碳吸收實驗考察網孔尺寸對其傳質性能的影響，以期為現有絲網填料的選用及新型絲網填料的開發提供依據。

1 實驗設備及數據采集

1.1 實驗裝置

本工作實驗裝置如圖1所示。液膜流動實驗中，實驗流體自高位槽從測試板兩端加入，待流動穩定后，開始記錄測試板網孔中心液膜厚度，實驗中高位槽液位始終保持恒定。CO2吸收實驗中，CO2和空氣經水蒸氣飽和后，在氣體混合室內充分混合，再由氣液接觸室的底部進入，與吸收劑反應后從接觸室頂端流出，流出的氣體經干燥進入CO2紅外分析儀。為保證氣液兩相接觸時吸收液流量的穩定，吸收液先由儲液罐經離心泵送至高位槽保持恒定壓力，再經高位槽進入氣液接觸室。本實驗所用測試板尺寸為130 mm×600 mm，其中兩側各有15 mm與緊固件鍥合，即氣液兩相接觸總面積為 2×100 mm×600 mm。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

1.2 實驗測試板

考慮到網絲表面處理情況可能會對液膜流動產生影響，本實驗使用絲網板網絲均為無特殊處理的光滑304型不銹鋼絲，形成的網孔單元為正方形。不同測試板絲徑及孔徑如表1所示，此外還增加一光滑板作為對照，為保證各實驗板良好的潤濕性，每次實驗前用丙酮進行擦洗。

表1 測試板幾何尺寸Table 1 Wire diameter and mesh size for several test plates

1.3 實驗試劑及分析儀器

液膜流動測定采用質量分數分別為 0、63%、68%及71%甘油-水溶液作為實驗物系，該物系保證實驗流體有較寬黏度范圍而相應的表面張力不發生明顯變化。實驗所用甘油為分析純，純度大于98%，購自上海凌峰化學試劑有限公司，實驗用水為去離子水，由華東理工大學實驗室與裝備處提供。液膜厚度采用德國Precitec公司生產的CHR S測量系統進行測量并記錄，該系統屬非接觸式直接測量。測量精度為0.1 μm, 采樣頻率1000 HZ，采樣時間36 s。具體測量原理見文獻[21]。溶液的黏度由美國TA公司生產的ARES高級流變儀測得，測量精度為±0.1 mPa·s，表面張力由上海中晨數字技術設備有限公司生產的JK99C型全自動張力儀測得，測量精度為±0.01 mN·m-1。物性參數如表2所示。

表2 實驗所用甘油水溶液物性(25.0℃)Table 2 Physical properties of aqueous glycerol solutions(25.0℃)

CO2吸收實驗使用0.1 mol·L-1NaOH水溶液為吸收劑，實驗所用的二氧化碳分析設備為北京市華云分析儀器研究所有限公司生產的GXH-3010E1型便攜式紅外分析儀，測量精度為±0.1%。

1.4 實驗操作

在板上液膜流動性考察實驗中，為避免測試板在小液量下產生“干區”，需先進行預潤濕操作，即將流量調到較大值直至測試板完全潤濕，再減至實驗設定值。待板上液體流動達到穩定后開始膜厚測定。考慮到現有填料層高度一般在15～30 cm，故本實驗將膜厚測量位置設為測試板垂直中心線距液體入口10～30cm處。每組實驗重復3次且相鄰兩組實驗結果差異小于5%。

氣體吸收實驗操作及噴淋密度計算方法同文獻[22]。上述兩實驗壓力為101.325 kPa，實驗溫度為(25±0.3)℃。

2 實驗結果及討論

2.1 光滑板與絲網板液膜流動差異

2.1.1 沿流動方向瞬時膜厚 圖2為Re=37時，光滑板（左）及絲網板板 2（右）距液體進口分別為10、15及25 cm處的瞬時膜厚。由圖可知，距入口10 cm處，由于光滑板處于液膜入口段，液膜較為平滑，無明顯波動，平均膜厚為0.19 mm；此處板2可觀察到液膜小幅波動，且平均膜厚高于光滑板，為0.25 mm。在離入口15 cm處，可見兩者波形出現明顯差異，對于光滑板，此處開始出現準周期波，波峰為波谷膜厚的3倍；而對于板2，液膜波動主要為正弦波，波峰為波谷膜厚的1.4倍，在距入口25 cm處，光滑板上出現孤波和毛細波的組合波，波峰為波谷膜厚的3.5～4倍，而此時板2處波形主要為多峰狀周期波，波峰為波谷膜厚的2.3倍。表明在較低Re下，絲網結構對液膜波動存在抑制作用。

圖2 Re=37時光滑板及絲網板離進口不同位置處瞬時膜厚Fig.2 Instantaneous film thickness for smooth plate and plate 2 atRe=37

圖3 不同Re下兩種結構測試板平均膜厚Fig.3 Average film thickness for two types of plates at variousRewith downstream distance

2.1.2 沿流動方向平均膜厚 圖3為不同Re下，距液體入口分別為15 cm及30 cm處的平均膜厚，并與Nusselt膜厚進行比較。由比較結果可知，在距入口15 cm處，板2平均膜厚大于光滑板，較光滑板高17.2%。光滑板膜厚與Nusselt膜厚接近，兩者差異小于 3%，這主要是由于此處為液膜進口段，液膜波動較小，與Nussel模型假設接近。在離入口30 cm處，兩板膜厚差異增大，板2平均膜厚較光滑板大25.1%，與15 cm處不同，此處光滑板膜厚較Nusselt膜厚低13.5%。進一步比較兩板不同位置處的膜厚變化發現，板2在兩位置處膜厚變化不大，而光滑板膜厚較15 cm處下降5.87%，這主要是由于光滑板上液膜在重力作用下流速逐漸變大，因而相應的膜厚有所減小。而板2由于網絲能產生較強的毛細作用，有效削弱了重力對下降液膜流速的促進作用，因而膜厚沿流動方向變化不大。

2.1.3 沿流動方向波動振幅 為進一步考察兩種結構壁面降膜流動差異以及液膜在流動方向上波動演變規律，測定了兩板在不同Re下距液體入口10～30 cm處波動振幅，結果如圖4所示。本文波動振幅定義同文獻[23]。

圖4 不同Re下光滑板及板2距入口不同位置處平均振幅Fig.4 Average wave amplitude for smooth plate and plate 2 at differentRe

由兩板波動振幅變化規律可知，兩板波動振幅整體上隨Re及距進口位置的增加而有所增加。對于光滑板，隨離液膜入口距離增加，增幅明顯減小，例如在離入口15 cm處的波動振幅為10 cm處的2～4倍，而在距入口30 cm處的波動振幅幾乎與25 cm處相當，表明在Re<120條件下，液膜下降25 cm左右時波動已達到充分發展。此外，根據波幅隨Re變化規律可以發現，光滑板在Re<80時，波幅隨Re增大增幅明顯，后隨Re進一步增加，增幅顯著減小，以離入口15 cm處的波動振幅隨Re變化為例，當Re由 20增加到 80時，相應的波幅增加了153.8%，而當Re由80繼續增至120時，相應的波幅僅增加了 15.2%，表明對于光滑板，流量增加僅在一定Re下（Re<80）能夠有效促進波動。由于下降液膜實際為3維流動，且存在明顯波動，兩者作用會導致同一橫截面不同位置處的液量及波幅并非嚴格相等，而本實驗是通過測定某一特定位置處的瞬時膜厚來表征波動特性，因而當兩實驗條件下的Re較為接近[如圖4(a)Re由70增加到80]時，可能會出現測定點局部位置處較小Re下的波幅等于甚至略大于較大Re時的測定值。

對于絲網板（板2），其液膜波動特性較光滑板又呈現出一些新的特點，首先，距入口不同位置處的波動差異較光滑板明顯減小，且這種差異整體上隨Re的增加逐漸消失，如當Re=100時，距入口30 cm處的波幅較10 cm處僅增加14.3%，而對應的光滑板這一比值為200%，表明絲網板“進口段效應”較光滑板小，液膜在板各處波動狀況接近。另外，與光滑板類似，在Re<80時，波幅隨Re增大出現陡增，后隨Re進一步增加，增幅迅速減小，甚至出現距入口位置較近處的波幅大于較遠處的波幅值，這可能是由于液膜因網絲阻滯造成擾動，且這種擾動隨著液膜流速的增加而變得明顯，進而改變了液膜原有的波動特性。以距入口30 cm處為例，當Re由 20增加到 80時，相應的波幅增加了近400%，而當Re由80繼續增至120時，相應的波幅僅增加了 12.5%，表明與光滑板相比，在較低Re(Re<80)下，液膜波動對液量更為敏感。

2.2 不同孔徑絲網板液膜流動

圖5 Re=168時測試板瞬時膜厚Fig.5 Instantaneous film thicknessvsflow time for several test plates atRe=168

2.2.1 瞬時膜厚 以去離子水為流體介質，測定了上述各孔徑絲網板及光滑板在成膜條件下膜厚隨流動時間的變化，其中Re=168時的實驗結果如圖 5所示。由圖可知，不同網孔尺寸絲網板液膜流動差異頗大。對于板 1，其流動情況整體上與光滑板相似，板上液膜流動較為復雜，可見到大振幅波與不規則小振幅波大量共存，最大膜厚為襯底膜厚的3～4倍。當網孔尺寸由板1增加到板2時，波形較板1變得清晰，同時可觀察到襯底膜厚較板1略有增加，最大膜厚為襯底膜厚的3倍。進一步增大網孔尺寸至板 3，波形進一步變得規則，板上襯底膜厚較板1及板2出現明顯增加，最大膜厚為襯底膜厚2倍。對于板4，較板3可發現襯底膜厚出現明顯下降，同時波動頻率進一步增加，開始出現規則的孤立波，最大膜厚可達襯底膜厚8～10倍。隨著網孔尺寸進一步增大至板 5，此時最大膜厚為襯底膜厚的5～6倍。當網孔尺寸增大至13.0 mm時（板6），最大膜厚僅為最小膜厚的2～3倍。

上述實驗結果表明，網孔尺寸對絲網表面液膜流動存在較大影響，隨網孔尺寸的增加，液膜流動出現襯底膜厚及波動振幅先增大后減小的變化趨勢，為研究兩者存在的內在聯系，還需進一步考察網孔尺寸對各流動參數影響。

2.2.2 標準偏差及波動振幅 液膜波動劇烈程度一般可用液膜厚度的標準偏差及波動振幅來衡量，兩者定義同文獻[23]。在上述實驗條件下（去離子水，Re=168），不同實驗板對應的波動振幅及標準偏差如圖 6所示（圖中 SP表示光滑板，P1～P6表示plate1～plate 6，下同）。由實驗結果可知，波動振幅與標準偏差變化規律整體一致：首先，光滑板與板1較為接近，兩者差異不超過2%。其次，絲網板波動振幅與標準偏差隨網孔尺寸的增加出現了先增大后減小的變化規律，當網孔尺寸由0.3 mm增加到3.0 mm，液膜波動振幅及標準偏差分別增加了92.8%及103.5%；后隨網孔尺寸的進一步增加，即由3.0 mm增加到13.0 mm，相應的波動振幅及標準偏差分別下降 19.8%及 40.6%，這表明絲網板液膜波動強化存在一最佳網孔間距，本實驗中這一間距為網絲直徑的12～13倍。

圖6 Re=168時測試板波動振幅及標準偏差Fig.6 Wave amplitude and standard deviation of liquid film over several test plates atRe=168

2.2.3 波動頻率 上述實驗條件下（去離子水，Re=168），不同實驗板對應的波動頻率如圖7所示。由圖可發現，板1波動頻率為14 Hz，略小于光滑板16 Hz。與波動振幅隨網孔尺寸變化規律類似，波動頻率隨網孔尺寸的增加亦出現先增大后減小的變化趨勢。當網孔尺寸由0.3增加到2.0 mm，波動頻率由14 Hz增加至22 Hz，后隨網孔尺寸的進一步增加，波動頻率出現下降，當網孔尺寸為13.0 mm時，對應的波動頻率下降至14 Hz。

圖7 Re=168時測試板波動頻率Fig.7 Wave frequency of liquid film over several test plates atRe=168

2.3 黏度影響

為進一步考察操作物系黏度對絲網板上膜厚的影響，測定了不同流量下，質量分數為 0～71%（相應溶液黏度為0.9～21.1 mPa·s）甘油水溶液平均膜厚，結果如圖8(a)～(d)所示。需要指出的是，對于板 6，因受本實驗條件限制，在高黏條件下所需成膜流量無法滿足，因而未給出相應的膜厚。

由實驗結果可知，不同黏度下板上平均膜厚隨測試板網孔尺寸的增加均出現了先增大后減小的趨勢，當網孔尺寸≤2 mm時，膜厚隨網孔尺寸的增加逐步增大，后隨著網孔尺寸的進一步增大，膜厚逐步減小。通過與Nusselt膜厚比較發現，在本實驗條件下，光滑板與板1與Nusselt膜厚吻合較好，最大誤差不超過7%，表明采用Nusselt理論能夠較好預測上述兩板膜厚。此外，對于板 5，當物系黏度為0.9 mPa·s 時，其膜厚為Nusselt膜厚的1.107倍，當黏度增加至10.6～21.1 mPa·s時，其膜厚僅為Nusselt膜厚的46.7%～57.4%，表明對于該網孔尺寸，物系黏度對其膜厚影響較為顯著。

圖8 不同液體黏度下測試板平均膜厚Fig.8 Film thickness of several test plates for different viscosities

板上膜厚隨絲網尺寸的增大出現先增大后減小的變化特點，主要是由于液膜在下降過程中受到慣性力、液橋力以及形體阻力。其中液橋力由相鄰網絲產生，而形體阻力則產生于與流動方向垂直的網絲對液膜的阻滯。當網孔尺寸較小時，此時液橋力表現得較為明顯，由 Washburn方程可知，液膜毛細流動速率隨網孔尺寸的減小而減小，因而小尺寸絲網膜厚大于光滑板；隨著網孔增大，液橋力迅速減小，而慣性力與形體阻力效應逐步體現，液膜厚度一方面隨慣性力作用下在流動方向上存在減薄趨勢，另一方面因形體阻力發生局部增厚，若網孔尺寸小于形體阻力影響區域，則有可能使得增厚效應大于減薄效應，最終出現液膜整體增厚，反之，液膜則出現減薄。

2.4 膜厚擬合

由上述實驗結果可知，絲網板上液膜厚度與液體物性，操作流量以及網孔特征尺寸（孔徑D）均有關，因而將膜厚表達成如下形式

式中，δ0為Nusselt膜厚，表達式為

U0為基于Nusselt理論的液膜平均流速

采用Matlab程序對實驗結果按式（1）進行擬合，相應的關聯系數及預測值與測量值相對偏差(SD)如表3所示，實驗值與預測值進一步比較見圖9，兩者比較結果顯示93%的實驗值在預測值±20%范圍內，表明采用上述表達式能夠較好地預測實驗結果。此外，表達式的適用范圍為：0.5≤Re≤230,0≤We≤10, 0.3 mm≤D≤13.0 mm。

表3 膜厚關聯參數Table 3 Correction of measured film thickness

圖9 實驗值與預測值比較結果Fig.9 Comparison of experimental data with values predicted by Eq.(1)

2.5 傳質性能

根據文獻[24]，0.1 mol·L-1NaOH溶液吸收體積分數為 15%～45% CO2為一典型的液膜控制過程，其液相傳質系數kLa計算方法同文獻[22]。

由于在上述噴淋密度下，僅板 1、板 2、板 3及板4能夠穩定成膜，因而僅給出板1～板4kLa實驗結果，如圖10所示。

由實驗結果可知，測試板傳質效率整體上隨絲網尺寸的減小而增加。當液體噴淋密度為 30 m3·m-2·h-1時，板1、板2及板3kLa值分別為板4的2.55、1.36和1.15倍；當液體噴淋密度為60 m3·m-2·h-1時，板1、板2及板3kLa值分別為板4的2.78、1.69和1.24倍，表明隨著絲網孔徑的減小，絲網板傳質性能提升顯著，這主要是由于單位面積上的網絲數隨絲網孔徑的減小而增加，進而增加了氣液兩相的有效接觸面積。

由于絲網板內填充的網絲數與其最終成本密不可分，因而單位面積網絲對傳質的貢獻無疑是絲網結構優選的重要依據，這里以η=kLa/S作為網絲經濟性能評價指標，其中S為網絲面積，得到當液體噴淋密度為30 m3·m-2·h-1時，板1、板2及板3η值分別為板4的63.4%、65.3%和81.0%；當液體噴淋密度為60 m3·m-2·h-1時，板1、板2及板3η值分別為板4的69.1%、78.9%和87.3%，表明隨著絲網孔徑的增大，網絲利用效率顯著增加。

3 結 論

本文較為系統地考察了固體壁面與絲網壁面液膜流動差異，以及網孔尺寸對降膜流動及傳質影響，得到如下主要結論。

（1）在較低Re下，絲網結構對液膜波動存在一定抑制作用。兩種結構的壁面液膜波動振幅整體上隨Re及距進口位置的增加而有所增加，相比于固體壁面，絲網壁面在沿流動方向不同位置處平均膜厚及波動振幅差異更小。此外，在較低Re(Re<80)下，絲網板液膜波動對液量更為敏感。

（2）Re=168時水膜瞬時波動特性表明，隨著絲網孔徑的增加，板上液膜波動振幅、標準偏差以及波動頻率均出現了先增大后減小的變化趨勢，表明絲網板液膜波動強化存在一最佳網孔間距，本實驗中這一間距為網絲直徑的12～13倍。當網孔尺寸≤2 mm時，膜厚隨網孔尺寸的增加逐步增大，后隨著網孔尺寸的進一步增大，膜厚逐步減小。

圖10 兩噴淋密度下液相傳質系數隨CO2體積分數的變化Fig.10 Mass transfer coefficientvsCO2volume fraction

（3）不同Re下質量分數為0～71%的甘油水溶液平均膜厚測定結果表明，不同液體黏度下（0.9～21.1 mPa·s）采用Nusselt理論能夠較好預測光滑板及板1膜厚，兩者偏差不超過7%。板上平均膜厚隨網孔尺寸變化也存在著如結論（2）所述規律。這可能是由于液膜在下降過程中受到慣性力、液橋力以及形體阻力共同作用。

（4）CO2吸收實驗結果顯示，隨著絲網孔徑的減小，絲網板傳質性能提升顯著；而隨著絲網孔徑的增加，單位面積網絲對傳質貢獻增加。

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