泡沫碳化硅波紋規整填料內的液體流動特性

劉巧鈺，李洪，2，3，高鑫，2，3，李鑫鋼，2，3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

泡沫碳化硅波紋規整填料內的液體流動特性

劉巧鈺1，李洪1，2，3，高鑫1，2，3，李鑫鋼1，2，3

（1天津大學化工學院，天津 300072；2精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學化工協同創新中心，天津 300072）

通過采用配備微距鏡頭的高速攝像儀記錄單波紋片上的液體流動行為，發現了泡沫碳化硅波紋規整填料內同時存在液膜流動和準壁流兩種液體流動模式。同時測定了組合波紋片之間的液體傳遞量，并將泡沫碳化硅波紋規整填料與金屬絲網波紋填料和金屬板波紋規整填料的測試結果進行比較，結果表明泡沫碳化硅波紋規整填料的單波紋片上的液體擴散程度較大，組合波紋片之間的液體傳遞量高于金屬絲網波紋填料和金屬板波紋規整填料。研究結果揭示了泡沫碳化硅波紋規整填料具有高效傳質特性的根本原因在于其獨特的三維空間網孔結構增強了液體在單波紋片上的橫向擴散能力和在組合波紋片之間的徑向傳遞能力，為新型高效規整填料的機理研究和進一步開發開拓了思路。

規整填料；流動；多孔介質；傳遞；蒸餾

引　言

近年來，新型功能材料已成為人們關注的熱點，各國學者相繼對多孔介質陶瓷材料特別是泡沫碳化硅陶瓷材料開展了多領域多尺度的研究。泡沫碳化硅材料具有孔隙率高、相對密度小、比表面積大、機械強度高、抗氧化、耐磨蝕、熱導率高、抗熱振性能好、孔隙均勻可控及微波吸收能力強等一系列優良特性，因而被廣泛應用于化工、能源、環保、冶金、機械、交通、電子和國防等諸多領域，例如填充床、換熱器、催化劑載體等［1-5］。

迄今為止，已有許多學者將泡沫碳化硅材料作為一種新型氣液傳質元件應用于蒸餾領域，并對其流體力學性能及傳質性能做了大量的實驗研究［6-14］。現有結果表明，泡沫碳化硅材料作為傳質元件具有優越的傳質性能，但因塊狀碳化硅結構緊密，通量小，壓降大，在工業中很難得到廣泛應用［15-16］。本課題組與中國科學院金屬研究所合作，開發出新型泡沫碳化硅波紋規整填料（structured corrugation foam packing SCFP，專利公開號CN102218293A），在保證其高效傳質性能的同時，兼具了強耐腐蝕性、高通量、低壓降等優點，為泡沫碳化硅填料在氣液傳質領域的應用打下基礎［17-18］。對其流體力學性能和傳質性能的測試結果表明：與BX金屬絲網波紋填料相比，泡沫碳化硅波紋規整填料的等板高度較低、傳質效率較高。相同噴淋密度下，SCFP填料的理論板數為同型號BX填料的1.3～1.7倍。然而，對于泡沫碳化硅填料內部更小尺度的氣液流動，少有相關研究報道。

本課題組前期對泡沫碳化硅波紋規整填料片上的宏觀液體流動進行了測試研究［18-19］，發現液相在波紋片上主要以滲流的形式流動，且橫向擴散現象顯著。本文在此基礎上，通過高速攝像儀觀察泡沫碳化硅波紋規整填料片上的液體流動行為，測定組合波紋片之間的液體傳遞量，并與傳統波紋規整填料片的液體流動性能進行比較，深入地探索了泡沫碳化硅材料高效傳質的機理。

1　實驗材料、裝置與方法

1.1波紋填料片

為研究泡沫碳化硅波紋規整填料片上的液體流動行為，本實驗選取了15種不同型號的泡沫碳化硅波紋規整填料片進行液體流動行為實驗測試，波紋片的具體結構參數如表1所示。

表1　泡沫碳化硅波紋填料片的結構參數Table 1　Parameters of experimental SCFP sheets

孔徑、壓縮比和波紋傾角是泡沫碳化硅波紋規整填料片的3個重要參數?？讖绞侵竿粔K波紋片上泡沫材料所有孔的平均直徑。由于加工條件的限制，泡沫碳化硅波紋規整填料片上孔的大小不是完全相同的，而是分布在一定范圍內，并用平均直徑近似表達。例如，孔徑為4 mm的泡沫碳化硅波紋規整填料片，其孔徑主要集中分布在 3.2～4.2 mm的范圍內。壓縮比是指波紋片的工藝壓縮系數。在加工過程中的壓縮環節，將一定厚度（即壓縮比）的波紋片壓成單位厚度的波紋片，因此可將壓縮比理解為波紋片所包含的碳化硅骨架層數。波紋傾角指波紋與填料塔軸線之間的夾角，“Y”對應的波紋傾角為 45°。泡沫碳化硅波紋規整填料片的型號可以用孔徑、壓縮比和波紋傾角 3個參數確定，如2*3Y型，表示孔徑為2 mm，壓縮比為3，波紋傾角為45°的碳化硅波紋片。

此外，本文選取了單層無孔金屬絲網波紋填料片和穿孔金屬板波紋填料片兩種傳統波紋規整填料片，與泡沫碳化硅填料片進行對比。上述3種填料的波紋片實物如圖1所示。3種波紋填料片的填料片尺寸均為9.9 cm×9.9 cm，波紋傾角均為45°，比表面積均為350 m2·m-3。其中，單層無孔金屬絲網波紋片的絲網厚度為0.15 mm，網孔尺寸為0.312 mm。穿孔金屬板波紋片上開孔，孔徑為4.5 mm，以正三角形排列，孔間距為10 mm，開孔率為8%，波紋片上帶有格窩微結構。兩種傳統金屬波紋填料片的波峰高度為8.8 mm，相鄰波峰距離為13.7 mm。

1.2單波紋片上液體流動行為實驗

單波紋片上液體流動行為的實驗裝置如圖2所示。測試液體為水（密度998.2 kg·m-3，黏度1.01 ×10-3Pa·s），水中加入適量紅墨水作為示蹤劑，液體由泵輸送，經過閥和液體流量計計量后，通過玻璃滴頭在波紋片正上方1 cm處單點進料，流經波紋片后返回液槽。實驗前，將波紋片完全浸入清水中，保證測試波紋片被充分潤濕。在聚光燈的照射下，液體在波紋片上的流動行為由一臺配備了微距鏡頭的高速攝像儀（OLYMPUS i-SPEED 3）實時記錄，并通過在線工作站儲存。高速攝像儀的工作參數可通過控制面板進行調整，本實驗選取的拍攝速度為30 幀/秒，圖像分辨率為1280×1024像素。

圖1　3種波紋片的表面結構Fig.1　Surface texture of three corrugated sheets

圖2　單波紋片上液體流動行為實驗裝置Fig.2　Experimental setup for test of liquid flow behavior on single corrugated sheet

本實驗對 15種型號的泡沫碳化硅波紋規整填料片以及兩種傳統填料片進行測試，液體進料流量（F）范圍從0.6 L·h-1到6.0 L·h-1。調節鏡頭焦距，保證高速攝像儀清晰記錄泡沫碳化硅波紋填料片上的液體流動行為，并與兩種傳統波紋填料片上液體流動行為進行對比。對每個流量進行多次重復實驗。

利用圖像處理軟件Image Pro-plus對拍攝圖片進行圖像處理，處理步驟分為圖像編輯和數據采集兩部分。圖像編輯包括目標區域選取、角度調整、尺寸裁剪和圖像輸出，數據采集包括對象獲取、計算統計、數據采集和數據輸出。在數據采集步驟中，借助軟件自帶的標定工具為拍攝圖像添加標尺。

1.3組合波紋片之間的液體傳遞行為實驗

組合波紋片之間的液體傳遞行為實驗裝置（圖3）與單波紋片上液體流動行為的實驗裝置大體相同，不同之處在于每個波紋片下方設置單獨的集液裝置，液體在流經組合波紋片之后，由各個集液器分別進行收集。

圖3　組合波紋片之間的液體傳遞行為實驗裝置Fig.3　Experimental setup for test of liquid transportation capability of combined corrugated sheets

本實驗針對3種波紋規整填料分別測量了組合兩塊波紋片和組合3塊波紋片片間液體傳遞量，測試液體進料流量范圍從0.6 L·h-1到6.0 L·h-1，對每個流量進行多次測量。實驗過程中，液體以單點形式進料且僅在組合波紋片中的一塊波紋片上進料，稱這塊有液體進料的波紋片為主板，稱距離主板最遠的單波紋片為副板。通過測量相同時間內，副板下方集液器內的液體體積和流經玻璃滴頭的液體進料總體積，計算得到從主板傳遞到副板的液體體積分數（θ）。

2　實驗結果與討論

2.1單波紋片上液體流動特性

泡沫碳化硅波紋規整填料片是由成千上萬的孔組成，本文將孔抽象為一個由碳化硅骨架圍成的正八邊形，并針對液體在泡沫碳化硅波紋規整填料片上的流動模式提出了兩種假說［20］，如圖4所示。

圖4　液體在泡沫碳化硅波紋片上的流動模式假說Fig.4　Hypotheses on possible liquid flow patterns in SiC corrugated sheet

（1）液膜流動模式（liquid film pattern）：液相占據碳化硅波紋片上孔的空間，液相在孔上形成液膜，氣相與液相在液膜的外表面進行接觸和傳質。

（2）準壁流模式（quasi-wall flow pattern）：液相僅對碳化硅骨架進行包裹，氣相占據孔的空間，氣相與液相在孔邊界處進行接觸和傳質。

對比兩種液體流動模式可以發現，液膜流動模式的優勢在于液相通過成膜大大增加了氣液兩相間的有效接觸面積，進而強化傳質。準壁流模式的優勢在于，液體不需要通過在孔上鋪展成膜流動到相鄰的孔，而是完全沿著三維貫通的碳化硅骨架流動，液體可以高效地在波紋片上進行橫向擴散。

在1.2 L·h-1的液體流量下，4*3Y型泡沫碳化硅波紋規整填料片上的液體流動行為如圖5所示。利用Image Pro-plus軟件將液體進料前后的拍攝圖像作差，將碳化硅骨架部分變為灰色背景，更直觀地顯示出液體部分，如圖6所示。從圖6中可以看出，液體在泡沫碳化硅波紋片上呈兩種模式流動。一種是以液膜的形式覆蓋孔道區域流動，即液膜流動模式；另一種則是液體僅包裹著碳化硅骨架進行流動，即準壁流模式。

圖5　泡沫碳化硅波紋片上的液體流動行為Fig.5　Liquid flow situation in SCFP sheet （4*3Y）

圖6　泡沫碳化硅波紋片上的液體流動模式Fig.6　Liquid flow patterns in SCFP sheet （4*3Y）

研究發現，在液體流經碳化硅波紋片的過程中，兩種流動模式是共同存在的。但是，當進料液體流入波紋片上的未流經區域時，優先以準壁流模式流動。造成這種現象的主要原因是：泡沫碳化硅波紋片具有獨特的三維空間網孔結構，網孔間的毛細作用使液體在準壁流模式下高效地沿碳化硅骨架流動，從而比液膜流動模式流動的液體更快抵達未流經區域。

在液體進料流量不變的情況下，一段時間后（通常不超過10 s），液體在波紋片上的潤濕狀態將不再隨時間發生變化，達到穩態。此時，波紋片上的液體潤濕面積達到最大，碳化硅波紋片上的潤濕網孔數達到最多。

圖7所示為3種波紋片在1.2 L·h-1的液體流量下達到穩態時的液體潤濕狀態。可以看出，在金屬板波紋片表面，液體主要在波谷處呈溝流流動。波紋片上液體擴散程度較小，少量液體在重力作用下流到格窩中鋪展，極少量液體可以通過穿孔流到波紋片的另一側。在金屬絲網波紋片表面，液體呈膜狀流動，液膜在波紋結構導流和重力的共同作用下以較大速度向下流動。在此過程中，液膜容易在波谷處聚集，形成溝流。液膜在絲網波紋片上以較慢的速度橫向擴散，與板波紋片相比，擴散范圍較寬。在泡沫碳化硅波紋片上，液體以液膜流動和準壁流兩種模式同時流動，液體不會在波谷處聚集，且橫向擴散非常明顯。波紋片上絕大多數的孔被液體潤濕，波紋片上的液體擴散程度較大。

圖7　3種波紋片的液體穩態流動Fig.7　Steady state of three corrugated sheets

達到穩態時，泡沫碳化硅波紋規整填料片上的液體擴散程度（ω）可用觀測區域內所有被液體潤濕孔的面積加和占波紋板上所有孔的面積總和（包括潤濕孔的面積Aw和非潤濕孔的面積An）的百分比表示

利用Image Pro-plus軟件將不同流量下3*3Y型的碳化硅波紋片在達到穩態時，潤濕孔和非潤濕孔的面積分別進行計算統計，得到液體擴散程度ω隨液體進料量F的變化趨勢，如圖8所示。從圖8可以看出，液體在泡沫碳化硅波紋規整填料片上的擴散程度隨液體進料流量的增加而減小。從最低液體進料流量0.6 L·h-1開始，波紋片的液體擴散程度就可達到90%以上，驗證了液體在泡沫碳化硅波紋規整填料片上的強擴散能力。對其余10種型號的碳化硅波紋片進行考察，同樣可以得出液體擴散程度隨進料流量的增加而減小的結論。

圖8　不同流量下碳化硅波紋片上的液體擴散程度Fig.8　Dispersion degrees of SCFP sheet （3*3Y） under different liquid flow rates

綜合比較可以發現，泡沫碳化硅波紋規整填料高效傳質的原因之一，在于它獨特的液體流動模式。碳化硅波紋片因具有三維空間網孔結構，使液體同時以液膜和準壁流兩種模式流動。其中，準壁流模式使液體沿著碳化硅骨架高效擴散，增強了波紋片上液體擴散能力的同時，也最大程度地促進了波紋片正反兩側的液體交換。液膜流動則通過形成厚度均勻的液膜，增加了氣液相接觸的有效面積，進而強化氣液兩相間的傳質。

2.2組合波紋片之間的液體傳遞特性

波紋規整填料是由多個單波紋片平行疊加結合而成，相鄰波紋片通過波峰處的接觸點連接。液體通過波紋二面角和波峰接觸點，從一塊波紋片流動到其相鄰的波紋片，進而實現波紋片之間的液體流動［21］。因此，波紋片之間的液體傳遞對液相在填料塔內的均勻分布，以及氣液傳質均具有重要意義。

圖9所示為穩態下3種填料組合波紋片上，進料液體傳遞到副板上的體積分數θ隨液體進料流量F的變化趨勢。θ值越大，表明有越多的進料液體從主板傳遞到副板，進而說明液體在組合波紋片之間的傳遞性能越好。

圖9　組合波紋片的液體傳遞性能Fig.9　Liquid transportation capabilities of three kinds of combined corrugated sheets

從圖9中可以看出，對于泡沫碳化硅組合兩塊波紋片，隨著進料流量F的增大，傳遞到副板上的液體體積分數θ逐漸減小。從0.6 L·h-1的液體進料流量開始，約有40%的液體從主板傳遞到副板上。而對于組合3塊波紋片，θ值隨F的增大而增大。當流量較小時，僅有10%左右的液體可以流動到副板上。這是因為流量較小時，液體動量較小，主板上液體僅能通過接觸點傳遞到相鄰的波紋片上，很難進一步傳遞到副板上。當液體流量增大到 1.8 L·h-1時，傳遞到副板上的液體量顯著增加。

綜合比較圖9（a）、（b）可以發現，無論是組合兩塊波紋片還是組合3塊波紋片，在相同的液體進料流量下，3種填料的液體傳遞能力大小順序依次為：泡沫碳化硅波紋規整填料＞單層無孔金屬絲網波紋填料＞穿孔金屬板波紋填料。其中，金屬板波紋填料的液體傳遞量明顯低于泡沫碳化硅填料和絲網填料。

造成這種現象的主要原因是：一方面，液體在泡沫碳化硅波紋片和絲網波紋片上以滲流形式流動，液體容易從波紋片的一側流到另一側，進而通過波紋二面角流到相鄰的波紋片上，而液體在金屬板波紋填料上僅能通過開孔實現從波紋片的一側流到另一側；另一方面，泡沫碳化硅填料和金屬絲網填料的組合波紋片在接觸點處具有網孔結構，這種結構所產生的毛細作用也促進了液體從主板到副板上的傳遞，而金屬板波紋片的接觸點附近并沒有這種可以產生毛細作用的網孔結構，液體僅依靠自身動量和重力作用進行傳遞。在多孔介質中，毛細壓力是液滴進入孔道的必要推動力，且孔徑越小，孔內的毛細壓力越大。隨著液體對泡沫碳化硅填料上孔的潤濕，孔內未潤濕部分的直徑越來越小，作為液體潤濕推動力的毛細壓力越來越大。因此，泡沫碳化硅填料的三維網孔結構比金屬絲網填料的單層網孔結構具有更強的毛細作用，進而在3種填料中具有最強的液體傳遞能力。

3　結　論

本研究對泡沫碳化硅波紋規整填料、單層無孔金屬絲網波紋填料和穿孔金屬板波紋填料的液體流動特性和液體傳遞特性進行了實驗和比較，從實驗結果可以得到如下結論。

（1）泡沫碳化硅波紋規整填料上同時存在兩種液體流動模式：液膜流動模式和準壁流模式。其中，液膜流動模式保證了液膜均勻和氣液接觸面積，準壁流模式增強了泡沫碳化硅波紋片上的液體橫向擴散能力。

（2）液體在泡沫碳化硅波紋規整填料上的滲流流動以及接觸點處的毛細作用，促進了液體在同一填料單元內不同波紋片之間的傳遞和交換，進而促進了液相在填料內的均勻分布。

（3）泡沫碳化硅波紋規整填料片的單片液體擴散程度大，組合波紋片之間的液體傳遞體積分數高于單層金屬絲網波紋片和穿孔金屬板波紋片。

（4）泡沫碳化硅波紋規整填料因具有三維空間網孔結構，在液體流動特性和液體傳遞特性上比傳統填料更具優勢，這也是泡沫碳化硅波紋規整填料實現高效傳質的根本原因。

符號說明

An，Aw——分別為穩態下非潤濕孔和潤濕孔的面積，m2

F ——液體進料流量，L·h-1

θ ——組合波紋板上從主板傳遞到副板的液體體積分數，%

ω ——穩態下泡沫碳化硅波紋規整填料片上的液體擴散程度，%

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Liquid flow characteristics of structured corrugation SiC-foam packing sheets

LIU Qiaoyu1， LI Hong1，2，3， GAO Xin1，2，3， LI Xingang1，2，3
（1School of Chemical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300072， China；2National Engineering Research Center of Distillation Technology， Tianjin 300072， China；3Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering （Tianjin），Tianjin 300072， China）

The microscopic liquid flow characteristics of the structured corrugation foam packing （SCFP） sheets w ith different combinations of the pore size and the extrusion ratio are observed experimentally in this paper. The tracks of liquid water under different flow rates were recorded by a high-speed camera w ith a m icro lens. A combination of liquid film and quasi-wall flow is verified as the unique liquid flow pattern in SCFP sheets. Besides， the study on the liquid transportation of combined SCFP sheets is carried out. Furthermore， the liquid flow characteristics of SCFP sheets are compared w ith two classical packing sheets w idely used in distillation. The comparison results demonstrate that the unique three-dimensional network structure of SiC skeleton makes SCFP sheets realize larger liquid dispersion degree for single corrugated sheet and better liquid transportation capability for combined corrugated sheets. The study suggests that SiC-f

structured packing； flow； porous media； transport； distillation

date: 2016-03-22.

GAO Xin， gaoxin@tju.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China （21336007）， the National Basic Research Program of China （2012CB215005）， the National High Technology Research and Development Program of China （2015AA03A602） and the Key Technology R&D Program of Tianjin （15ZCZDGX00330）.

TQ 02

A

0438—1157（2016）08—3340—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160329

2016-03-22收到初稿，2016-06-14收到修改稿。

聯系人：高鑫。第一作者：劉巧鈺（1991—），女，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（21336007）；國家重點基礎研究發展計劃項目（2012CB215005）；國家高技術研究發展計劃項目（2015AA03A602）；天津市科技支撐計劃重點項目（15ZCZDGX00330）。

oam material has a broad application prospect in the field of structured packing.