降膜式吸收器的研究及應用進展

白明明，涂淑平，孫文哲

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

降膜式吸收器是近幾年發展起來的一種新型的熱質傳遞設備，具有吸收和冷卻效果好、吸收液成膜性好、不易損壞設備、使用壽命長等優點，并以其高效、節能、低阻等優良特性，在我國制冷空調、化工、精餾等眾多領域得到了廣泛研究和應用。

根據國內外研究及應用情況，可將降膜式吸收器分為兩類：即管式降膜吸收器和板式降膜吸收器。吸收器工作時，其內部的傳熱傳質過程是一個相互影響、相互耦合的復雜的熱力過程，吸收過程中，熱量與質量的傳遞發生在氣液兩相之間，隨著過程的進行，局部的溫度、濃度梯度以及氣液界面處平衡條件都會發生變化，進而影響到傳熱傳質過程的驅動力。通過對吸收過程的研究，對降膜式吸收器的性能提升及應用具有重要意義。

1 管式降膜吸收器

管式降膜吸收器是目前研究和應用較為廣泛的降膜式吸收器，其換熱管是管式降膜吸收器的核心部件，通過對管型的改進以達到優化液膜流態，改善壁面濕潤度、增強傳熱、減少熱阻、提高吸收效率的目的。

張強[1]建立了水平光管降膜吸收傳熱傳質模型及其邊界條件，利用分離變量法以及傅里葉展開法求解出傳熱傳質方程的解析解，并對解的精度進行驗證，得出了符合精度要求的前40項解析解的特征值，所得結論可作為降膜式吸收器的設計參考，并為研究者的分析和模擬提供依據。

張睿航等[2]搭建了水平管降膜流動形態實驗裝置，研究管間距和管材對水平管降膜管間流態的影響。實驗表明，管間距略微增大時，管間流態與上一級未改變管間距的流態相同。當管間距增大到原來的2倍，流態呈現為最初的滴狀；并出現部分交叉滴狀流。當以塑料管代替銅管后，流態出現傾斜現象，相鄰的管壁不能垂直濕潤，管間流體的連續性受到影響，小部分溶液出現向下一級流態轉變的趨勢。

陳小磚等[3]針對氨水溶液降膜吸收器研究了橫波紋管的吸收效率和熱量與質量交換機理，選取3根不同規格尺寸的橫波紋管，實驗研究橫波紋管降膜吸收性能變化規律，結果表明，2號橫波紋管隨管外氨水溶液噴淋密度的增加，氨氣吸收速率顯著提高。該研究成果為設計、制造高效緊湊的橫波紋管降膜吸收器提供理論參考和技術支持。

對降膜式吸收器性能影響因素的研究是降膜式吸收器優化設計的主要內容，其影響因素主要有：噴淋密度、溶液流速、濃度、溫度、質量分數和冷卻條件等。

Lin等[4]建立氨水溶液在內管表面低流速降膜吸收傳熱傳質耦合實驗原型，研究可用于建筑風冷吸收器垂直降膜吸收性能，指出傳統的對數平均溫度(濃度)差不適用于同時評估傳熱和傳質過程，通過實驗得出系統壓力的增加、降低冷卻水溫度和入口稀溶液過冷都顯著影響吸收過程。

徐振中[5]搭建了垂直管降膜吸收器實驗裝置并進行實驗研究和相應模擬，最終將其應用于風冷兩級氨水吸收實驗機組當中。通過對不同工況進行吸收實驗，研究多種因素對吸收實驗的影響。結果表明，吸收傳熱傳質率隨冷卻水溫和降膜溶液溫度的下降而升高，隨吸收壓力、降膜雷諾數的升高而提高，順、逆流對吸收無顯著影響。

李美軍等[6]對純水蒸氣滴狀和柱狀流型下多管排水平管外降膜吸收過程的局部傳熱傳質特性進行研究。結果表明，相同流量下溶液出口濃度和溫度平均相對誤差在2%以內；滴狀和柱狀流型下，降膜區溶液局部吸收速率分別約為管間區的10倍和7倍。上述結論可為降膜式吸收器的設計和優化提供一定的理論指導。

梁斌等[8]對豎直螺旋盤管降膜吸收器進行了設計，并利用數學模型對螺旋盤管降膜吸收器吸收及換熱過程進行分析。通過比較冷卻水流速、溶液流速、溶液濃度等相關因素對吸收器性能的影響，得到了螺旋盤管吸收器的基本性能特性。所得結論對于螺旋盤管吸收器的設計具有一定的指導意義。

2 板式降膜吸收器

板式降膜吸收較殼管式降膜吸收緊湊度更高，具有高效瞬態傳熱等特性，成為近年來國內外學者研究的熱點。并且新設計思路和研究方法也不斷涌現。

翁建華等[9]建立了低雷諾數平板降膜流動與傳熱數學模型，在其基礎上對平板平滑和波動層流降膜的瞬態傳熱特性進行數值計算求解。結果顯示，平板降膜具有高效的瞬態傳熱特性，以及波動對膜內傳熱具有強化作用。其計算結果為復雜物理過程如吸收、蒸發和冷凝等降膜數值計算打下基礎。

Triché[10]建立了用于板式降膜結構吸收器的數值模型，通過實驗數據驗證，在實驗與數值結果之間觀測到的最大相對誤差為15%。研究結果表明，在吸收過程中，傳質受降膜控制，傳質阻力和液體側傳熱阻力可忽略不計。

崔曉鈺等[11-12]提出并設計了一種新型板式膜反轉降膜吸收器，通過建立求解該吸收器的數學模型，確立其在設計條件下的最佳結構，并進行相關的傳熱傳質性能計算。該研究可作為板式膜反轉降膜吸收器理論設計依據，并為今后此類傳熱傳質設備的研究設計、開發及應用提供一定的理論參考。

Michel等[13]提出了一種新型的平板式降膜吸收器的設計方法，即采用垂直槽式降膜吸收器。并通過實驗和數值工具對溴化鋰-水的吸收性能進行了研究。實驗表明，溶液流速和驅動力對吸收率的影響較大；隨著溶液入口溫度的降低，吸收率呈線性增加，降膜流量越小，這種增加越大。

Bechir等[14]研究了在豎直板降膜吸收器中納米粒子對溴化鋰水溶液液膜與水蒸氣吸收的影響。建立了冷卻水與銅納米顆粒混合的溴化鋰溶液逆流流動模型。通過對模型的驗證，提出并討論了雷諾數、銅納米顆粒固體體積分數、溶液入口濃度和溫度等參數對吸收性能的影響。結果表明，在較低的雷諾數、溶液入口濃度和較高的入口溫度下，二元納米流體比基底流體的傳熱傳質更強、效率更高。

Lu等[15]采用熒光強度法研究了在露天和等溫條件下垂直平板上的降膜過程，分析了薄膜的潤濕特性，包括潤濕覆蓋率、最小潤濕率、膜厚和膜厚分布。并以水為工質，比較了兩種總截面積相同的液膜分布裝置。結果表明，在較小的比液載荷下，具有更多孔的分配器在較大的潤濕覆蓋率、較高的平均膜厚和較窄的膜厚分布方面顯示出較好的潤濕性能。

Abbasi等[16]研究了平行平板垂直通道中溴化鋰水溶液對純水蒸氣的吸收，并建立了氣液兩相相互作用和熱質交換的數學模型。通過數值預測，研究了入口質量分數和氣相雷諾數1 000～3 000變化對通道液膜發展的影響。結果表明，當水入口質量分數從50%降低到45%，期間吸收的總量增加了34%；將氣相雷諾數從1 000增加到3 000，吸收結束時液膜厚度減少8.4%。

Rouhollahi等[17]實驗研究了電場對液膜在傾斜板上的流體力學行為的影響。通過對15，30，45°三個不同傾角的層狀波區域、雷諾數在10～120之間的工作流體和在不同強度的電場條件進行實驗。在實測膜厚的基礎上，通過圖像處理對有無EHD的降膜過程進行統計分析，得到更多的平均膜厚、波頻、液速等信息。結果表明，電場不影響降膜的原始結構，其增強了層流降膜的波性，提高了降膜的傳熱傳質率。

3 降膜吸收器的應用現狀

近些年來，降膜吸收器在國內眾多領域得到了快速推廣與應用，如設計酯化生產、氯堿工業、生產鹽和酸等工藝過程的吸收系統，并取得了較好的應用效果。

戴鋒[18]對所在公司現有化工生產中氨尾氣吸收裝置提出了優化改造方案。運行數據表明，氨的吸收率大幅提高，不僅有效改善了環境，還起到了變廢為寶、節能降耗的作用。

馬明巖[19]對磷霉素鈉的合成過程的酯化生產收集鹽酸設備進行改造，使用3套降膜吸收裝置取代48個陶瓷吸收罐，由傳統的4級單程吸收變成了2級串級吸收方式。改造后吸收效果顯著，不但減少了泄露現象和設備數量，而且減少了對環境的污染，全年節水、節電共計創效達19.8萬元。

賈曉朵等[20]針對原工藝流程所存在的問題，采用兩級降膜吸收器和一級填料吸收塔串聯的吸收工藝，提高了HCl的吸收效率和吸收效果，生產的鹽酸濃度達36%以上，確保了TDI生產線的高負荷穩定運行，提高了工藝系統的本質安全。降膜吸收裝置投運以后，31%鹽酸產品質量達標可直接銷售，年銷售額達上百萬元。

王國平等[21]采用降膜吸收裝置等工藝方法處理副產氯化氫氣體，所得鹽酸可作為商品鹽酸銷售。經工程驗證，降膜吸收裝置投資金額為30萬元，年處理副產鹽酸1萬t，運行成本為25元/t，年經濟效益超過500萬元，經濟和社會效益顯著。

林昌艷[22]對高純鹽酸在生產過程中，通過對原一級、二級降膜吸收器的管道進行改造及增加無離子換熱器以進一步提升鹽酸爐生產能力，吸收效果顯著提高，同時也節約了生產成本。

侯方敏[23]在氯乙酸尾氣處理生產次氯酸鈉工藝中，對原有尾氣經填料塔、降膜吸收器處理工藝流程進行調整，改進措施后，次氯酸鈉成品中有效氯含量穩定在10%以上，游離堿在1%左右。

4 總結與展望

降膜吸收器因其優秀的吸收性能和傳熱傳質等性能日益受到人們的重視。隨著高性能計算機和CFD仿真模擬技術的應用，為研究降膜式吸收器提供了一種重要途徑。

近些年來，國內外學者針對降膜式吸收器以及對相關的工程應用的研究越發活躍，降膜式吸收器的應用領域和應用范圍愈加廣泛。

雖然降膜式吸收器的研究已經取得了諸多研究成果，并在工業、化工等領域達到了可接受的成熟程度，但也存在許多不足之處，需要更多的實驗工作和理論分析。

(1)降膜式吸收器內的傳熱傳質過程較為復雜，影響吸收效果的因素眾多，不同模型的建立求解和實驗誤差，致使各模型所得結果存在很大差異。

(2)結垢、腐蝕一直是影響降膜吸收器性能的關鍵因素，因此，針對降膜式吸收器的研究、設計過程中要結合實際應用中出現的問題，尋找節能環保、耐腐蝕等材料成為今后的主要研究方向，以此提高吸收性能、延長使用壽命，確保運行、生產穩定高效。