螺旋液橋降膜規整填料螺線間隙液橋形成與流動

韓紅明，從海峰，李洪，高鑫，李鑫鋼

（1 天津大學化工學院，精餾技術國家工程研究中心，天津化學化工協同創新中心，天津 300350；2 天津大學浙江研究院，浙江 寧波 315000）

填料塔作為一種重要的傳質、傳熱和分離設備，被廣泛應用于化工領域。填料是填料塔內最核心的塔內件，它提供了氣液兩相接觸的場所，其性能的優劣對填料塔的分離效果起決定性作用。規整填料由于具有壓降低、通量大、傳質效率高等優點，在化工氣液傳質分離領域備受青睞，但液體自分布性能較差，影響氣液傳質傳熱過程，需要每隔一段距離對液體進行重新分布，因而新型自分布高效規整填料的開發及應用一直是研究的熱點。

為了得到一種高效率、低壓降且自分布能力優良的規整填料，Hattori 等提出了一種新型的氣液接觸裝置，將一定直徑的細線垂直放置在塔內，經過特殊設計的液體分布器，液體以液膜的形式包裹細線，且會以一定的間隔在液膜外形成液珠，液珠和液膜沿著限定的路徑向下緩慢流動，由于液體不會發生徑向流動和返混，因此也無需對液體進行再分布。Grünig 等為了改善細線表面液體的流動形態，使用不同幾何結構的鎖鏈來替代細線，不僅使液膜分布更加均勻，而且增大了液相負荷，但是分離效率有所降低。Komae等將橡膠繩以一定的間距緊緊纏繞在濕壁塔外壁，繩子幾何結構均勻一致，相鄰繩子間距相等且互相平行，形成一個多螺旋結構。當液相經液體分布器從塔頂流下時會沿著平行螺旋線間隙螺旋向下流動，與上升氣相進行接觸傳質，在不影響氣相通道的情況下大大延長了氣液接觸時間，其流體流動和二氧化碳吸收實驗表明，液體在螺線間隙流動時會出現周期性的震蕩，與濕壁塔相比，氣體吸收效率顯著提高。

這類結構和形狀各異、垂直排布在塔內的規整填料，可以統稱為新型束流型規整填料，它們具有相同的流體力學特征，液相被嚴格約束在填料表面自上而下流動，無徑向流動，氣相和液相均是連續相。不同于常規規整填料，它簡化了塔內的氣液流動形式，垂直型的排布降低了填料層壓降，且具有優良的自分布能力，減弱了放大效應。基于新型束流型規整填料，受螺旋冷凝管中冷凝液沿著螺線螺旋向下流動的啟發，Cong等提出了螺旋液橋降膜垂直型規整填料的概念。在商用螺旋彈簧的基礎上，開發出了一種等直徑螺線的螺旋液橋降膜規整填料，該填料具有結構簡單、建造容易、材料來源廣泛等優點，對其流體力學和傳質性能研究表明，螺旋液橋降膜規整填料的有效比表面積與傳統B1-350Y 型金屬絲網規整填料相當，但液膜更薄、壓降更低以及平均停留時間也更長，因此，將其作為一種新型的氣液接觸傳質元件應用于分離領域具有良好的前景。

液橋是螺旋液橋降膜規整填料的重要特征，也是氣液之間進行高效傳質傳熱的場所。液相在螺線間隙形成的液橋上下兩端附著于螺線表面，將互相平行的螺線連接起來，液橋內外兩側置于大氣環境或者特殊的氣體環境中，與另一相流體互相接觸形成自由表面，因此螺線間隙能否形成穩定且連續的液橋決定著填料性能的優劣。目前對螺線間隙液橋的形成和流動研究較少，尤其是在微觀尺度下哪些因素影響著液橋的形成和流動尚未有研究，優化過的螺線能否形成液橋也不得而知。本文將通過采用配備微距鏡頭的高清相機和高清攝像儀，結合示蹤粒子追蹤方法，觀測液橋在填料螺線間隙的形成、變化和流動形式，并探究哪些參數和因素影響液橋的形成和穩定。

1 螺旋液橋降膜規整填料結構特征

螺旋液橋降膜規整填料中的單個螺旋線結構和幾何參數如圖1 所示。螺旋線是由單根矩形截面直線以一定的直徑、傾角和間隙寬度螺旋環繞而成，組成填料時多根螺線豎直排放間距相等且互相平行，填料幾何結構涉及五個參數：填料直徑、螺旋線傾角、螺線間隙寬度、螺線寬度和螺線厚度。填料是由機加工而成，所以當直徑確定后，傾角隨螺距的改變而變化。長度可根據實際需求而定，螺線寬度、厚度和材質共同決定了填料的機械強度。另外，螺線材質也會影響液橋的形成和流動，當螺線材質較為光滑、表面潤濕性較差時，螺線和測試液體之間的接觸角增大，維持液橋形成的毛細力和黏附力減小，液橋穩定性降低；當螺線材質較為粗糙、表面潤濕性較好時，螺線和測試液體之間的接觸角減小，液體從上層螺線流向下層螺線的阻力減小，此時會有部分液體越過螺線沿豎直方向直接降落，導致液體在填料上的停留時間減小，因此，螺線材質應具有適度的粗糙度，以便與測試液體之間形成合適的接觸角。在本實驗中螺線材質為不銹鋼，其在25℃下與蒸餾水的接觸角為82.1°，但螺線材質不限于不銹鋼，也可以是樹脂、工程塑料等材料，只要其具有足夠的機械強度和適度的潤濕性能即可。

圖1 螺旋液橋降膜規整填料結構示意圖及幾何參數

2 實驗裝置與設備

圖2為自主搭建的螺旋液橋降膜規整填料流體流動觀測實驗裝置，單根螺線被豎直固定在裝置中間，頂部與液體分布器相連，底部與固定限位器相連。液體分布器是由兩個不銹鋼圓管通過焊接而成，外管和內管之間的環形空間為液體儲槽，內管的一定高度對稱開有若干孔道，液體到達孔道后，通過溢流的方式從孔道流出，分布器的下端也對稱開有兩個4mm的螺紋孔，螺線被嵌入內管，并通過平頭螺栓固定，內管的內徑比螺線的外徑大1mm。底部固定限位器的作用是避免螺線自身質量和螺線間隙充滿液體后在重力作用下被拉伸，而對填料螺線間隙寬度造成影響。流體流動觀測實驗中所用的螺線參數見表1。

圖2 流體流動測試裝置示意圖

表1 螺旋液橋降膜規整填料幾何參數

螺線被豎直固定在裝置中間后，離心泵將水箱中的液體經轉子流量計輸送到頂端的液體分布器中，通過溢流進入螺線。在重力驅動和螺線的約束下，液體從螺線頂端沿著螺線向下流動，最后離開螺線流入下方的水箱。轉子流量計調節液體流量，當螺線間隙形成穩定液橋后，使用高清相機記錄液橋形貌，并通過圖像處理軟件ImageJ180 對圖像進行處理。高清相機水平安裝在一個可自由調節高度的平臺上，使用微距鏡頭記錄液橋局部變化，另外，使用高速攝像儀結合示蹤粒子觀察液橋在螺線間隙的流動形式。高清相機和高速攝像儀均屬于非侵入式的光學測量方法，不會對液體在螺旋液橋降膜規整填料螺線間隙的流動形式和流場分布產生干擾。

開始實驗時，先將液體流量調至最大使填料充分潤濕，再分別從小到大、從大到小緩慢調節液體流量，觀測并記錄液橋在填料螺線間隙的形成、變化和流動，并依次對不同規格螺線進行實驗。在本實驗中，實驗條件為288.16K、101325Pa，以蒸餾水為實驗物系。

3 實驗結果與分析

3.1 螺線直徑和寬度對液橋形成的影響

選用螺線直徑分別為12mm、14mm、16mm，間隙寬度2.5mm和螺線寬度2.5mm，探究直徑對液橋的影響。如圖3所示，直徑對液橋的形成沒有顯著影響，無論螺線直徑如何，在一定液相負荷下液體均能在螺線間隙形成穩定且連續的液橋。另外，選用螺線寬度2.5mm 和3.0mm、直徑14mm、螺線間隙寬度2.5mm，探究螺線寬度對液橋的影響。發現液體在不同螺線寬度的填料螺線間隙也均能形成穩定且連續的液橋，隨著液相負荷的增大，螺線越寬的填料液橋越穩定，同時液橋厚度也增加，但液橋厚度增加會降低氣液之間的傳熱傳質效率。綜上，螺線直徑和寬度對液橋的形成沒有顯著影響，但螺線寬度會影響液橋厚度，進而影響傳質傳熱效率。

圖3 不同直徑螺線間隙液橋形態

3.2 螺線間隙寬度和液相物性對液橋形成及結構的影響

螺線間隙寬度即兩平行螺線之間的距離，簡稱螺距。如圖4所示，在相同的液相負荷下螺線間隙寬度越大，液橋邊界曲率越大，液橋越狹長，所能提供的氣液接觸界面也越大，有利于傳質傳熱的進行，也能減少材料的用量，提高填料空隙率。然而，較為狹長的液橋會使其穩定性降低。

圖4 不同螺線間隙寬度液橋邊界輪廓

為了更進一步探究螺距對液橋形成和變化的影響，將螺旋液橋降膜規整填料的螺線簡化為兩個平行平板。將兩個長寬厚（2mm×2mm×1mm）完全相同的平板上下平行放置（圖5），分別固定在兩個可以360°旋轉，前后左右均可移動的平臺上，下部的平臺放置在升降臺上，便于調節兩平板間距，用高清相機記錄液橋隨板間距的變化，并使用圖像處理軟件（ImageJ180）對高清相機拍攝的圖像進行處理。

圖5 兩平板間液橋變化觀測實驗裝置

使用微量移液槍移取2μL 液體于頂部平板上（圖6），固液之間的附著力大于液滴受到的重力，液滴懸浮于平板上，此時調節底部的升降平臺，隨著板間距離的減小，下平板逐漸靠近液體，下平板與液滴的接觸過程分為四個階段：接近、壓縮、遠離和斷裂。

圖6 不同板間距和液體體積液橋邊界輪廓變化

（1）接近階段 下平板從液滴正下方的位置緩慢向上移動，逐漸地接近液滴。

（2）壓縮階段 下平板與液滴發生接觸，在上下平行平板之間形成液橋，液橋呈現圓柱形，下平板繼續勻速向上移動，減小板間距，液橋呈現凸形，此時液橋處于壓縮狀態，液橋表面所受毛細力的方向與表面層液體受到的拉力方向一致。

（3）遠離階段 下平板向上移動一定距離后，反向旋轉螺桿下平板開始緩慢向下移動，隨著板間距的增大，液橋的形狀由凸形到圓柱形再到凹形變化，當液橋形狀過渡到凹形時，所受毛細力的方向與凸形相反，繼續向下移動，液橋變得越來越狹長，重力對其影響也越來越顯著，液橋最窄“頸部”逐漸上移，這是由于在重力的影響下，液橋內部的壓強分布不均衡，上部壓強小，下部壓強大造成的。

（4）斷裂階段 下平板下降到一定高度后，液橋發生斷裂，實驗結束。將液體體積增大到4μL，重復上述操作過程，發現液橋斷裂時的板間距較2μL液體有所增大，但隨著板間距的增大，液橋上下的不對稱性也越來越顯著，這是由于液橋體積越大其內部壓強分布越不均衡，液橋也越容易因失去平衡而斷裂，這也是液橋不能無限制拉長的主要原因。使用不同物系進行實驗（表2），發現乙醇和環己烷的最大液橋長度小于水，這是因為乙醇和環己烷的表面張力較小，而維持液橋穩定存在的力主要是由表面張力形成的毛細力所提供，因此，液體表面張力減小，會造成最大液橋長度減小，板間距也隨之減小。分別重復上述實驗三次，均是相同的結果。

表2 不同物系最大液橋長度

綜上所述，當液體體積一定時，隨著板間距的增大液橋穩定性降低，重力對液橋的影響也愈加顯著，這是因為毛細力形成的毛細長度具有一定的極限，液橋不能無限被拉長；當板間距一定時，隨著液體體積的增大液橋穩定性提高，氣液界面毛細力隨液體體積增大而增大，毛細長度增加；當板間距和液體體積均一定時，液體表面張力越大液橋越穩定，這是因為毛細力主要由表面張力所提供。因此，液橋穩定性不僅與板間距和液體體積有關，而且受液體表面張力的影響。為了得到較為穩定的液橋，可以增大液相負荷減少板間距以及提高液體表面張力，但板間距的減小會使氣液接觸面積減小，而提高液體表面張力又比較困難，因此，在毛細長度內液橋能穩定且連續存在時應當盡可能地增大填料螺線間隙寬度。除了表面張力對液橋的形成有影響外，液體黏度對液橋的形成和流動也有重要影響，較高的液體黏度會使流體層之間的阻力增大，不僅有利于液橋的初始形成，而且使得液橋內部流體的速度分布更加均勻，但是會影響填料的液相負荷。

3.3 液相負荷對液橋的影響

采用配有微距鏡頭的高清相機觀測螺旋液橋降膜規整填料螺線間隙液橋邊界隨液相負荷的變化情況。實驗發現，隨著液相負荷的增大，液橋不斷地向外擴張，圖7為螺距2.0mm螺線液橋邊界隨液相負荷的變化情況。從小到大逐漸調節液體流量，當液體流量較小時，液體沿著螺線間隙斷斷續續地向下流動，不能形成連續的液橋，流量達到7mL/min才形成連續的液橋，由于毛細力的作用，液橋呈現凹型，繼續增大流量，液橋邊界也隨之向外擴張，流量達到80mL/min 時液橋充滿整個螺線間隙，此時液橋邊界由凹變平。通過對比圖7發現，當液體流量從10mL/min 增加到50mL/min 時，液橋邊界向外擴張明顯，液橋最窄“頸部”到測試螺線外接圓柱體母線之間的距離（為了方便本文中簡稱為頸線距離）從1.12mm減小到0.18mm，這時液橋內部壓力的增加主要通過毛細力的增大來平衡；當液體流量從50mL/min 增加到80mL/min 時，液橋邊界向外擴張的速度明顯降低，此時，僅減小了0.18mm，液橋內部壓力的增加主要用來提高液橋軸向流動速度。

圖7 液橋邊界隨液相負荷變化

改變螺線的螺距和直徑進行實驗，圖8(a)是不同螺距液橋頸線距離隨液相負荷的變化，從圖中可以看出隨著液相負荷的增加，液橋頸線距離均是先快速減小然后緩慢減小，最終減小到0，即液橋邊界向外擴張的速度在不斷減小，逐漸完成由凹到平的變化。不同螺距形成穩定液橋的最小液相負荷不同，液橋充滿螺線間隙的最大液相負荷也不同，螺距越大，形成穩定液橋時的最小液相負荷和最大液相負荷均增大，這是因為螺距越大液橋越不易形成，但螺線間隙能容納更多的液體。由于在相同液相負荷下螺距越大螺線間隙形成的液橋越狹長，因此，在液橋邊界完全變平之前，螺距越大液橋“頸線距離”越大。圖8(b)是不同直徑螺線的液橋“頸線距離”隨液相負荷變化，在相同液相負荷下，不同直徑螺線的液橋“頸線距離”基本相等，即液橋邊界變化不受螺線直徑的影響。

圖8 液橋頸線半徑隨液相負荷變化

綜上所述，液橋隨著液相負荷的增大不斷向外擴張，逐漸由凹變平，這種變化與螺線的螺距和直徑無關，但螺距會影響液橋的液相負荷范圍。

3.4 液橋流動形式

液體在重力或者剪切力的作用下在填料表面作膜狀流動，氣液之間的傳質傳熱均在液膜表面進行，因此液體流動形式也是表征填料性能的一個重要參數。為了探究液橋在螺旋液橋降膜規整填料螺線間隙的流動形式，使用平均粒徑為5μm 的紅色聚苯乙烯微球作為示蹤粒子進行流體流動觀測實驗。

使用移液槍將一滴示蹤粒子溶液添加到螺線間隙，示蹤粒子將會隨著液橋一起流動，使用高清攝像儀記錄示蹤粒子在螺線間隙隨液橋的流動形式，并截取了10 張不同時刻示蹤粒子在螺旋線上的位置變化（圖9）。通過圖像慢放，得出在該液相負荷下示蹤粒子在螺線間隙的流動形式是沿著螺旋線方向螺旋下降的。螺旋液橋降膜流動會顯著增加液相在填料上的停留時間，從而增加氣液之間的傳質傳熱效率。如圖9所示，在相同的時間間隔內示蹤粒子下降的高度基本相同，但隨著下降高度的增加在軸向上示蹤粒子會逐漸的分散開來，螺線越長這種現象越顯著，說明液橋在螺線間隙的流動過程是加速螺旋下降的，導致前一個粒子和后一個粒子之間的距離會越來越大，也就出現了示蹤粒子簇被拖長的現象。同時，液橋速度增大會導致離心力也增大，液橋的穩定有可能受到破壞，這對填料是不利的，因此填料并不是越長越好。改變液相負荷并對不同規格填料進行測試，液橋均是沿著螺旋線的方向螺旋下降。在液相負荷為40mL/min時，表3 統計了不同直徑、螺距和螺線寬度的液體停留時間，從表中可以看出，直徑越大液體在螺線上的停留時間越長，螺距越小液體停留時間越長，而螺線寬度對液體停留時間沒有影響，這是因為液體沿著螺線流動，相同高度的螺線直徑越大、螺距越小，液體在螺線間隙流動方向上的流動路徑越長，液體停留時間也越長，較長的停留時間有利于氣液之間的傳質傳熱。此外，通過冷膜實驗發現，當氣相介質為空氣或二氧化碳時，氣相對液橋的形成和流動幾乎沒有影響，這是由于液橋被嚴格約束在螺線間隙，沿著螺旋線流動，氣相在填料內外的環形區域流動，氣液兩相流通通道固定，互不干擾。

圖9 液橋流動形式下示蹤粒子的流動過程

表3 不同規格螺線液體停留時間（V0=40mL/min）

4 結論

本文通過配備微距鏡頭的高清相機和高清攝像儀對螺旋液橋降膜規整填料進行流體流動實驗，觀測液橋在螺線間隙的形成和示蹤粒子隨液橋在螺線間隙的流動形式，發現在一定的液相負荷下液體在螺線間隙均能形成穩定且連續的液橋，并進一步探究了填料規格參數和液相負荷對液橋的影響，得到的主要結論如下。

（1）螺線直徑和寬度對液橋的形成沒有影響，螺線越寬液橋越穩定，但液橋厚度也會增加。在相同的液相負荷下，螺線間隙寬度越大液橋邊界曲率越大，液橋越狹長，氣液接觸面積也越大，有利于傳質傳熱的進行。

（2）螺距、液體體積和液相物性影響著液橋的穩定性，螺距越小、液體體積和表面張力越大液橋越穩定。在液橋能穩定且連續存在時應當盡可能地增大螺距，以增加氣液之間接觸面積，并減少材料用量。

（3）隨著液相負荷的增加，液橋邊界會不斷地向外擴張，會出現由凹到平的變化，當液體充滿螺線間隙后液橋邊界不再發生變化。

（4）使用平均粒徑為5μm 的紅色聚苯乙烯微球作為示蹤粒子來表征螺線間隙液橋流動形式，發現在一定的液相負荷下，液體在螺線間隙的流動形式是沿著螺線方向螺旋下降，液體速度隨著下降距離的增加逐漸增大。