泡沫碳化硅波纹规整填料内的液体流动特性

刘巧钰，李洪，2，3，高鑫，2，3，李鑫钢，2，3

（1天津大学化工学院，天津 300072；2精馏技术国家工程研究中心，天津 300072；3天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

泡沫碳化硅波纹规整填料内的液体流动特性

刘巧钰1，李洪1，2，3，高鑫1，2，3，李鑫钢1，2，3

（1天津大学化工学院，天津 300072；2精馏技术国家工程研究中心，天津 300072；3天津化学化工协同创新中心，天津 300072）

通过采用配备微距镜头的高速摄像仪记录单波纹片上的液体流动行为，发现了泡沫碳化硅波纹规整填料内同时存在液膜流动和准壁流两种液体流动模式。同时测定了组合波纹片之间的液体传递量，并将泡沫碳化硅波纹规整填料与金属丝网波纹填料和金属板波纹规整填料的测试结果进行比较，结果表明泡沫碳化硅波纹规整填料的单波纹片上的液体扩散程度较大，组合波纹片之间的液体传递量高于金属丝网波纹填料和金属板波纹规整填料。研究结果揭示了泡沫碳化硅波纹规整填料具有高效传质特性的根本原因在于其独特的三维空间网孔结构增强了液体在单波纹片上的横向扩散能力和在组合波纹片之间的径向传递能力，为新型高效规整填料的机理研究和进一步开发开拓了思路。

规整填料；流动；多孔介质；传递；蒸馏

引　言

近年来，新型功能材料已成为人们关注的热点，各国学者相继对多孔介质陶瓷材料特别是泡沫碳化硅陶瓷材料开展了多领域多尺度的研究。泡沫碳化硅材料具有孔隙率高、相对密度小、比表面积大、机械强度高、抗氧化、耐磨蚀、热导率高、抗热振性能好、孔隙均匀可控及微波吸收能力强等一系列优良特性，因而被广泛应用于化工、能源、环保、冶金、机械、交通、电子和国防等诸多领域，例如填充床、换热器、催化剂载体等［1-5］。

迄今为止，已有许多学者将泡沫碳化硅材料作为一种新型气液传质元件应用于蒸馏领域，并对其流体力学性能及传质性能做了大量的实验研究［6-14］。现有结果表明，泡沫碳化硅材料作为传质元件具有优越的传质性能，但因块状碳化硅结构紧密，通量小，压降大，在工业中很难得到广泛应用［15-16］。本课题组与中国科学院金属研究所合作，开发出新型泡沫碳化硅波纹规整填料（structured corrugation foam packing SCFP，专利公开号CN102218293A），在保证其高效传质性能的同时，兼具了强耐腐蚀性、高通量、低压降等优点，为泡沫碳化硅填料在气液传质领域的应用打下基础［17-18］。对其流体力学性能和传质性能的测试结果表明：与BX金属丝网波纹填料相比，泡沫碳化硅波纹规整填料的等板高度较低、传质效率较高。相同喷淋密度下，SCFP填料的理论板数为同型号BX填料的1.3～1.7倍。然而，对于泡沫碳化硅填料内部更小尺度的气液流动，少有相关研究报道。

本课题组前期对泡沫碳化硅波纹规整填料片上的宏观液体流动进行了测试研究［18-19］，发现液相在波纹片上主要以渗流的形式流动，且横向扩散现象显著。本文在此基础上，通过高速摄像仪观察泡沫碳化硅波纹规整填料片上的液体流动行为，测定组合波纹片之间的液体传递量，并与传统波纹规整填料片的液体流动性能进行比较，深入地探索了泡沫碳化硅材料高效传质的机理。

1　实验材料、装置与方法

1.1波纹填料片

为研究泡沫碳化硅波纹规整填料片上的液体流动行为，本实验选取了15种不同型号的泡沫碳化硅波纹规整填料片进行液体流动行为实验测试，波纹片的具体结构参数如表1所示。

表1　泡沫碳化硅波纹填料片的结构参数Table 1　Parameters of experimental SCFP sheets

孔径、压缩比和波纹倾角是泡沫碳化硅波纹规整填料片的3个重要参数。孔径是指同一块波纹片上泡沫材料所有孔的平均直径。由于加工条件的限制，泡沫碳化硅波纹规整填料片上孔的大小不是完全相同的，而是分布在一定范围内，并用平均直径近似表达。例如，孔径为4 mm的泡沫碳化硅波纹规整填料片，其孔径主要集中分布在 3.2～4.2 mm的范围内。压缩比是指波纹片的工艺压缩系数。在加工过程中的压缩环节，将一定厚度（即压缩比）的波纹片压成单位厚度的波纹片，因此可将压缩比理解为波纹片所包含的碳化硅骨架层数。波纹倾角指波纹与填料塔轴线之间的夹角，“Y”对应的波纹倾角为 45°。泡沫碳化硅波纹规整填料片的型号可以用孔径、压缩比和波纹倾角 3个参数确定，如2*3Y型，表示孔径为2 mm，压缩比为3，波纹倾角为45°的碳化硅波纹片。

此外，本文选取了单层无孔金属丝网波纹填料片和穿孔金属板波纹填料片两种传统波纹规整填料片，与泡沫碳化硅填料片进行对比。上述3种填料的波纹片实物如图1所示。3种波纹填料片的填料片尺寸均为9.9 cm×9.9 cm，波纹倾角均为45°，比表面积均为350 m2·m-3。其中，单层无孔金属丝网波纹片的丝网厚度为0.15 mm，网孔尺寸为0.312 mm。穿孔金属板波纹片上开孔，孔径为4.5 mm，以正三角形排列，孔间距为10 mm，开孔率为8%，波纹片上带有格窝微结构。两种传统金属波纹填料片的波峰高度为8.8 mm，相邻波峰距离为13.7 mm。

1.2单波纹片上液体流动行为实验

单波纹片上液体流动行为的实验装置如图2所示。测试液体为水（密度998.2 kg·m-3，黏度1.01 ×10-3Pa·s），水中加入适量红墨水作为示踪剂，液体由泵输送，经过阀和液体流量计计量后，通过玻璃滴头在波纹片正上方1 cm处单点进料，流经波纹片后返回液槽。实验前，将波纹片完全浸入清水中，保证测试波纹片被充分润湿。在聚光灯的照射下，液体在波纹片上的流动行为由一台配备了微距镜头的高速摄像仪（OLYMPUS i-SPEED 3）实时记录，并通过在线工作站储存。高速摄像仪的工作参数可通过控制面板进行调整，本实验选取的拍摄速度为30 帧/秒，图像分辨率为1280×1024像素。

图1　3种波纹片的表面结构Fig.1　Surface texture of three corrugated sheets

图2　单波纹片上液体流动行为实验装置Fig.2　Experimental setup for test of liquid flow behavior on single corrugated sheet

本实验对 15种型号的泡沫碳化硅波纹规整填料片以及两种传统填料片进行测试，液体进料流量（F）范围从0.6 L·h-1到6.0 L·h-1。调节镜头焦距，保证高速摄像仪清晰记录泡沫碳化硅波纹填料片上的液体流动行为，并与两种传统波纹填料片上液体流动行为进行对比。对每个流量进行多次重复实验。

利用图像处理软件Image Pro-plus对拍摄图片进行图像处理，处理步骤分为图像编辑和数据采集两部分。图像编辑包括目标区域选取、角度调整、尺寸裁剪和图像输出，数据采集包括对象获取、计算统计、数据采集和数据输出。在数据采集步骤中，借助软件自带的标定工具为拍摄图像添加标尺。

1.3组合波纹片之间的液体传递行为实验

组合波纹片之间的液体传递行为实验装置（图3）与单波纹片上液体流动行为的实验装置大体相同，不同之处在于每个波纹片下方设置单独的集液装置，液体在流经组合波纹片之后，由各个集液器分别进行收集。

图3　组合波纹片之间的液体传递行为实验装置Fig.3　Experimental setup for test of liquid transportation capability of combined corrugated sheets

本实验针对3种波纹规整填料分别测量了组合两块波纹片和组合3块波纹片片间液体传递量，测试液体进料流量范围从0.6 L·h-1到6.0 L·h-1，对每个流量进行多次测量。实验过程中，液体以单点形式进料且仅在组合波纹片中的一块波纹片上进料，称这块有液体进料的波纹片为主板，称距离主板最远的单波纹片为副板。通过测量相同时间内，副板下方集液器内的液体体积和流经玻璃滴头的液体进料总体积，计算得到从主板传递到副板的液体体积分数（θ）。

2　实验结果与讨论

2.1单波纹片上液体流动特性

泡沫碳化硅波纹规整填料片是由成千上万的孔组成，本文将孔抽象为一个由碳化硅骨架围成的正八边形，并针对液体在泡沫碳化硅波纹规整填料片上的流动模式提出了两种假说［20］，如图4所示。

图4　液体在泡沫碳化硅波纹片上的流动模式假说Fig.4　Hypotheses on possible liquid flow patterns in SiC corrugated sheet

（1）液膜流动模式（liquid film pattern）：液相占据碳化硅波纹片上孔的空间，液相在孔上形成液膜，气相与液相在液膜的外表面进行接触和传质。

（2）准壁流模式（quasi-wall flow pattern）：液相仅对碳化硅骨架进行包裹，气相占据孔的空间，气相与液相在孔边界处进行接触和传质。

对比两种液体流动模式可以发现，液膜流动模式的优势在于液相通过成膜大大增加了气液两相间的有效接触面积，进而强化传质。准壁流模式的优势在于，液体不需要通过在孔上铺展成膜流动到相邻的孔，而是完全沿着三维贯通的碳化硅骨架流动，液体可以高效地在波纹片上进行横向扩散。

在1.2 L·h-1的液体流量下，4*3Y型泡沫碳化硅波纹规整填料片上的液体流动行为如图5所示。利用Image Pro-plus软件将液体进料前后的拍摄图像作差，将碳化硅骨架部分变为灰色背景，更直观地显示出液体部分，如图6所示。从图6中可以看出，液体在泡沫碳化硅波纹片上呈两种模式流动。一种是以液膜的形式覆盖孔道区域流动，即液膜流动模式；另一种则是液体仅包裹着碳化硅骨架进行流动，即准壁流模式。

图5　泡沫碳化硅波纹片上的液体流动行为Fig.5　Liquid flow situation in SCFP sheet （4*3Y）

图6　泡沫碳化硅波纹片上的液体流动模式Fig.6　Liquid flow patterns in SCFP sheet （4*3Y）

研究发现，在液体流经碳化硅波纹片的过程中，两种流动模式是共同存在的。但是，当进料液体流入波纹片上的未流经区域时，优先以准壁流模式流动。造成这种现象的主要原因是：泡沫碳化硅波纹片具有独特的三维空间网孔结构，网孔间的毛细作用使液体在准壁流模式下高效地沿碳化硅骨架流动，从而比液膜流动模式流动的液体更快抵达未流经区域。

在液体进料流量不变的情况下，一段时间后（通常不超过10 s），液体在波纹片上的润湿状态将不再随时间发生变化，达到稳态。此时，波纹片上的液体润湿面积达到最大，碳化硅波纹片上的润湿网孔数达到最多。

图7所示为3种波纹片在1.2 L·h-1的液体流量下达到稳态时的液体润湿状态。可以看出，在金属板波纹片表面，液体主要在波谷处呈沟流流动。波纹片上液体扩散程度较小，少量液体在重力作用下流到格窝中铺展，极少量液体可以通过穿孔流到波纹片的另一侧。在金属丝网波纹片表面，液体呈膜状流动，液膜在波纹结构导流和重力的共同作用下以较大速度向下流动。在此过程中，液膜容易在波谷处聚集，形成沟流。液膜在丝网波纹片上以较慢的速度横向扩散，与板波纹片相比，扩散范围较宽。在泡沫碳化硅波纹片上，液体以液膜流动和准壁流两种模式同时流动，液体不会在波谷处聚集，且横向扩散非常明显。波纹片上绝大多数的孔被液体润湿，波纹片上的液体扩散程度较大。

图7　3种波纹片的液体稳态流动Fig.7　Steady state of three corrugated sheets

达到稳态时，泡沫碳化硅波纹规整填料片上的液体扩散程度（ω）可用观测区域内所有被液体润湿孔的面积加和占波纹板上所有孔的面积总和（包括润湿孔的面积Aw和非润湿孔的面积An）的百分比表示

利用Image Pro-plus软件将不同流量下3*3Y型的碳化硅波纹片在达到稳态时，润湿孔和非润湿孔的面积分别进行计算统计，得到液体扩散程度ω随液体进料量F的变化趋势，如图8所示。从图8可以看出，液体在泡沫碳化硅波纹规整填料片上的扩散程度随液体进料流量的增加而减小。从最低液体进料流量0.6 L·h-1开始，波纹片的液体扩散程度就可达到90%以上，验证了液体在泡沫碳化硅波纹规整填料片上的强扩散能力。对其余10种型号的碳化硅波纹片进行考察，同样可以得出液体扩散程度随进料流量的增加而减小的结论。

图8　不同流量下碳化硅波纹片上的液体扩散程度Fig.8　Dispersion degrees of SCFP sheet （3*3Y） under different liquid flow rates

综合比较可以发现，泡沫碳化硅波纹规整填料高效传质的原因之一，在于它独特的液体流动模式。碳化硅波纹片因具有三维空间网孔结构，使液体同时以液膜和准壁流两种模式流动。其中，准壁流模式使液体沿着碳化硅骨架高效扩散，增强了波纹片上液体扩散能力的同时，也最大程度地促进了波纹片正反两侧的液体交换。液膜流动则通过形成厚度均匀的液膜，增加了气液相接触的有效面积，进而强化气液两相间的传质。

2.2组合波纹片之间的液体传递特性

波纹规整填料是由多个单波纹片平行叠加结合而成，相邻波纹片通过波峰处的接触点连接。液体通过波纹二面角和波峰接触点，从一块波纹片流动到其相邻的波纹片，进而实现波纹片之间的液体流动［21］。因此，波纹片之间的液体传递对液相在填料塔内的均匀分布，以及气液传质均具有重要意义。

图9所示为稳态下3种填料组合波纹片上，进料液体传递到副板上的体积分数θ随液体进料流量F的变化趋势。θ值越大，表明有越多的进料液体从主板传递到副板，进而说明液体在组合波纹片之间的传递性能越好。

图9　组合波纹片的液体传递性能Fig.9　Liquid transportation capabilities of three kinds of combined corrugated sheets

从图9中可以看出，对于泡沫碳化硅组合两块波纹片，随着进料流量F的增大，传递到副板上的液体体积分数θ逐渐减小。从0.6 L·h-1的液体进料流量开始，约有40%的液体从主板传递到副板上。而对于组合3块波纹片，θ值随F的增大而增大。当流量较小时，仅有10%左右的液体可以流动到副板上。这是因为流量较小时，液体动量较小，主板上液体仅能通过接触点传递到相邻的波纹片上，很难进一步传递到副板上。当液体流量增大到 1.8 L·h-1时，传递到副板上的液体量显著增加。

综合比较图9（a）、（b）可以发现，无论是组合两块波纹片还是组合3块波纹片，在相同的液体进料流量下，3种填料的液体传递能力大小顺序依次为：泡沫碳化硅波纹规整填料＞单层无孔金属丝网波纹填料＞穿孔金属板波纹填料。其中，金属板波纹填料的液体传递量明显低于泡沫碳化硅填料和丝网填料。

造成这种现象的主要原因是：一方面，液体在泡沫碳化硅波纹片和丝网波纹片上以渗流形式流动，液体容易从波纹片的一侧流到另一侧，进而通过波纹二面角流到相邻的波纹片上，而液体在金属板波纹填料上仅能通过开孔实现从波纹片的一侧流到另一侧；另一方面，泡沫碳化硅填料和金属丝网填料的组合波纹片在接触点处具有网孔结构，这种结构所产生的毛细作用也促进了液体从主板到副板上的传递，而金属板波纹片的接触点附近并没有这种可以产生毛细作用的网孔结构，液体仅依靠自身动量和重力作用进行传递。在多孔介质中，毛细压力是液滴进入孔道的必要推动力，且孔径越小，孔内的毛细压力越大。随着液体对泡沫碳化硅填料上孔的润湿，孔内未润湿部分的直径越来越小，作为液体润湿推动力的毛细压力越来越大。因此，泡沫碳化硅填料的三维网孔结构比金属丝网填料的单层网孔结构具有更强的毛细作用，进而在3种填料中具有最强的液体传递能力。

3　结　论

本研究对泡沫碳化硅波纹规整填料、单层无孔金属丝网波纹填料和穿孔金属板波纹填料的液体流动特性和液体传递特性进行了实验和比较，从实验结果可以得到如下结论。

（1）泡沫碳化硅波纹规整填料上同时存在两种液体流动模式：液膜流动模式和准壁流模式。其中，液膜流动模式保证了液膜均匀和气液接触面积，准壁流模式增强了泡沫碳化硅波纹片上的液体横向扩散能力。

（2）液体在泡沫碳化硅波纹规整填料上的渗流流动以及接触点处的毛细作用，促进了液体在同一填料单元内不同波纹片之间的传递和交换，进而促进了液相在填料内的均匀分布。

（3）泡沫碳化硅波纹规整填料片的单片液体扩散程度大，组合波纹片之间的液体传递体积分数高于单层金属丝网波纹片和穿孔金属板波纹片。

（4）泡沫碳化硅波纹规整填料因具有三维空间网孔结构，在液体流动特性和液体传递特性上比传统填料更具优势，这也是泡沫碳化硅波纹规整填料实现高效传质的根本原因。

符号说明

An，Aw——分别为稳态下非润湿孔和润湿孔的面积，m2

F ——液体进料流量，L·h-1

θ ——组合波纹板上从主板传递到副板的液体体积分数，%

ω ——稳态下泡沫碳化硅波纹规整填料片上的液体扩散程度，%

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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。

联系人：高鑫。第一作者：刘巧钰（1991—），女，硕士研究生。

国家自然科学基金项目（21336007）；国家重点基础研究发展计划项目（2012CB215005）；国家高技术研究发展计划项目（2015AA03A602）；天津市科技支撑计划重点项目（15ZCZDGX00330）。

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