胡劍光，劉佳特，王成，于建國(guó)，戴干策

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

絲網(wǎng)填料因其高通量、低操作壓降、高分離效率等一系列優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)，一直在化工塔填料中占據(jù)著重要地位。對(duì)于絲網(wǎng)填料表面液體運(yùn)動(dòng)及氣液接觸方式的描述，始見(jiàn)于 Stedman[1]的研究，認(rèn)為絲網(wǎng)填料表面排布的細(xì)密網(wǎng)絲會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的毛細(xì)力，有利于液體均勻分布；而絲網(wǎng)通透的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能有效促進(jìn)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(wǎng)絲直徑對(duì)填料性能影響，發(fā)現(xiàn)粗網(wǎng)絲可通過(guò)增加湍動(dòng)來(lái)提高效率，但支撐液膜的能力不如細(xì)網(wǎng)絲。Huber等[4]認(rèn)為絲網(wǎng)填料良好的傳質(zhì)性能是因?yàn)橐耗け?，且液體在通道匯合處因混合會(huì)誘導(dǎo)湍流。McGlamery[5]以水和乙二醇為實(shí)驗(yàn)物系，觀察了不銹鋼絲網(wǎng)液體流動(dòng)行為。

對(duì)于絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的潤(rùn)濕性能研究，Sulzer[6]提出了“自潤(rùn)濕材料”的概念，即在諸如金屬絲增強(qiáng)的紡織纖維或在織造絲布上進(jìn)行粗糙化處理，材料能實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)濕，并在此基礎(chǔ)上提出了材料是否具備自潤(rùn)濕特性的判別式。Huber等[7]認(rèn)為絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)效應(yīng)能使得其表面達(dá)到完全潤(rùn)濕，但 Meier[8]后來(lái)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)操作物系為水溶液時(shí)，不銹鋼金屬絲網(wǎng)表面不能很好地被潤(rùn)濕，表明僅靠絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)自身的毛細(xì)作用無(wú)法達(dá)到很好的潤(rùn)濕效果，為此，Meier等[9]在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了開(kāi)孔及細(xì)條紋設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了絲網(wǎng)表面潤(rùn)濕性能。Chen等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：與平板成膜類似，當(dāng)絲網(wǎng)表面已經(jīng)被潤(rùn)濕時(shí)，液體成膜性良好，此時(shí)毛細(xì)作用影響不大。此外，他們指出絲網(wǎng)表面織態(tài)結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)材料的潤(rùn)濕性。Huber[11]研究了開(kāi)孔形狀對(duì)絲網(wǎng)成膜性影響，發(fā)現(xiàn)矩形孔易導(dǎo)致溝流，而三角形孔有利于成膜。

近年來(lái)，在絲網(wǎng)填料研究方面，賈紹義等[12]為提高金屬絲網(wǎng)填料對(duì)高表面張力（如水、甘油）物系的潤(rùn)濕性，采用液相化學(xué)法對(duì)填料表面進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填料經(jīng)表面處理后傳質(zhì)效率提高了8%～11%，而流體力學(xué)性能未發(fā)生明顯變化。在新型高效絲網(wǎng)填料開(kāi)發(fā)方面，一些研究者[13-17]開(kāi)發(fā)了高比表面積（900～2500 m2·m-3）絲網(wǎng)填料，并對(duì)其性能及適宜操作條件進(jìn)行了報(bào)道。此外，李洪等[18]為研究液相在波紋片上的流動(dòng)方式對(duì)填料性能的影響，考察了4種絲網(wǎng)填料的流體力學(xué)及傳質(zhì)性能。發(fā)現(xiàn)雙層錯(cuò)孔絲網(wǎng)填料因其液相流動(dòng)兼具滲流和膜狀流動(dòng)的特點(diǎn)，有利于波紋片兩側(cè)液體交換，強(qiáng)化液體在流動(dòng)過(guò)程中的擾動(dòng)。

綜上所述，現(xiàn)有對(duì)絲網(wǎng)填料表面液膜流動(dòng)行為，雖已認(rèn)識(shí)到絲網(wǎng)填料優(yōu)異性能與其上液膜流動(dòng)行為密切相關(guān)[19-20]，但對(duì)其僅做了初步觀察，至今無(wú)系統(tǒng)研究。值得一提的是，現(xiàn)有絲網(wǎng)填料孔徑多為40～80目（0.18～0.38 mm），絲徑為0.16～0.25 mm，而對(duì)網(wǎng)孔尺寸選取依據(jù)以及不同尺寸液膜流動(dòng)及傳質(zhì)差異，以及絲網(wǎng)表面與固體壁面液膜流動(dòng)行為差異，亦未見(jiàn)有詳細(xì)報(bào)道。為此，本文進(jìn)行了固體壁面及不同孔徑絲網(wǎng)板液膜流動(dòng)行為研究，考察不同網(wǎng)孔尺寸液膜流動(dòng)行為差異，并在此基礎(chǔ)上采用二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)考察網(wǎng)孔尺寸對(duì)其傳質(zhì)性能的影響，以期為現(xiàn)有絲網(wǎng)填料的選用及新型絲網(wǎng)填料的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本工作實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。液膜流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)流體自高位槽從測(cè)試板兩端加入，待流動(dòng)穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄測(cè)試板網(wǎng)孔中心液膜厚度，實(shí)驗(yàn)中高位槽液位始終保持恒定。CO2吸收實(shí)驗(yàn)中，CO2和空氣經(jīng)水蒸氣飽和后，在氣體混合室內(nèi)充分混合，再由氣液接觸室的底部進(jìn)入，與吸收劑反應(yīng)后從接觸室頂端流出，流出的氣體經(jīng)干燥進(jìn)入CO2紅外分析儀。為保證氣液兩相接觸時(shí)吸收液流量的穩(wěn)定，吸收液先由儲(chǔ)液罐經(jīng)離心泵送至高位槽保持恒定壓力，再經(jīng)高位槽進(jìn)入氣液接觸室。本實(shí)驗(yàn)所用測(cè)試板尺寸為130 mm×600 mm，其中兩側(cè)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(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試板

考慮到網(wǎng)絲表面處理情況可能會(huì)對(duì)液膜流動(dòng)產(chǎn)生影響，本實(shí)驗(yàn)使用絲網(wǎng)板網(wǎng)絲均為無(wú)特殊處理的光滑304型不銹鋼絲，形成的網(wǎng)孔單元為正方形。不同測(cè)試板絲徑及孔徑如表1所示，此外還增加一光滑板作為對(duì)照，為保證各實(shí)驗(yàn)板良好的潤(rùn)濕性，每次實(shí)驗(yàn)前用丙酮進(jìn)行擦洗。

表1 測(cè)試板幾何尺寸Table 1 Wire diameter and mesh size for several test plates

1.3 實(shí)驗(yàn)試劑及分析儀器

液膜流動(dòng)測(cè)定采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0、63%、68%及71%甘油-水溶液作為實(shí)驗(yàn)物系，該物系保證實(shí)驗(yàn)流體有較寬黏度范圍而相應(yīng)的表面張力不發(fā)生明顯變化。實(shí)驗(yàn)所用甘油為分析純，純度大于98%，購(gòu)自上海凌峰化學(xué)試劑有限公司，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，由華東理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與裝備處提供。液膜厚度采用德國(guó)Precitec公司生產(chǎn)的CHR S測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量并記錄，該系統(tǒng)屬非接觸式直接測(cè)量。測(cè)量精度為0.1 μm, 采樣頻率1000 HZ，采樣時(shí)間36 s。具體測(cè)量原理見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。溶液的黏度由美國(guó)TA公司生產(chǎn)的ARES高級(jí)流變儀測(cè)得，測(cè)量精度為±0.1 mPa·s，表面張力由上海中晨數(shù)字技術(shù)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JK99C型全自動(dòng)張力儀測(cè)得，測(cè)量精度為±0.01 mN·m-1。物性參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)使用0.1 mol·L-1NaOH水溶液為吸收劑，實(shí)驗(yàn)所用的二氧化碳分析設(shè)備為北京市華云分析儀器研究所有限公司生產(chǎn)的GXH-3010E1型便攜式紅外分析儀，測(cè)量精度為±0.1%。

1.4 實(shí)驗(yàn)操作

在板上液膜流動(dòng)性考察實(shí)驗(yàn)中，為避免測(cè)試板在小液量下產(chǎn)生“干區(qū)”，需先進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕操作，即將流量調(diào)到較大值直至測(cè)試板完全潤(rùn)濕，再減至實(shí)驗(yàn)設(shè)定值。待板上液體流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后開(kāi)始膜厚測(cè)定?？紤]到現(xiàn)有填料層高度一般在15～30 cm，故本實(shí)驗(yàn)將膜厚測(cè)量位置設(shè)為測(cè)試板垂直中心線距液體入口10～30cm處。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次且相鄰兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異小于5%。

氣體吸收實(shí)驗(yàn)操作及噴淋密度計(jì)算方法同文獻(xiàn)[22]。上述兩實(shí)驗(yàn)壓力為101.325 kPa，實(shí)驗(yàn)溫度為(25±0.3)℃。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 光滑板與絲網(wǎng)板液膜流動(dòng)差異

2.1.1 沿流動(dòng)方向瞬時(shí)膜厚 圖2為Re=37時(shí)，光滑板（左）及絲網(wǎng)板板 2（右）距液體進(jìn)口分別為10、15及25 cm處的瞬時(shí)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(wú)明顯波動(dòng)，平均膜厚為0.19 mm；此處板2可觀察到液膜小幅波動(dòng)，且平均膜厚高于光滑板，為0.25 mm。在離入口15 cm處，可見(jiàn)兩者波形出現(xiàn)明顯差異，對(duì)于光滑板，此處開(kāi)始出現(xiàn)準(zhǔn)周期波，波峰為波谷膜厚的3倍；而對(duì)于板2，液膜波動(dòng)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(xiàn)孤波和毛細(xì)波的組合波，波峰為波谷膜厚的3.5～4倍，而此時(shí)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(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)液膜波動(dòng)存在抑制作用。

圖2 Re=37時(shí)光滑板及絲網(wǎng)板離進(jìn)口不同位置處瞬時(shí)膜厚Fig.2 Instantaneous film thickness for smooth plate and plate 2 atRe=37

圖3 不同Re下兩種結(jié)構(gòu)測(cè)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(dòng)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(jìn)行比較。由比較結(jié)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(jìn)口段，液膜波動(dòng)較小，與Nussel模型假設(shè)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(jìn)一步比較兩板不同位置處的膜厚變化發(fā)現(xiàn)，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(yīng)的膜厚有所減小。而板2由于網(wǎng)絲能產(chǎn)生較強(qiáng)的毛細(xì)作用，有效削弱了重力對(duì)下降液膜流速的促進(jìn)作用，因而膜厚沿流動(dòng)方向變化不大。

2.1.3 沿流動(dòng)方向波動(dòng)振幅 為進(jìn)一步考察兩種結(jié)構(gòu)壁面降膜流動(dòng)差異以及液膜在流動(dòng)方向上波動(dòng)演變規(guī)律，測(cè)定了兩板在不同Re下距液體入口10～30 cm處波動(dòng)振幅，結(jié)果如圖4所示。本文波動(dòng)振幅定義同文獻(xiàn)[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(dòng)振幅變化規(guī)律可知，兩板波動(dòng)振幅整體上隨Re及距進(jìn)口位置的增加而有所增加。對(duì)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(dòng)振幅為10 cm處的2～4倍，而在距入口30 cm處的波動(dòng)振幅幾乎與25 cm處相當(dāng)，表明在Re<120條件下，液膜下降25 cm左右時(shí)波動(dòng)已達(dá)到充分發(fā)展。此外，根據(jù)波幅隨Re變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，光滑板在Re<80時(shí)，波幅隨Re增大增幅明顯，后隨Re進(jìn)一步增加，增幅顯著減小，以離入口15 cm處的波動(dòng)振幅隨Re變化為例，當(dāng)Re由 20增加到 80時(shí)，相應(yīng)的波幅增加了153.8%，而當(dāng)Re由80繼續(xù)增至120時(shí)，相應(yīng)的波幅僅增加了 15.2%，表明對(duì)于光滑板，流量增加僅在一定Re下（Re<80）能夠有效促進(jìn)波動(dòng)。由于下降液膜實(shí)際為3維流動(dòng)，且存在明顯波動(dòng)，兩者作用會(huì)導(dǎo)致同一橫截面不同位置處的液量及波幅并非嚴(yán)格相等，而本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)測(cè)定某一特定位置處的瞬時(shí)膜厚來(lái)表征波動(dòng)特性，因而當(dāng)兩實(shí)驗(yàn)條件下的Re較為接近[如圖4(a)Re由70增加到80]時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)定點(diǎn)局部位置處較小Re下的波幅等于甚至略大于較大Re時(shí)的測(cè)定值。

對(duì)于絲網(wǎng)板（板2），其液膜波動(dòng)特性較光滑板又呈現(xiàn)出一些新的特點(diǎn)，首先，距入口不同位置處的波動(dòng)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(dāng)Re=100時(shí)，距入口30 cm處的波幅較10 cm處僅增加14.3%，而對(duì)應(yīng)的光滑板這一比值為200%，表明絲網(wǎng)板“進(jìn)口段效應(yīng)”較光滑板小，液膜在板各處波動(dòng)狀況接近。另外，與光滑板類似，在Re<80時(shí)，波幅隨Re增大出現(xiàn)陡增，后隨Re進(jìn)一步增加，增幅迅速減小，甚至出現(xiàn)距入口位置較近處的波幅大于較遠(yuǎn)處的波幅值，這可能是由于液膜因網(wǎng)絲阻滯造成擾動(dòng)，且這種擾動(dòng)隨著液膜流速的增加而變得明顯，進(jìn)而改變了液膜原有的波動(dòng)特性。以距入口30 cm處為例，當(dāng)Re由 20增加到 80時(shí)，相應(yīng)的波幅增加了近400%，而當(dāng)Re由80繼續(xù)增至120時(shí)，相應(yīng)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(dòng)對(duì)液量更為敏感。

2.2 不同孔徑絲網(wǎng)板液膜流動(dòng)

圖5 Re=168時(shí)測(cè)試板瞬時(shí)膜厚Fig.5 Instantaneous film thicknessvsflow time for several test plates atRe=168

2.2.1 瞬時(shí)膜厚 以去離子水為流體介質(zhì)，測(cè)定了上述各孔徑絲網(wǎng)板及光滑板在成膜條件下膜厚隨流動(dòng)時(shí)間的變化，其中Re=168時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示。由圖可知，不同網(wǎng)孔尺寸絲網(wǎng)板液膜流動(dòng)差異頗大。對(duì)于板 1，其流動(dòng)情況整體上與光滑板相似，板上液膜流動(dòng)較為復(fù)雜，可見(jiàn)到大振幅波與不規(guī)則小振幅波大量共存，最大膜厚為襯底膜厚的3～4倍。當(dāng)網(wǎng)孔尺寸由板1增加到板2時(shí)，波形較板1變得清晰，同時(shí)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(jìn)一步增大網(wǎng)孔尺寸至板 3，波形進(jìn)一步變得規(guī)則，板上襯底膜厚較板1及板2出現(xiàn)明顯增加，最大膜厚為襯底膜厚2倍。對(duì)于板4，較板3可發(fā)現(xiàn)襯底膜厚出現(xiàn)明顯下降，同時(shí)波動(dòng)頻率進(jìn)一步增加，開(kāi)始出現(xiàn)規(guī)則的孤立波，最大膜厚可達(dá)襯底膜厚8～10倍。隨著網(wǎng)孔尺寸進(jìn)一步增大至板 5，此時(shí)最大膜厚為襯底膜厚的5～6倍。當(dāng)網(wǎng)孔尺寸增大至13.0 mm時(shí)（板6），最大膜厚僅為最小膜厚的2～3倍。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，網(wǎng)孔尺寸對(duì)絲網(wǎng)表面液膜流動(dòng)存在較大影響，隨網(wǎng)孔尺寸的增加，液膜流動(dòng)出現(xiàn)襯底膜厚及波動(dòng)振幅先增大后減小的變化趨勢(shì)，為研究?jī)烧叽嬖诘膬?nèi)在聯(lián)系，還需進(jìn)一步考察網(wǎng)孔尺寸對(duì)各流動(dòng)參數(shù)影響。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)偏差及波動(dòng)振幅 液膜波動(dòng)劇烈程度一般可用液膜厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差及波動(dòng)振幅來(lái)衡量，兩者定義同文獻(xiàn)[23]。在上述實(shí)驗(yàn)條件下（去離子水，Re=168），不同實(shí)驗(yàn)板對(duì)應(yīng)的波動(dòng)振幅及標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，波動(dòng)振幅與標(biāo)準(zhǔn)偏差變化規(guī)律整體一致：首先，光滑板與板1較為接近，兩者差異不超過(guò)2%。其次，絲網(wǎng)板波動(dòng)振幅與標(biāo)準(zhǔn)偏差隨網(wǎng)孔尺寸的增加出現(xiàn)了先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)網(wǎng)孔尺寸由0.3 mm增加到3.0 mm，液膜波動(dòng)振幅及標(biāo)準(zhǔn)偏差分別增加了92.8%及103.5%；后隨網(wǎng)孔尺寸的進(jìn)一步增加，即由3.0 mm增加到13.0 mm，相應(yīng)的波動(dòng)振幅及標(biāo)準(zhǔn)偏差分別下降 19.8%及 40.6%，這表明絲網(wǎng)板液膜波動(dòng)強(qiáng)化存在一最佳網(wǎng)孔間距，本實(shí)驗(yàn)中這一間距為網(wǎng)絲直徑的12～13倍。

圖6 Re=168時(shí)測(cè)試板波動(dòng)振幅及標(biāo)準(zhǔn)偏差Fig.6 Wave amplitude and standard deviation of liquid film over several test plates atRe=168

2.2.3 波動(dòng)頻率 上述實(shí)驗(yàn)條件下（去離子水，Re=168），不同實(shí)驗(yàn)板對(duì)應(yīng)的波動(dòng)頻率如圖7所示。由圖可發(fā)現(xiàn)，板1波動(dòng)頻率為14 Hz，略小于光滑板16 Hz。與波動(dòng)振幅隨網(wǎng)孔尺寸變化規(guī)律類似，波動(dòng)頻率隨網(wǎng)孔尺寸的增加亦出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。當(dāng)網(wǎng)孔尺寸由0.3增加到2.0 mm，波動(dòng)頻率由14 Hz增加至22 Hz，后隨網(wǎng)孔尺寸的進(jìn)一步增加，波動(dòng)頻率出現(xiàn)下降，當(dāng)網(wǎng)孔尺寸為13.0 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的波動(dòng)頻率下降至14 Hz。

圖7 Re=168時(shí)測(cè)試板波動(dòng)頻率Fig.7 Wave frequency of liquid film over several test plates atRe=168

2.3 黏度影響

為進(jìn)一步考察操作物系黏度對(duì)絲網(wǎng)板上膜厚的影響，測(cè)定了不同流量下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0～71%（相應(yīng)溶液黏度為0.9～21.1 mPa·s）甘油水溶液平均膜厚，結(jié)果如圖8(a)～(d)所示。需要指出的是，對(duì)于板 6，因受本實(shí)驗(yàn)條件限制，在高黏條件下所需成膜流量無(wú)法滿足，因而未給出相應(yīng)的膜厚。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，不同黏度下板上平均膜厚隨測(cè)試板網(wǎng)孔尺寸的增加均出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)網(wǎng)孔尺寸≤2 mm時(shí)，膜厚隨網(wǎng)孔尺寸的增加逐步增大，后隨著網(wǎng)孔尺寸的進(jìn)一步增大，膜厚逐步減小。通過(guò)與Nusselt膜厚比較發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)條件下，光滑板與板1與Nusselt膜厚吻合較好，最大誤差不超過(guò)7%，表明采用Nusselt理論能夠較好預(yù)測(cè)上述兩板膜厚。此外，對(duì)于板 5，當(dāng)物系黏度為0.9 mPa·s 時(shí)，其膜厚為Nusselt膜厚的1.107倍，當(dāng)黏度增加至10.6～21.1 mPa·s時(shí)，其膜厚僅為Nusselt膜厚的46.7%～57.4%，表明對(duì)于該網(wǎng)孔尺寸，物系黏度對(duì)其膜厚影響較為顯著。

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

板上膜厚隨絲網(wǎng)尺寸的增大出現(xiàn)先增大后減小的變化特點(diǎn)，主要是由于液膜在下降過(guò)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(wǎng)絲產(chǎn)生，而形體阻力則產(chǎn)生于與流動(dòng)方向垂直的網(wǎng)絲對(duì)液膜的阻滯。當(dāng)網(wǎng)孔尺寸較小時(shí)，此時(shí)液橋力表現(xiàn)得較為明顯，由 Washburn方程可知，液膜毛細(xì)流動(dòng)速率隨網(wǎng)孔尺寸的減小而減小，因而小尺寸絲網(wǎng)膜厚大于光滑板；隨著網(wǎng)孔增大，液橋力迅速減小，而慣性力與形體阻力效應(yīng)逐步體現(xiàn)，液膜厚度一方面隨慣性力作用下在流動(dòng)方向上存在減薄趨勢(shì)，另一方面因形體阻力發(fā)生局部增厚，若網(wǎng)孔尺寸小于形體阻力影響區(qū)域，則有可能使得增厚效應(yīng)大于減薄效應(yīng)，最終出現(xiàn)液膜整體增厚，反之，液膜則出現(xiàn)減薄。

2.4 膜厚擬合

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，絲網(wǎng)板上液膜厚度與液體物性，操作流量以及網(wǎng)孔特征尺寸（孔徑D）均有關(guān)，因而將膜厚表達(dá)成如下形式

式中，δ0為Nusselt膜厚，表達(dá)式為

U0為基于Nusselt理論的液膜平均流速

采用Matlab程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果按式（1）進(jìn)行擬合，相應(yīng)的關(guān)聯(lián)系數(shù)及預(yù)測(cè)值與測(cè)量值相對(duì)偏差(SD)如表3所示，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)一步比較見(jiàn)圖9，兩者比較結(jié)果顯示93%的實(shí)驗(yàn)值在預(yù)測(cè)值±20%范圍內(nèi)，表明采用上述表達(dá)式能夠較好地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，表達(dá)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(guān)聯(lián)參數(shù)Table 3 Correction of measured film thickness

圖9 實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值比較結(jié)果Fig.9 Comparison of experimental data with values predicted by Eq.(1)

2.5 傳質(zhì)性能

根據(jù)文獻(xiàn)[24]，0.1 mol·L-1NaOH溶液吸收體積分?jǐn)?shù)為 15%～45% CO2為一典型的液膜控制過(guò)程，其液相傳質(zhì)系數(shù)kLa計(jì)算方法同文獻(xiàn)[22]。

由于在上述噴淋密度下，僅板 1、板 2、板 3及板4能夠穩(wěn)定成膜，因而僅給出板1～板4kLa實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖10所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，測(cè)試板傳質(zhì)效率整體上隨絲網(wǎng)尺寸的減小而增加。當(dāng)液體噴淋密度為 30 m3·m-2·h-1時(shí)，板1、板2及板3kLa值分別為板4的2.55、1.36和1.15倍；當(dāng)液體噴淋密度為60 m3·m-2·h-1時(shí)，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(wǎng)孔徑的減小，絲網(wǎng)板傳質(zhì)性能提升顯著，這主要是由于單位面積上的網(wǎng)絲數(shù)隨絲網(wǎng)孔徑的減小而增加，進(jìn)而增加了氣液兩相的有效接觸面積。

由于絲網(wǎng)板內(nèi)填充的網(wǎng)絲數(shù)與其最終成本密不可分，因而單位面積網(wǎng)絲對(duì)傳質(zhì)的貢獻(xiàn)無(wú)疑是絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)選的重要依據(jù)，這里以η=kLa/S作為網(wǎng)絲經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中S為網(wǎng)絲面積，得到當(dāng)液體噴淋密度為30 m3·m-2·h-1時(shí)，板1、板2及板3η值分別為板4的63.4%、65.3%和81.0%；當(dāng)液體噴淋密度為60 m3·m-2·h-1時(shí)，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(wǎng)孔徑的增大，網(wǎng)絲利用效率顯著增加。

3 結(jié) 論

本文較為系統(tǒng)地考察了固體壁面與絲網(wǎng)壁面液膜流動(dòng)差異，以及網(wǎng)孔尺寸對(duì)降膜流動(dòng)及傳質(zhì)影響，得到如下主要結(jié)論。

（1）在較低Re下，絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)液膜波動(dòng)存在一定抑制作用。兩種結(jié)構(gòu)的壁面液膜波動(dòng)振幅整體上隨Re及距進(jìn)口位置的增加而有所增加，相比于固體壁面，絲網(wǎng)壁面在沿流動(dòng)方向不同位置處平均膜厚及波動(dòng)振幅差異更小。此外，在較低Re(Re<80)下，絲網(wǎng)板液膜波動(dòng)對(duì)液量更為敏感。

（2）Re=168時(shí)水膜瞬時(shí)波動(dòng)特性表明，隨著絲網(wǎng)孔徑的增加，板上液膜波動(dòng)振幅、標(biāo)準(zhǔn)偏差以及波動(dòng)頻率均出現(xiàn)了先增大后減小的變化趨勢(shì)，表明絲網(wǎng)板液膜波動(dòng)強(qiáng)化存在一最佳網(wǎng)孔間距，本實(shí)驗(yàn)中這一間距為網(wǎng)絲直徑的12～13倍。當(dāng)網(wǎng)孔尺寸≤2 mm時(shí)，膜厚隨網(wǎng)孔尺寸的增加逐步增大，后隨著網(wǎng)孔尺寸的進(jìn)一步增大，膜厚逐步減小。

圖10 兩噴淋密度下液相傳質(zhì)系數(shù)隨CO2體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.10 Mass transfer coefficientvsCO2volume fraction

（3）不同Re下質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～71%的甘油水溶液平均膜厚測(cè)定結(jié)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(yù)測(cè)光滑板及板1膜厚，兩者偏差不超過(guò)7%。板上平均膜厚隨網(wǎng)孔尺寸變化也存在著如結(jié)論（2）所述規(guī)律。這可能是由于液膜在下降過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著絲網(wǎng)孔徑的減小，絲網(wǎng)板傳質(zhì)性能提升顯著；而隨著絲網(wǎng)孔徑的增加，單位面積網(wǎng)絲對(duì)傳質(zhì)貢獻(xiàn)增加。

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