劉巧鈺，李洪，2，3，高鑫，2，3，李鑫鋼，2，3

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料內(nèi)的液體流動(dòng)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(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2精餾技術(shù)國家工程研究中心，天津 300072；3天津化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)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(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)了泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料內(nèi)同時(shí)存在液膜流動(dòng)和準(zhǔn)壁流兩種液體流動(dòng)模式。同時(shí)測(cè)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(guī)整填料與金屬絲網(wǎng)波紋填料和金屬板波紋規(guī)整填料的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料的單波紋片上的液體擴(kuò)散程度較大，組合波紋片之間的液體傳遞量高于金屬絲網(wǎng)波紋填料和金屬板波紋規(guī)整填料。研究結(jié)果揭示了泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料具有高效傳質(zhì)特性的根本原因在于其獨(dú)特的三維空間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了液體在單波紋片上的橫向擴(kuò)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(guī)整填料的機(jī)理研究和進(jìn)一步開發(fā)開拓了思路。

規(guī)整填料；流動(dòng)；多孔介質(zhì)；傳遞；蒸餾

引　言

近年來，新型功能材料已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，各國學(xué)者相繼對(duì)多孔介質(zhì)陶瓷材料特別是泡沫碳化硅陶瓷材料開展了多領(lǐng)域多尺度的研究。泡沫碳化硅材料具有孔隙率高、相對(duì)密度小、比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、抗氧化、耐磨蝕、熱導(dǎo)率高、抗熱振性能好、孔隙均勻可控及微波吸收能力強(qiáng)等一系列優(yōu)良特性，因而被廣泛應(yīng)用于化工、能源、環(huán)保、冶金、機(jī)械、交通、電子和國防等諸多領(lǐng)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(xué)者將泡沫碳化硅材料作為一種新型氣液傳質(zhì)元件應(yīng)用于蒸餾領(lǐng)域，并對(duì)其流體力學(xué)性能及傳質(zhì)性能做了大量的實(shí)驗(yàn)研究［6-14］。現(xiàn)有結(jié)果表明，泡沫碳化硅材料作為傳質(zhì)元件具有優(yōu)越的傳質(zhì)性能，但因塊狀碳化硅結(jié)構(gòu)緊密，通量小，壓降大，在工業(yè)中很難得到廣泛應(yīng)用［15-16］。本課題組與中國科學(xué)院金屬研究所合作，開發(fā)出新型泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料（structured corrugation foam packing SCFP，專利公開號(hào)CN102218293A），在保證其高效傳質(zhì)性能的同時(shí)，兼具了強(qiáng)耐腐蝕性、高通量、低壓降等優(yōu)點(diǎn)，為泡沫碳化硅填料在氣液傳質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)［17-18］。對(duì)其流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能的測(cè)試結(jié)果表明：與BX金屬絲網(wǎng)波紋填料相比，泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料的等板高度較低、傳質(zhì)效率較高。相同噴淋密度下，SCFP填料的理論板數(shù)為同型號(hào)BX填料的1.3～1.7倍。然而，對(duì)于泡沫碳化硅填料內(nèi)部更小尺度的氣液流動(dòng)，少有相關(guān)研究報(bào)道。

本課題組前期對(duì)泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的宏觀液體流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)試研究［18-19］，發(fā)現(xiàn)液相在波紋片上主要以滲流的形式流動(dòng)，且橫向擴(kuò)散現(xiàn)象顯著。本文在此基礎(chǔ)上，通過高速攝像儀觀察泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的液體流動(dòng)行為，測(cè)定組合波紋片之間的液體傳遞量，并與傳統(tǒng)波紋規(guī)整填料片的液體流動(dòng)性能進(jìn)行比較，深入地探索了泡沫碳化硅材料高效傳質(zhì)的機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)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(guī)整填料片上的液體流動(dòng)行為，本實(shí)驗(yàn)選取了15種不同型號(hào)的泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片進(jìn)行液體流動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)測(cè)試，波紋片的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1　泡沫碳化硅波紋填料片的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(guī)整填料片的3個(gè)重要參數(shù)。孔徑是指同一塊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(guī)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(nèi)，并用平均直徑近似表達(dá)。例如，孔徑為4 mm的泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片，其孔徑主要集中分布在 3.2～4.2 mm的范圍內(nèi)。壓縮比是指波紋片的工藝壓縮系數(shù)。在加工過程中的壓縮環(huán)節(jié)，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(shù)。波紋傾角指波紋與填料塔軸線之間的夾角，“Y”對(duì)應(yīng)的波紋傾角為 45°。泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片的型號(hào)可以用孔徑、壓縮比和波紋傾角 3個(gè)參數(shù)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(wǎng)波紋填料片和穿孔金屬板波紋填料片兩種傳統(tǒng)波紋規(guī)整填料片，與泡沫碳化硅填料片進(jìn)行對(duì)比。上述3種填料的波紋片實(shí)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(wǎng)波紋片的絲網(wǎng)厚度為0.15 mm，網(wǎng)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(jié)構(gòu)。兩種傳統(tǒng)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(dòng)行為實(shí)驗(yàn)

單波紋片上液體流動(dòng)行為的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。測(cè)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(jīng)過閥和液體流量計(jì)計(jì)量后，通過玻璃滴頭在波紋片正上方1 cm處單點(diǎn)進(jìn)料，流經(jīng)波紋片后返回液槽。實(shí)驗(yàn)前，將波紋片完全浸入清水中，保證測(cè)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(dòng)行為由一臺(tái)配備了微距鏡頭的高速攝像儀（OLYMPUS i-SPEED 3）實(shí)時(shí)記錄，并通過在線工作站儲(chǔ)存。高速攝像儀的工作參數(shù)可通過控制面板進(jìn)行調(diào)整，本實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)Fig.1　Surface texture of three corrugated sheets

圖2　單波紋片上液體流動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2　Experimental setup for test of liquid flow behavior on single corrugated sheet

本實(shí)驗(yàn)對(duì) 15種型號(hào)的泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片以及兩種傳統(tǒng)填料片進(jìn)行測(cè)試，液體進(jìn)料流量（F）范圍從0.6 L·h-1到6.0 L·h-1。調(diào)節(jié)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(dòng)行為，并與兩種傳統(tǒng)波紋填料片上液體流動(dòng)行為進(jìn)行對(duì)比。對(duì)每個(gè)流量進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

利用圖像處理軟件Image Pro-plus對(duì)拍攝圖片進(jìn)行圖像處理，處理步驟分為圖像編輯和數(shù)據(jù)采集兩部分。圖像編輯包括目標(biāo)區(qū)域選取、角度調(diào)整、尺寸裁剪和圖像輸出，數(shù)據(jù)采集包括對(duì)象獲取、計(jì)算統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出。在數(shù)據(jù)采集步驟中，借助軟件自帶的標(biāo)定工具為拍攝圖像添加標(biāo)尺。

1.3組合波紋片之間的液體傳遞行為實(shí)驗(yàn)

組合波紋片之間的液體傳遞行為實(shí)驗(yàn)裝置（圖3）與單波紋片上液體流動(dòng)行為的實(shí)驗(yàn)裝置大體相同，不同之處在于每個(gè)波紋片下方設(shè)置單獨(dú)的集液裝置，液體在流經(jīng)組合波紋片之后，由各個(gè)集液器分別進(jìn)行收集。

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

本實(shí)驗(yàn)針對(duì)3種波紋規(guī)整填料分別測(cè)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(cè)試液體進(jìn)料流量范圍從0.6 L·h-1到6.0 L·h-1，對(duì)每個(gè)流量進(jìn)行多次測(cè)量。實(shí)驗(yàn)過程中，液體以單點(diǎn)形式進(jìn)料且僅在組合波紋片中的一塊波紋片上進(jìn)料，稱這塊有液體進(jìn)料的波紋片為主板，稱距離主板最遠(yuǎn)的單波紋片為副板。通過測(cè)量相同時(shí)間內(nèi)，副板下方集液器內(nèi)的液體體積和流經(jīng)玻璃滴頭的液體進(jìn)料總體積，計(jì)算得到從主板傳遞到副板的液體體積分?jǐn)?shù)（θ）。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1單波紋片上液體流動(dòng)特性

泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片是由成千上萬的孔組成，本文將孔抽象為一個(gè)由碳化硅骨架圍成的正八邊形，并針對(duì)液體在泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的流動(dòng)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(dòng)模式假說Fig.4　Hypotheses on possible liquid flow patterns in SiC corrugated sheet

（1）液膜流動(dòng)模式（liquid film pattern）：液相占據(jù)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(jìn)行接觸和傳質(zhì)。

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

對(duì)比兩種液體流動(dòng)模式可以發(fā)現(xiàn)，液膜流動(dòng)模式的優(yōu)勢(shì)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(jìn)而強(qiáng)化傳質(zhì)。準(zhǔn)壁流模式的優(yōu)勢(shì)在于，液體不需要通過在孔上鋪展成膜流動(dòng)到相鄰的孔，而是完全沿著三維貫通的碳化硅骨架流動(dòng)，液體可以高效地在波紋片上進(jìn)行橫向擴(kuò)散。

在1.2 L·h-1的液體流量下，4*3Y型泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的液體流動(dòng)行為如圖5所示。利用Image Pro-plus軟件將液體進(jìn)料前后的拍攝圖像作差，將碳化硅骨架部分變?yōu)榛疑尘?，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(dòng)。一種是以液膜的形式覆蓋孔道區(qū)域流動(dòng)，即液膜流動(dòng)模式；另一種則是液體僅包裹著碳化硅骨架進(jìn)行流動(dòng)，即準(zhǔn)壁流模式。

圖5　泡沫碳化硅波紋片上的液體流動(dòng)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(dòng)模式Fig.6　Liquid flow patterns in SCFP sheet （4*3Y）

研究發(fā)現(xiàn)，在液體流經(jīng)碳化硅波紋片的過程中，兩種流動(dòng)模式是共同存在的。但是，當(dāng)進(jìn)料液體流入波紋片上的未流經(jīng)區(qū)域時(shí)，優(yōu)先以準(zhǔn)壁流模式流動(dòng)。造成這種現(xiàn)象的主要原因是：泡沫碳化硅波紋片具有獨(dú)特的三維空間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，網(wǎng)孔間的毛細(xì)作用使液體在準(zhǔn)壁流模式下高效地沿碳化硅骨架流動(dòng)，從而比液膜流動(dòng)模式流動(dòng)的液體更快抵達(dá)未流經(jīng)區(qū)域。

在液體進(jìn)料流量不變的情況下，一段時(shí)間后（通常不超過10 s），液體在波紋片上的潤濕狀態(tài)將不再隨時(shí)間發(fā)生變化，達(dá)到穩(wěn)態(tài)。此時(shí)，波紋片上的液體潤濕面積達(dá)到最大，碳化硅波紋片上的潤濕網(wǎng)孔數(shù)達(dá)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(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的液體潤濕狀態(tài)?？梢钥闯?，在金屬板波紋片表面，液體主要在波谷處呈溝流流動(dòng)。波紋片上液體擴(kuò)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(cè)。在金屬絲網(wǎng)波紋片表面，液體呈膜狀流動(dòng)，液膜在波紋結(jié)構(gòu)導(dǎo)流和重力的共同作用下以較大速度向下流動(dòng)。在此過程中，液膜容易在波谷處聚集，形成溝流。液膜在絲網(wǎng)波紋片上以較慢的速度橫向擴(kuò)散，與板波紋片相比，擴(kuò)散范圍較寬。在泡沫碳化硅波紋片上，液體以液膜流動(dòng)和準(zhǔn)壁流兩種模式同時(shí)流動(dòng)，液體不會(huì)在波谷處聚集，且橫向擴(kuò)散非常明顯。波紋片上絕大多數(shù)的孔被液體潤濕，波紋片上的液體擴(kuò)散程度較大。

圖7　3種波紋片的液體穩(wěn)態(tài)流動(dòng)Fig.7　Steady state of three corrugated sheets

達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的液體擴(kuò)散程度（ω）可用觀測(cè)區(qū)域內(nèi)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(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，潤濕孔和非潤濕孔的面積分別進(jìn)行計(jì)算統(tǒng)計(jì)，得到液體擴(kuò)散程度ω隨液體進(jìn)料量F的變化趨勢(shì)，如圖8所示。從圖8可以看出，液體在泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的擴(kuò)散程度隨液體進(jìn)料流量的增加而減小。從最低液體進(jìn)料流量0.6 L·h-1開始，波紋片的液體擴(kuò)散程度就可達(dá)到90%以上，驗(yàn)證了液體在泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的強(qiáng)擴(kuò)散能力。對(duì)其余10種型號(hào)的碳化硅波紋片進(jìn)行考察，同樣可以得出液體擴(kuò)散程度隨進(jìn)料流量的增加而減小的結(jié)論。

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

綜合比較可以發(fā)現(xiàn)，泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料高效傳質(zhì)的原因之一，在于它獨(dú)特的液體流動(dòng)模式。碳化硅波紋片因具有三維空間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，使液體同時(shí)以液膜和準(zhǔn)壁流兩種模式流動(dòng)。其中，準(zhǔn)壁流模式使液體沿著碳化硅骨架高效擴(kuò)散，增強(qiáng)了波紋片上液體擴(kuò)散能力的同時(shí)，也最大程度地促進(jìn)了波紋片正反兩側(cè)的液體交換。液膜流動(dòng)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(jìn)而強(qiáng)化氣液兩相間的傳質(zhì)。

2.2組合波紋片之間的液體傳遞特性

波紋規(guī)整填料是由多個(gè)單波紋片平行疊加結(jié)合而成，相鄰波紋片通過波峰處的接觸點(diǎn)連接。液體通過波紋二面角和波峰接觸點(diǎn)，從一塊波紋片流動(dòng)到其相鄰的波紋片，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波紋片之間的液體流動(dòng)［21］。因此，波紋片之間的液體傳遞對(duì)液相在填料塔內(nèi)的均勻分布，以及氣液傳質(zhì)均具有重要意義。

圖9所示為穩(wěn)態(tài)下3種填料組合波紋片上，進(jìn)料液體傳遞到副板上的體積分?jǐn)?shù)θ隨液體進(jìn)料流量F的變化趨勢(shì)。θ值越大，表明有越多的進(jìn)料液體從主板傳遞到副板，進(jìn)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(duì)于泡沫碳化硅組合兩塊波紋片，隨著進(jìn)料流量F的增大，傳遞到副板上的液體體積分?jǐn)?shù)θ逐漸減小。從0.6 L·h-1的液體進(jìn)料流量開始，約有40%的液體從主板傳遞到副板上。而對(duì)于組合3塊波紋片，θ值隨F的增大而增大。當(dāng)流量較小時(shí)，僅有10%左右的液體可以流動(dòng)到副板上。這是因?yàn)榱髁枯^小時(shí)，液體動(dòng)量較小，主板上液體僅能通過接觸點(diǎn)傳遞到相鄰的波紋片上，很難進(jìn)一步傳遞到副板上。當(dāng)液體流量增大到 1.8 L·h-1時(shí)，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(fā)現(xiàn)，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(jìn)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(guī)整填料＞單層無孔金屬絲網(wǎng)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(wǎng)填料。

造成這種現(xiàn)象的主要原因是：一方面，液體在泡沫碳化硅波紋片和絲網(wǎng)波紋片上以滲流形式流動(dòng)，液體容易從波紋片的一側(cè)流到另一側(cè)，進(jìn)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(shí)現(xiàn)從波紋片的一側(cè)流到另一側(cè)；另一方面，泡沫碳化硅填料和金屬絲網(wǎng)填料的組合波紋片在接觸點(diǎn)處具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的毛細(xì)作用也促進(jìn)了液體從主板到副板上的傳遞，而金屬板波紋片的接觸點(diǎn)附近并沒有這種可以產(chǎn)生毛細(xì)作用的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，液體僅依靠自身動(dòng)量和重力作用進(jìn)行傳遞。在多孔介質(zhì)中，毛細(xì)壓力是液滴進(jìn)入孔道的必要推動(dòng)力，且孔徑越小，孔內(nèi)的毛細(xì)壓力越大。隨著液體對(duì)泡沫碳化硅填料上孔的潤濕，孔內(nèi)未潤濕部分的直徑越來越小，作為液體潤濕推動(dòng)力的毛細(xì)壓力越來越大。因此，泡沫碳化硅填料的三維網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)比金屬絲網(wǎng)填料的單層網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的毛細(xì)作用，進(jìn)而在3種填料中具有最強(qiáng)的液體傳遞能力。

3　結(jié)　論

本研究對(duì)泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料、單層無孔金屬絲網(wǎng)波紋填料和穿孔金屬板波紋填料的液體流動(dòng)特性和液體傳遞特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論。

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

（2）液體在泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料上的滲流流動(dòng)以及接觸點(diǎn)處的毛細(xì)作用，促進(jìn)了液體在同一填料單元內(nèi)不同波紋片之間的傳遞和交換，進(jìn)而促進(jìn)了液相在填料內(nèi)的均勻分布。

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

（4）泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料因具有三維空間網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，在液體流動(dòng)特性和液體傳遞特性上比傳統(tǒng)填料更具優(yōu)勢(shì)，這也是泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料實(shí)現(xiàn)高效傳質(zhì)的根本原因。

符號(hào)說明

An，Aw——分別為穩(wěn)態(tài)下非潤濕孔和潤濕孔的面積，m2

F ——液體進(jìn)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?jǐn)?shù)，%

ω ——穩(wěn)態(tài)下泡沫碳化硅波紋規(guī)整填料片上的液體擴(kuò)散程度，%

References

［1］BOOMSMA K， POULIKAKOS D， ZW ICK F. Metal foams as compact high performance heat exchangers ［J］. Mech. Mater.， 2003，35 （12）:1161-1176.

［2］SABER M， HUU T T， HUU C P， et al. Residence time distribution，axial liquid dispersion and dynam ic-static liquid mass transfer in trickle flow reactor containing β-SiC open-cell foams ［J］. Chem. Eng. J.， 2012， 185: 294-299.

［3］EDOUARD D， HUU T T， HUU C P， et al. The effective thermal properties of solid foam beds: experimental and estimated temperature profiles ［J］. Int. J. Heat Mass Transfer， 2010， 53 （19）: 3807-3816.

［4］MAHJOOB S， VAFAI K. A synthesis of fluid and thermal transport models for metal foam heat exchangers ［J］. Int. J. Heat Mass Transfer，2008， 51 （15）: 3701-3711.

［5］RICHARDSON J T， REMUE D， HUNG J K. Properties of ceram ic foam catalyst supports: mass and heat transfer ［J］. Appl. Catal.， A，2003， 250 （2）: 319-329.

［6］EDOUARD D， LACROIX M， PHAM C， et al. Experimental measurements and multiphase flow models in solid SiC foam beds ［J］. AIChE J.， 2008， 54 （11）: 2823-2832.

［7］TSCHENTSCHER R， NIJUIS T A， VAN DER SCHAAF J， et al. Gas-liquid mass transfer in rotating solid foam reactors ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2010， 65 （1）: 472-479.

［8］GERBAUX O， VERCUEIL T， MEMPONTEIL A， et al. Experimental characterization of single and two-phase flow through nickel foams ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2009， 64 （19）: 4186-4195.

［9］WENMAKERS P， VAN DER SCHAAF J， KUSTER B F M， et al. Liquid-solid mass transfer for cocurrent gas-liquid upflow through solid foam packings ［J］. AIChE J.， 2010， 56 （11）: 2923-2933.

［10］STEMMET C P， JONGMANS J N， VAN DER SCHAAF J， et al. Hydrodynamics of gas-liquid counter-current flow in solid foam packings ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2005， 60 （22）: 6422-6429.

［11］STEMMET C P， VAN DER SCHAAF J， KUSTER B F M， et al. Solid foam packings for multiphase reactors: modelling of liquid holdup and mass transfer ［J］. Chem. Eng. Res. Des.， 2006， 84 （12）: 1134-1141.

［12］STEMMET C P， MEEUWSE M， VAN DER SCHAAF J， et al. Gas-liquid mass transfer and axial dispersion in solid foam packings ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2007， 62 （18）: 5444-5450.

［13］STEMMET C P， BARTELDS F， VAN DER SCHAAF J， et al. Influence of liquid viscosity and surface tension on the gas-liquid mass transfer coefficient for solid foam packings in co-current two-phase flow ［J］. Chem. Eng. Res. Des.， 2008， 86 （10）， 1094-1106.

［14］STEMMET C P， SCHOUTEN J C， NIJHUIS T A. In situ UV-Vis spectroscopy in gas-liquid-solid systems ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2010，65 （1）: 267-272.

［15］LEVEQUE J， ROUZINEAU D， PREVOST M， et al. Hydrodynamic and mass transfer efficiency of ceramic foam packing applied to distillation ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2009， 64 （11）: 2607-2616.

［16］LEVEQUE J， ROUZINEAU D， PREVOST M， et al. Hydrodynamic behaviour and mass transfer performance of SiC foam ［J］. Int. J. Chem. React. Eng.， 2010， 8 （1）: 47-54.

［17］LI X， GAO G， ZHANG L， et al. Multiscale simulation and experimental study of novel SiC structured packings ［J］. Ind. Eng. Chem. Res.， 2011， 51 （2）: 915-924.

［18］LI H， WANG F， WANG C， et al. Liquid flow behavior study in SiC foam corrugated sheet using a novel ultraviolet fluorescence technique coupled with cfd simulation ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2015， 123: 341-349.

［19］李洪， 姚躍賓， 王方舟， 等. 液相流動(dòng)方式對(duì)波紋規(guī)整填料性能的影響 ［J］. 化工學(xué)報(bào)， 2014， 65 （12）: 4760-4766. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.016.

LI H， YAO Y B， WANG F Z， et al. Effect of liquid flow behavior on performance of corrugated structured packing ［J］. CIESC Journal，2014， 65 （12）: 4760-4766. DOI: 10.3969/j.issn.0438-1157.2014.12.016.

［20］LI X， LIU Q， LI H， et al. Experimental study on liquid flow behavior in the holes of SiC structured corrugated sheets ［J］. J. Taiwan Inst. Chem. E.， 2016， 64: 39-46.

［21］JANZEN A， STEUBE J， AFERKA S， et al. Investigation of liquid flow morphology inside a structured packing using X-ray tomography ［J］. Chem. Eng. Sci.， 2013， 102 （15）:451-460.

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(lián)系人：高鑫。第一作者：劉巧鈺（1991—），女，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21336007）；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB215005）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015AA03A602）；天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（15ZCZDGX00330）。

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