多孔介質泡沫材料在蒸餾過程中的應用

高 鑫，李鑫鋼，魏 娜，李 洪，張勁松，王 磊

（1 天津大學化工學院，天津 300072；2 精餾技術國家工程研究中心，天津 300072；3 中國科學院金屬研究所，遼寧 沈陽 110016；4 云南解化清潔能源開發有限公司，云南 昆明 650224）

蒸餾技術是目前化學工業中應用最為廣泛的分離單元操作，在化學工業中占有非常重要的地位。同時，蒸餾也是目前化學工業中能源、資源消耗巨大的單元操作之一，對于該過程的節能與強化一直是化工領域科研工作者關注的熱點，新型傳質元件就是其中一個重要的研究與開發的方向。對于傳質元件的研究，多集中于對其結構的改進，而制作材料方面的研究相對很少。

多孔介質泡沫材料（陶瓷基、金屬基、樹脂基等）是一種新型功能材料，在最近幾十年得到長足的發展。由于其獨特的網狀空間結構、較低的密度、較好的熱學及機械強度等眾多優良特性，而被廣泛地應用于化工、能源、環保、冶金、機械、交通、電子和國防等諸多領域。由于多孔介質泡沫材料具有的比表面積大、流體阻力較小、機械強度好、可加工性強等特點，天津大學精餾技術國家工程研究中心與中國科學院金屬研究所聯合開發了一系列用于蒸餾過程的多孔介質泡沫傳質元件，包括SiC 泡沫閥塔盤[7]、SiC 泡沫塔盤[8]、SiC 泡沫規整填料[9]以及樹脂泡沫規整填料[10]等。

通過對多孔介質傳質元件的研究、分析與總結，本文根據蒸餾過程中氣、液兩相在多孔介質泡沫傳質元件中的流動形式以及氣、液兩相的接觸方式，將多孔介質泡沫傳質元件分為三類，對多孔介質泡沫材料在蒸餾過程中的應用進行系統的介紹，即氣/液兩相均在多孔介質內部流動的氣液逆流接觸方式、氣相在多孔介質內部流動/液相在多孔介質表面流動的氣液錯流接觸方式以及液相在多孔介質內部流動/氣相在多孔介質表面流動的氣液逆流接觸 方式。

1 氣、液兩相均在多孔介質內部的流動方式

該類傳質元件是將整塊的多孔泡沫材料直接作為精餾填料，不做任何結構形狀的加工。氣、液兩相在多孔泡沫材料內部逆向流動接觸，多孔泡沫材料自身巨大的比表面積增大了氣、液傳質的有效比表面積，同時材料的三維網狀空間結構能夠增大氣、液流動的湍動程度，強化氣、液相傳質過程。Leveque等[5]利用具有較高的機械強度、熱導性質及耐腐蝕性的碳化硅多孔泡沫陶瓷材料設計成如圖1 所示的直徑150 mm、高度100 mm 的圓柱形整體填料，進行了流體力學及傳質性能測試，結果表明該種填料具有以下特點：①干、濕填料壓降較大，在噴淋密度為7.9 m3/(m2·h)時其壓降大于M250Y、CY 和PR 5/8 填料；②通量小，在各噴淋密度下，氣相F 因子在達到0.8 時均會出現液泛；③持液量較高，約為10 %，遠遠大于普通的波紋規整填料；④傳質效率較高，每米約為5 塊理論板。

圖1 碳化硅陶瓷泡沫整體填料

Stemmet等[6-9]利用碳化硅陶瓷泡沫材料制成長30 cm、寬1 cm、高80 cm 的長方塊，并對其進行了氣、液相逆流與并流流動狀態下的流體力學及傳質性能測試，對碳化硅泡沫材料內的軸向擴散以及流體黏度和表面張力對傳質性能的影響進行了詳細的研究。結果表明，碳化硅泡沫陶瓷填料在氣、液相逆流流動時的流體力學性能與蘇爾壽公司的Katapak-S 催化填料相似，傳質性能非常優越，軸向擴散效果明顯，液體分布性能明顯優于金屬波紋板與金屬絲網波紋板，具有更多的有效氣、液傳質表面。Incera Garrido 等[10]研究了孔徑與孔隙率等多孔材料特性對多孔泡沫填料的壓降及傳質性能的影響，研究結果表明泡沫填料的壓降隨著孔徑或孔隙率的降低而增加，傳質系數量綱為1 數在雷諾數不變的情況隨著孔徑的增大而升高。Grosse等[11]對氣、液逆向流動時陶瓷泡沫填料的流體力學性能進行了研究，得出作為塔內氣、液兩相傳質元件的陶瓷泡沫填料，由于其流體力學性能與傳統規整填料相差甚遠，使得該陶瓷泡沫填料在工業應用方面受到了限制。

綜上所述，盡管傳質性能非常優越，但由于流體力學性能不佳導致該類填料在應用上受到極大的限制。主要原因為：①完全由整塊泡沫陶瓷材料制成，相對于傳統填料其空隙率過小；②氣、液兩相均在多孔材料內部流動，導致流體流動阻力過高、壓降過大。

2 氣相在多孔介質內部、液相在外部的流動方式

為了克服上述多孔泡沫材料在蒸餾應用過程中所遇到的問題，避免氣、液兩相同時在多孔泡沫材料內部流動，開發某一相流體在多孔泡沫內部流動，另一相流體在其表面流動的氣、液接觸模式的傳質元件是很好的解決途徑。其中一種解決方式為氣相在多孔介質內部、液相在多孔介質表面錯流流動接觸傳質的方式，該種傳質方式在實際中可以以板式精餾塔的形式進行。氣相由下至上穿流通過多孔泡沫塔盤，液相在多孔泡沫塔盤上表面與氣相錯流通過塔盤，利用多孔泡沫材料的三維空間網狀結構將氣相分散成大量較為均勻的小氣泡進入塔盤上方的液層中，完成氣、液相間傳質。經過多孔泡沫材料分散后的氣相與液相接觸的比表面積巨大，且僅有氣相在多孔材料內部流動，因此，該類型的傳質元件將會具有傳質效率高、壓降小等優點。另外，相對于傳統塔盤，由于多孔泡沫材料的表面微孔結構與潤濕特性，其漏液量將降低很多，即操作范圍將會增大。

2.1 泡沫鎳固閥塔盤

早在2003年，本課題組的周海鷹等[12]以海綿泡沫為骨架，在電鍍池中鍍鎳后制成連續式帶狀泡沫鎳，如圖2 所示。將其以固閥的形式安裝在實驗塔盤上，進行流體力學與傳質性能的測試。結果表明，單層泡沫鎳塔盤由于孔道直通容易形成噴射，而雙層泡沫鎳塔盤的分布孔因錯位而不規則，有效地減少噴射，增強了鼓泡作用。與傳統F1 浮閥塔板相比，在相同操作條件下泡沫鎳塔板傳質效率能夠提高15%～20%，如圖3 所示。同時泡沫鎳塔盤幾乎沒有漏液現象，可大幅度降低塔盤操作的氣相負荷下限。但由于泡沫鎳的微孔結構，導致塔盤的 剩余壓降過大而增大了塔盤的總壓降。

圖2 泡沫鎳結構形狀

圖3 泡沫鎳固閥塔盤傳質性能比較

2.2 SiC 陶瓷泡沫閥塔盤

除壓降過大外，泡沫鎳材料本身機械強度不高也是限制其作為傳質元件在蒸餾過程中應用的一個主要原因。碳化硅材料是一種具有耐高溫、抗氧化、耐酸堿腐蝕、熱膨脹系數小、熱導率大、硬度高、抗熱震等優良性能的新型功能材料，采用泡沫碳化硅材料制成傳質元件能夠顯著增強塔內件的機械強度、耐磨性能且加工便捷，另外使用碳化硅材料代替金屬材料，可以節省金屬資源的消耗，減少金屬冶煉過程的環境污染，從能源與資源的角度都具有較明顯的優勢。本課題組的劉學寬等[13-14]將多孔碳化硅泡沫陶瓷材料制成圓形固閥傳質元件[圖4(a)]應用到板式精餾塔中，制成碳化硅泡沫閥塔盤，如圖4(b)所示。

圖4 碳化硅泡沫閥單元與塔盤結構

前期實驗研究發現，在開孔率相同的情況下，碳化硅泡沫閥塔盤的壓降遠高于F1 浮閥塔盤，其原因主要是由于泡沫材料閥體本身的三維空間多孔結構減小了氣相流動通道造成的，但這一多孔結構也造就了該類型塔盤不容易漏液的特點，因此可以通過增加塔盤開孔率的方式降低塔板壓降。另外，減小泡沫閥的厚度也可以降低塔盤的壓降，但閥體過薄不僅會使得閥體的機械強度下降，導致閥體容易破損，還會造成氣泡分布不均等問題。

據此，實驗考察了多孔泡沫材料的孔徑、閥體厚度、塔盤開孔率、溢流堰高度等影響因素在不同空塔動能因子與液流強度下，對塔盤壓降、漏液量、霧沫夾帶量、清液層高度以及傳質效率等性能的影響。在綜合考慮塔板強度、流體力學以及傳質性能后，通過上述單因素實驗篩選，得出開孔率為19.70 %，閥體厚度為6 mm，泡沫材料孔徑為4mm 時，碳化硅泡沫閥塔盤的綜合性能比較適宜。將其與傳統的F1 浮閥塔盤進行了對比，如圖5 所示，濕板壓降與F1 浮閥塔盤相差不多；在空塔動能因子為0.8～1.2 (m/s)·(kg/m3)0.5的范圍內，碳化硅多孔泡沫閥塔盤的傳質效率全塔效率高于75 %，最高可 達85 %，遠遠優于傳統的F1 浮閥塔板。

圖5 SiC 泡沫閥塔盤與F1 浮閥塔盤的壓降與傳質性能比較

2.3 SiC 陶瓷泡沫塔盤

在SiC 陶瓷泡沫閥塔盤的基礎上，充分發揮其不易漏液的特點，增大塔盤的開孔率來降低塔盤的壓降，同時進一步提高氣、液傳質區域，可以將整個塔盤均采用多孔泡沫材料制成。本課題組劉霞 等[15]將整塊碳化硅泡沫板安裝在塔盤的傳質區上，制成SiC 陶瓷泡沫塔盤（圖6），并研究了不同孔徑、不同板厚度以及復合SiC 泡沫塔盤的流體力學及傳質性能。

圖6 SiC 陶瓷泡沫塔盤

SiC 泡沫塔盤的優勢在于能夠充分利用塔盤的面積，除降液管與受液盤外將塔盤上其余部分都布置為傳質元件，另外由于SiC 泡沫的三維微孔結構可以將氣相流體均勻地分散成粒徑較小的微氣泡穿過塔盤上的液層，使得塔盤上的所有區域均具有較高的氣、液傳質效率。而其它類型的精餾塔盤（如篩板、F1 浮閥、導向梯形固閥等）由于漏液量、對噴和塔板強度等因素的限制，其塔盤上設置的傳質元件需保證一定的間距。研究中以相同的全塔動能因子作為比較基準，將不同孔徑、不同厚度的SiC泡沫塔盤與全塔開孔率為4.03%、孔徑為8 mm 的篩板的壓降性能進行比較，如圖7 所示。圖中B1、B2、B3 分別表示泡沫孔徑為2 mm、3 mm、4 mm，厚度均為10 mm 的SiC 泡沫塔盤，可以看出除了泡沫孔徑較小的B1 外，其余SiC 泡沫塔盤的壓降均低于篩板塔盤。實驗中還發現，在相同的實驗條件下，各類型SiC 泡沫塔盤的霧沫夾帶量和漏液量均低于篩板塔盤，這一特性使得SiC 泡沫塔盤所適用的氣、液相負荷范圍更寬。

新型SiC 泡沫塔盤具有較高的傳質效率，在實驗測定的操作范圍內，其傳質效率均高于相同條件下的篩板塔盤，結果如圖8 所示。SiC 泡沫塔盤的全塔效率最高可以達到75%，與篩板塔盤相比，泡沫塔盤對氣相的分散程度更加均勻，具有更大的氣液相接觸面積，因此具有更高的氣液傳質效率。

圖7 SiC 泡沫塔盤與篩板壓降性能的比較

圖8 SiC 泡沫塔盤與篩板塔盤的傳質性能比較

本課題組的高國華[16]采用計算流體力學的方法對新型SiC 泡沫塔盤的宏觀性能及微觀特性進行了模擬研究，根據SiC 泡沫塔盤的真實結構建立微觀物理模型，如圖9 所示，對其進行氣、液兩相流模擬。

圖9 SiC 泡沫塔盤真實結構的物理模型

在SiC 泡沫塔盤的宏觀模擬中，發現氣相通過SiC 泡沫塔盤的壓力降由3 部分組成，干板壓降、 液層阻力以及剩余壓降，其中全塔到泡沫塔盤的突然縮小造成的干板壓降占總壓降的50%以上，干板壓降可以擬合成Δpd=4.17F01.95的形式。在相同液流強度下，氣速較小時，塔盤上氣液兩相接觸狀態為鼓泡狀態；氣速較大時，塔板上的氣液接觸狀態進入泡沫狀態或噴濺狀態。處于鼓泡狀態的塔板，液體密度基本保持較高的數值不變，到達一定高度后迅速降低至0；處于泡沫狀態或噴濺狀態的塔板，液體密度呈反S 形趨勢。

在微觀模擬方面，研究發現SiC 泡沫塔盤的濕板壓降增大是由于液體在SiC 泡沫內滯留造成泡沫的孔隙率下降而引起的。經過模擬改進后發現，氣速越大，多孔傳質體內的液體滯留量就越少；按照下行的順序調節氣速，有利于減少或避免液體在泡沫內的滯留；由于SiC 泡沫材料本身具有較好的親水性能，可通過表面改性的方法增大泡沫材料表面的接觸角，從而減少或避免液體進入泡沫材料內，降低壓降，提高傳質效率。

總體來看，新型SiC 泡沫塔盤的有效傳質區域大，具有壓降較低、不漏液、霧沫夾帶小、傳質效率高等優點，是一種傳質性能優良的蒸餾塔板，具有廣闊的工業應用前景。

3 液相在多孔介質內部、氣相在外部的流動方式

另一種解決多孔泡沫材料在蒸餾過程中應用問題的方式是，液相在多孔介質內部、氣相在多孔介質表面逆流接觸傳質的方式，將多孔泡沫材料制成規整波紋填料的形式可以很好地滿足上述條件。與傳統規整波紋填料相似，氣相由下至上從多孔材料表面穿流通過填料，液相在多孔泡沫內部流動與氣相在塔內逆流接觸傳質，有效地避免了氣、液兩相同時在多孔泡沫材料內的流動，大大降低了傳質元件的阻力損失。另外，由于多孔泡沫材料的超大比表面積，增大了氣、液有效傳質面積。

3.1 SiC 泡沫規整填料

本課題組的曾菁[17]將SiC 泡沫陶瓷材料按照規整波紋板填料的結構形狀制作成SiC 泡沫規整填料，如圖10 所示。分別研究了泡沫孔徑、比表面積、波紋片厚度、波紋傾角等因素對流體力學和傳質性能的影響，以期找到適合于工業應用的較優的SiC泡沫波紋規整填料結構。

研究發現，比表面積500 m2/m3、波紋板厚1 mm、泡沫孔徑3 mm、波紋傾角30°的SiC 泡沫波紋規整填料性能較優，將其與BX 型的金屬波紋絲網填料進行了壓降與傳質效率的比較，結果如圖11所示。與BX 填料相比，SiC 泡沫規整填料壓降降低約30%而傳質效率提高了30%左右，流體力學及傳質性能均優于BX 型金屬絲網填料。

在實驗研究的基礎上，課題組李鑫鋼等[18]采用計算流體力學的方法對SiC 泡沫波紋板規整填料進行模擬研究，獲得宏觀流體力學性能參數、流場分布特點以及微觀多孔結構對流場分布的影響。

利用SiC 泡沫材料的真實結構單元將其陣列后切割成薄片形狀作為物理模型，如圖12 所示。研究發現，波紋板傾斜角為45°（Y 形）時，三角形波紋板的上下兩個側面上的液體分布是不均勻的；傾斜角為30°時，液體在板上形成的流股比45°時的流股更細，分布更加不均勻；泡沫波紋板的傾斜角為60°時，液體在板上呈液膜分布，且其液膜分布和液膜所能提供的有效相際面積最大。另外，通過改變液體與泡沫間的接觸角，發現具有90°接觸角的SiC 泡沫波紋板上的液體呈膜狀分布，且液膜基本不進入泡沫板內部，液膜上液體分布也很均勻，這一研究結果說明盡量減小與泡沫材料的接觸角，使液體能夠完全進入泡沫板內，不僅可以提高填料的壓降性能，還可以增加填料的有效氣、液相傳質面積。

圖11 SiC 泡沫規整填料與BX 型填料的壓降與傳質性能比較

圖12 SiC 泡沫規整填料的微觀模型

3.2 樹脂泡沫規整填料

除SiC 泡沫材料外，作者[19]采用一種成本更加低廉的樹脂基多孔泡沫材料制成規整波紋板填料，如圖13 所示，并將其用于精餾以及反應精餾過程。研究中通過對流體力學性能測試，獲得了不同液體噴淋密度下樹脂泡沫規整填料壓降和持液量隨氣相F 因子變化的關系以及填料的液泛曲線，結果表明該填料流體力學性能與SiC 泡沫填料相類似。通過測定樹脂泡沫規整填料的傳質性能并與金屬絲網波紋填料進行對比，結果表明其傳質分離能力與傳統的金屬絲網波紋填料相當。由于該種填料采用樹脂基作為原材料，其力學性能較SiC 材料差，在工業應用中應注意此問題。

圖13 樹脂泡沫規整填料

4 結 語

多孔泡沫材料作為一種新型功能材料應用于蒸餾過程，可能會給蒸餾技術的發展帶來較大的革新。但該領域的研究還處于起步階段，在強化蒸餾過程中所起到的關鍵作用機制尚不完全清楚，需要進一步系統地從機理方面對多孔介質中的氣、液流動與傳質過程進行研究。而且，根據多孔介質泡沫材料在蒸餾過程中所起的作用不同，可以開發不同結構、不同表面性質的多孔泡沫傳質元件，從而更加充分地實現其對蒸餾過程的強化。當然，由于采用SiC泡沫多孔材料制成，該類氣液傳質元件在工程應用中容易被堵塞，應用領域會受到一定的限制，但由于其可顯著強化氣液相界面積、改善氣液接觸的均勻性，在改良低氣液比體系的傳質效果、催化蒸餾等方面將能夠發揮重要作用。

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