3.8　其他結構填料的水力學和傳遞

3.8.1　波紋填料：開放錯流結構（OCFS）

3.8.1.1　流區

由于波紋填料出色的徑向混合特性，液體分布不是一個嚴重問題。即便分布器設計不好也能在相對短的距離內通過再分布使流動達到完全發展的流體流動分布。對類似于Katapak-M波紋結構填料中的單相流可視化實驗揭示，在這類波紋結構填料中存在有三個主要的流體流動路徑：第一個路徑遵從波紋片中的“谷底”方向，流體從一個反應器壁傳輸到同一層中對面器壁，并與反應器進行傳熱，再從左邊折向傳輸到鄰近層的右邊［圖2-14（a）］；第二個重要的流體流動路徑在結構內，自行回繞片波紋結構的交叉點波動，以確保流體有好的混合和使流體和結構表面間在流動時有良好的傳熱［圖2-14（c）］；第三個路徑是在結構和反應器壁間的間隙短路流動［圖2-14（b）］。

在順流操作模式下對波紋結構中的第一個兩相流動路徑的跟蹤指出，也存在三個不同的流區：低液體流速時的環形流；較高液體流速時的分層擾動流；大液體流速時的氣泡流。當使用不同黏度的液體時，以不同液體速度對氣體速度的作圖指出，液體流速對流區的過渡有很大影響，而氣體流速對所有黏度液體僅有輕微的負面影響，也就是只使流區過渡時的液體流速稍小。

3.8.1.2　氣液傳質

波紋填料的界面面積有可能遠大于幾何表面積。氣液界面面積與幾何表面積之比ae/ap隨液體流速的增加而增加，但是有一個極限值，它與Reynolds準數的關系給于圖3-54中。結果清楚地指出，對不同的填料結果有很大不同，Mellapak型和有波紋板的填料有比較大的值是因為它們具有孔眼形式的粗糙結構。

波紋填料的氣液界面面積與幾何表面積之比的關聯式（氣液順流）見方程（3-76）。氣液順流時的氣液界面面積的一些關聯給于方程（3-77）。波紋填料中液體完全潤濕的假設在多數情況下是合理的。液體滯留與氣體流速幾乎無關，直至液返發生，但是與液體的黏度和表面張力有關，波紋填料上，膜流時的液體滯留量關聯給于方程（3-78）。對波紋填料尚無兩相流順流壓力降的關聯，但是有多個單相流時的壓力降關聯，其中幾個給于方程（3-79）～方程（3-81）中。對兩相流可以借用涓流床非結構填料的壓力降關聯式。

膜流區氣液順流時的界面面積關聯：

實驗測量值與計算值ae的比較見圖3-55。

液邊傳質系數kL的關聯：

膜流區順流時的液體滯留量關聯：

膜流區逆流時的單相氣體的壓力降關聯：

式中，S為填料通道邊長；θ為填料與水平位置的夾角；c1和c2取決于填料的常數；γ為表面物料潤濕的接觸角，其他符號有一般的意義。

逆流時氣液停留時間分布關聯：

對波紋結構填料提出了一些傳質和傳熱的關聯。在膜流區順流時的氣液傳質關聯如下。

傳質系數kLae的關聯

關聯預測值與實驗測量值比較見圖3-56。

3.8.1.3　潤濕分數和液固傳質

液固傳質的潤濕分數關聯：

液固傳質系數關聯：

雖然波紋填料的傳質關聯都是來自蒸餾體系，但是也有考慮結構填料特殊性的傳質關聯。表3-10給出了波紋填料的ae和kLae，流區不同它們的值也不同。表面潤濕分數與液體流速和黏度的關系給于圖3-57中，很有可能發生溝流和表面不完全潤濕。此時，忽略軸向混合對傳質速率的作用可能導致對傳質推動力的過高估算。因此，合適評估軸向反混效應是重要的。

對該類結構填料，傳熱參數ie，r和RW隨流速的增大而增加，原因是改進了結構內的混合和降低了邊界層厚度。結構和壁間的間隙（1～2mm）對傳熱影響的研究指出，因隨流動短路增大和混合效率降低，使總傳熱系數下降。有效徑向熱導率ie，r一般在1～2W/（m· K）之間，而壁傳熱系數RW在60～80W/（m2·K）之間（遠低于實際多相放熱反應所要求的值）。在兩相流中，除了質量流速和熱容量外，液體滯留量也能夠在傳熱中起顯著作用，氣液相互作用產生的湍流強化徑向混合，使ie，r值顯著增大。填料與壁間的強化徑向混合也能夠使在壁上產生對流傳熱，給出較高的RW。這一假設應該進一步進行研究。

3.8.2　封閉錯流結構波紋填料（CCFS）及其流體力學特性

由于這類結構中無法進行通道間的交換，在閉合通道結構中的初始液體分布像在蜂窩獨居石中那樣是非常重要的。其流型也與獨居石一樣，很少有徑向返混問題。該結構之所以如此特別，在于它的壁是開放的，由于流體被定向于鄰接層中，從左向右或從右向左流動，它會直接撞擊反應器管壁，使管壁上的靜止流體層發生擾動。如果通道足夠小且氣體液體流速比在正確的范圍內，會產生Tayler流。組合改進的傳熱性能和比較低的壓力降，Tayler流可以導致高的傳質速率。在閉合通道填料中的壓力降要低于標準填料，即便閉合通道有較大的幾何表面積。通過在兩波紋板之間插入的平板，氣體-氣體相互作用被氣體-液體摩擦所代替，降低了能量消耗。雖然尚未有閉合波紋填料的壓力降關聯，類似于開放結構的波紋填料，它的兩相壓力降可以從干壓力降和液體滯留量計算。在壁上開放的閉合通道填料能有效地擾動填料表面與壁間層流膜，因流動是被定向從結構到壁。這樣會產生湍流，從而改進從填料到壁的傳熱。與蜂窩獨居石不一樣，閉合通道填料對填料表面與壁間的間隙大小不太敏感。流體流動可視化實驗證實：波紋片間的平板片比較有效地導向流體向著壁流動，改進了總傳熱系數。對閉合通道填料單相傳熱測量說明，與開放錯流結構填料或球形顆粒床層比較，在較低壓力降條件下使壁傳熱系數得以提高。

3.8.3　編織線結構填料及其流體力學特性

當需要在限定高度內有很高的理論板數目時，在蒸餾中廣泛應用編織線做成的結構塔填料。其特征是一束編織好的金屬絲網。編織形式可分為平的、卷曲和卷筒狀，以獲得所需要的圓柱形填料直徑。對低表面張力的液體用它可以同時獲得低壓力降和良好的潤濕特性。由于細線的毛細作用使液體分散和與氣體接觸都很好，因此可以在低壓力降條件下保持非常好的傳輸效率。遺憾的是沒有傳熱數據，也很少有催化涂層研究。下面是敘述一些相對重要的編織填料的流體力學和傳輸特性經驗關聯。

與波紋填料不一樣，這類填料沒有液體的自分布特性，因此初始液體極其重要。圖3-58給出這類填料上的流區及其過渡，而擬合的過渡條件關聯方程給于式（3-89）～式（3-91）中。從一個流區到另一個流區的過渡是非常尖銳的。表3-11和圖3-59給出不同氣液相互作用區的氣液界面面積。氣液界面面積與流區、氣體和液體流速及性質以及操作模式密切相關，該類填料對低表面張力的液體潤濕非常好，由于這類填料有高的幾何表面積，因此具有好的傳遞特性。

3.8.3.1　流區

流區的過渡示于圖3-58中。數據歸納出的流體流動流區過渡的判據如下。

（1）從涓流到脈沖流：

L過渡Ψ/ε=33.592［G過渡/（λε）］2-162.37［G過渡/（λε）］+200.65　　（3-89）

對0.005m/s≤uL≤0.045m/s，0.99m/s≤uG≤1.76m/s

（2）從脈沖流到栓流：

L過渡Ψ/ε=-0.6838［G過渡/（λε）］2-28.813［G過渡/（λε）］+122.79　　（3-90）

對0.005m/s≤uL≤0.045m/s，1.9m/s≤uG≤2.9m/s

3.8.3.2　氣液傳質

氣-液界面面積ae：

對涓流：α=5970，β1=0.156，β2=0.514

對脈沖流：α=1772，β1=0.267，β2=0.316

對栓流：α=141660，β1=0.526，β2=1.33　　（3-92）

對膜流：ae=356　　（3-93）

氣-液傳質，膜流：

3.8.3.3　液體滯留量

膜流：

3.8.3.4　壓力降

對涓流：β3=7.02 × 106，β4=6.7 × 104

對脈沖流：β3=-2.76 × 106，β4=7.23 × 104

對栓流：β3=1.322 × 106，β4=3.4 × 104　　（3-96）

3.8.4　金屬、陶瓷和石墨發泡體

固體發泡填料是同時具有高表面積和低壓力降的新一代填料，主要是由于它是由高至97％的小尺寸空隙率的開放池結構構成的。鋁發泡體由于特別出色的性能近來獲得廣泛的應用，用以增強傳熱和流動控制。下面給出這類發泡體的一些傳遞特性關聯。

3.8.4.1　壓力降

3.8.4.2　總液體滯留量

式（3-98）和式（3-99）中的常數對不同的通道密度PPI（每平方英寸多少個通道）是不一樣的。

PPI=5：A=8.31 × 105，B=25.09，n1=5.17，n2=2.33　　（3-100）

PPI=20：A=22.1 × 105，B=14.03，n1=3.88，n2=1.55　　（3-101）

PPI=40：A=0.088 × 105，B=5.04，n1=4.25，n2=1.73　　（3-102）

3.8.4.3　液體停留時間分布

對PPI=45的發泡體：DEX=1.26 × 10-3uL　　（3-103）

對PPI=60的發泡體：DEX=1.01 × 10-3uL　　（3-104）

BoL=，其數值取決于液體和氣體流速。

3.8.4.4　總傳熱系數

同時也有一些圖示：圖3-60給出了在不同氣體負荷以及不同PPI和液體流速下干和濕床層的壓力降的關系，指出壓力降不僅隨氣體負荷而且也隨PPI和液體流速的增加而增加；圖3-61和圖3-62分別了給出了靜態液體滯留和總液體滯留且與實驗值作了比較；圖3-63給出了傳質系數；圖3-64給出了軸向擴散系數。圖3-65給出了理論預測與實驗測量的傳熱系數的比較，其傳熱性能遠遠好于一般填料床層。已經開發出用瀝青制造的碳質發泡體。石墨發泡體的熱導率與鋁發泡體相當，但其密度僅為后者的1/5。其開放結構的表面積是一般換熱器的100倍。25％致密石墨發泡體的本體熱導率是180W/（m·K），與之比較的鋁發泡體為15W/（m·K），銅發泡體為40W/（m·K）。多相結構反應器已經刺激學術界和工業界的多個研究組，把對它們的發展研究作為熱門重點領域。雖然對獨居石和開放波紋填料已經有許多關于流體力學壓力降傳質和傳熱的關聯，但對線網、發泡體和閉合波紋填料，這樣的關聯比較少。對液固傳質，已經在獨居石和開放波紋橫流結構材料中進行了實驗測量，也已經清楚了解了獨居石、開放波紋橫流結構材料和發泡體的軸向擴散和停留時間分布。

這些信息和數據已經為這些結構材料的應用打下了基礎，雖然仍然需要做更多的工作，包括要做實驗的類型、測量技術和流體力學模型等。

3.8.5　纖維材料上的傳質和流體力學

在纖維織物上的流動特性肯定與顆粒床層有差別，有必要比較在顆粒、獨居石和布等不同形式催化劑上的傳輸性質。

3.8.5.1　單相流

用壓力降表示的層狀織物的動力學性質研究指出，當空氣或水流過活性碳纖維（ACC）時的壓力降與織物的特定結構特征如開孔程度有關，而且不能用通常的壓力降摩擦因子來關聯，因為它與流體的性質的關系極大。

3.8.5.2　兩相流

在結構填料裝填的鼓泡塔中可以觀察到三個流區：①當氣/液流速比uG0/uL0< 30（uL0=0.61cm/s）且纖維層間距小于塔徑時為氣泡流，氣體在每個纖維層進行再分布，氣體表觀流速增加，氣泡直徑也增加，直至氣體變為連續相，如圖3-66（a）～（c）所示；②當氣/液流速比uG0/uL0<100時是環流區，此時液體在纖維布上面；③層間間隔大于60mm時的栓流和亂流區，液體栓的上下變化導致如圖3-66（d）和（e）所指出的混沌行為。流體力學參數如壓力降和液體滯留量與纖維層織物結構主要是紡線間的距離有關。

對涂層金屬篩網的催化纖維和布的研究已經有長足的進展。纖維催化劑具有可變幾何結構，傳質特性出色，壓力降可與獨居石催化劑競爭，比顆粒床層低1～2數量級，因此對在高流速和低壓力降需求的反應中應用有吸引力。在液相反應中，纖維催化劑基本上消除了傳質阻力。涂層纖維可以具有高的比表面積，纖維催化束具有獨居石催化劑那樣不可移動和短擴散距離的特點。

纖維催化劑可以做成很多形式，如切斷絲、長絲、紗和編織或針織布、非織氈、紙和卷等，可以做成二維構架、波紋狀、盤形或次結構束（如卷、獨居石），可按反應室要求做成圓形、矩形等。因此篩網催化劑的裝填要比獨居石催化劑容易和廉價。纖維網催化劑極易拆開，可容易地除去結垢和焦粒子，而獨居石催化劑要機械清洗是比較困難的。纖維催化劑容易做成具有多功能性的結構，例如催化蒸餾、吸附催化和催化過濾，也容易做成夾心結構。催化纖維和布要應用于放熱、生產化學品和消除污染物，在工程和催化劑科學上仍面臨挑戰。首先是纖維催化劑的發展要求新催化載體及其催化劑的開發以改進它的氣體動態學、傳質和傳熱特性，為了設計還必須了解流體力學和傳輸過程。