降膜式吸收器的研究及應(yīng)用進(jìn)展

白明明，涂淑平，孫文哲

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

降膜式吸收器是近幾年發(fā)展起來的一種新型的熱質(zhì)傳遞設(shè)備，具有吸收和冷卻效果好、吸收液成膜性好、不易損壞設(shè)備、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，并以其高效、節(jié)能、低阻等優(yōu)良特性，在我國制冷空調(diào)、化工、精餾等眾多領(lǐng)域得到了廣泛研究和應(yīng)用。

根據(jù)國內(nèi)外研究及應(yīng)用情況，可將降膜式吸收器分為兩類：即管式降膜吸收器和板式降膜吸收器。吸收器工作時(shí)，其內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)過程是一個(gè)相互影響、相互耦合的復(fù)雜的熱力過程，吸收過程中，熱量與質(zhì)量的傳遞發(fā)生在氣液兩相之間，隨著過程的進(jìn)行，局部的溫度、濃度梯度以及氣液界面處平衡條件都會發(fā)生變化，進(jìn)而影響到傳熱傳質(zhì)過程的驅(qū)動力。通過對吸收過程的研究，對降膜式吸收器的性能提升及應(yīng)用具有重要意義。

1 管式降膜吸收器

管式降膜吸收器是目前研究和應(yīng)用較為廣泛的降膜式吸收器，其換熱管是管式降膜吸收器的核心部件，通過對管型的改進(jìn)以達(dá)到優(yōu)化液膜流態(tài)，改善壁面濕潤度、增強(qiáng)傳熱、減少熱阻、提高吸收效率的目的。

張強(qiáng)[1]建立了水平光管降膜吸收傳熱傳質(zhì)模型及其邊界條件，利用分離變量法以及傅里葉展開法求解出傳熱傳質(zhì)方程的解析解，并對解的精度進(jìn)行驗(yàn)證，得出了符合精度要求的前40項(xiàng)解析解的特征值，所得結(jié)論可作為降膜式吸收器的設(shè)計(jì)參考，并為研究者的分析和模擬提供依據(jù)。

張睿航等[2]搭建了水平管降膜流動形態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置，研究管間距和管材對水平管降膜管間流態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，管間距略微增大時(shí)，管間流態(tài)與上一級未改變管間距的流態(tài)相同。當(dāng)管間距增大到原來的2倍，流態(tài)呈現(xiàn)為最初的滴狀；并出現(xiàn)部分交叉滴狀流。當(dāng)以塑料管代替銅管后，流態(tài)出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，相鄰的管壁不能垂直濕潤，管間流體的連續(xù)性受到影響，小部分溶液出現(xiàn)向下一級流態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢。

陳小磚等[3]針對氨水溶液降膜吸收器研究了橫波紋管的吸收效率和熱量與質(zhì)量交換機(jī)理，選取3根不同規(guī)格尺寸的橫波紋管，實(shí)驗(yàn)研究橫波紋管降膜吸收性能變化規(guī)律，結(jié)果表明，2號橫波紋管隨管外氨水溶液噴淋密度的增加，氨氣吸收速率顯著提高。該研究成果為設(shè)計(jì)、制造高效緊湊的橫波紋管降膜吸收器提供理論參考和技術(shù)支持。

對降膜式吸收器性能影響因素的研究是降膜式吸收器優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，其影響因素主要有：噴淋密度、溶液流速、濃度、溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和冷卻條件等。

Lin等[4]建立氨水溶液在內(nèi)管表面低流速降膜吸收傳熱傳質(zhì)耦合實(shí)驗(yàn)原型，研究可用于建筑風(fēng)冷吸收器垂直降膜吸收性能，指出傳統(tǒng)的對數(shù)平均溫度(濃度)差不適用于同時(shí)評估傳熱和傳質(zhì)過程，通過實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)壓力的增加、降低冷卻水溫度和入口稀溶液過冷都顯著影響吸收過程。

徐振中[5]搭建了垂直管降膜吸收器實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和相應(yīng)模擬，最終將其應(yīng)用于風(fēng)冷兩級氨水吸收實(shí)驗(yàn)機(jī)組當(dāng)中。通過對不同工況進(jìn)行吸收實(shí)驗(yàn)，研究多種因素對吸收實(shí)驗(yàn)的影響。結(jié)果表明，吸收傳熱傳質(zhì)率隨冷卻水溫和降膜溶液溫度的下降而升高，隨吸收壓力、降膜雷諾數(shù)的升高而提高，順、逆流對吸收無顯著影響。

李美軍等[6]對純水蒸氣滴狀和柱狀流型下多管排水平管外降膜吸收過程的局部傳熱傳質(zhì)特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，相同流量下溶液出口濃度和溫度平均相對誤差在2%以內(nèi)；滴狀和柱狀流型下，降膜區(qū)溶液局部吸收速率分別約為管間區(qū)的10倍和7倍。上述結(jié)論可為降膜式吸收器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo)。

梁斌等[8]對豎直螺旋盤管降膜吸收器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并利用數(shù)學(xué)模型對螺旋盤管降膜吸收器吸收及換熱過程進(jìn)行分析。通過比較冷卻水流速、溶液流速、溶液濃度等相關(guān)因素對吸收器性能的影響，得到了螺旋盤管吸收器的基本性能特性。所得結(jié)論對于螺旋盤管吸收器的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 板式降膜吸收器

板式降膜吸收較殼管式降膜吸收緊湊度更高，具有高效瞬態(tài)傳熱等特性，成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。并且新設(shè)計(jì)思路和研究方法也不斷涌現(xiàn)。

翁建華等[9]建立了低雷諾數(shù)平板降膜流動與傳熱數(shù)學(xué)模型，在其基礎(chǔ)上對平板平滑和波動層流降膜的瞬態(tài)傳熱特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算求解。結(jié)果顯示，平板降膜具有高效的瞬態(tài)傳熱特性，以及波動對膜內(nèi)傳熱具有強(qiáng)化作用。其計(jì)算結(jié)果為復(fù)雜物理過程如吸收、蒸發(fā)和冷凝等降膜數(shù)值計(jì)算打下基礎(chǔ)。

Triché[10]建立了用于板式降膜結(jié)構(gòu)吸收器的數(shù)值模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果之間觀測到的最大相對誤差為15%。研究結(jié)果表明，在吸收過程中，傳質(zhì)受降膜控制，傳質(zhì)阻力和液體側(cè)傳熱阻力可忽略不計(jì)。

崔曉鈺等[11-12]提出并設(shè)計(jì)了一種新型板式膜反轉(zhuǎn)降膜吸收器，通過建立求解該吸收器的數(shù)學(xué)模型，確立其在設(shè)計(jì)條件下的最佳結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行相關(guān)的傳熱傳質(zhì)性能計(jì)算。該研究可作為板式膜反轉(zhuǎn)降膜吸收器理論設(shè)計(jì)依據(jù)，并為今后此類傳熱傳質(zhì)設(shè)備的研究設(shè)計(jì)、開發(fā)及應(yīng)用提供一定的理論參考。

Michel等[13]提出了一種新型的平板式降膜吸收器的設(shè)計(jì)方法，即采用垂直槽式降膜吸收器。并通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值工具對溴化鋰-水的吸收性能進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明，溶液流速和驅(qū)動力對吸收率的影響較大；隨著溶液入口溫度的降低，吸收率呈線性增加，降膜流量越小，這種增加越大。

Bechir等[14]研究了在豎直板降膜吸收器中納米粒子對溴化鋰水溶液液膜與水蒸氣吸收的影響。建立了冷卻水與銅納米顆?；旌系匿寤嚾芤耗媪髁鲃幽Ｐ?。通過對模型的驗(yàn)證，提出并討論了雷諾數(shù)、銅納米顆粒固體體積分?jǐn)?shù)、溶液入口濃度和溫度等參數(shù)對吸收性能的影響。結(jié)果表明，在較低的雷諾數(shù)、溶液入口濃度和較高的入口溫度下，二元納米流體比基底流體的傳熱傳質(zhì)更強(qiáng)、效率更高。

Lu等[15]采用熒光強(qiáng)度法研究了在露天和等溫條件下垂直平板上的降膜過程，分析了薄膜的潤濕特性，包括潤濕覆蓋率、最小潤濕率、膜厚和膜厚分布。并以水為工質(zhì)，比較了兩種總截面積相同的液膜分布裝置。結(jié)果表明，在較小的比液載荷下，具有更多孔的分配器在較大的潤濕覆蓋率、較高的平均膜厚和較窄的膜厚分布方面顯示出較好的潤濕性能。

Abbasi等[16]研究了平行平板垂直通道中溴化鋰水溶液對純水蒸氣的吸收，并建立了氣液兩相相互作用和熱質(zhì)交換的數(shù)學(xué)模型。通過數(shù)值預(yù)測，研究了入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣相雷諾數(shù)1 000～3 000變化對通道液膜發(fā)展的影響。結(jié)果表明，當(dāng)水入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%降低到45%，期間吸收的總量增加了34%；將氣相雷諾數(shù)從1 000增加到3 000，吸收結(jié)束時(shí)液膜厚度減少8.4%。

Rouhollahi等[17]實(shí)驗(yàn)研究了電場對液膜在傾斜板上的流體力學(xué)行為的影響。通過對15，30，45°三個(gè)不同傾角的層狀波區(qū)域、雷諾數(shù)在10～120之間的工作流體和在不同強(qiáng)度的電場條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)測膜厚的基礎(chǔ)上，通過圖像處理對有無EHD的降膜過程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到更多的平均膜厚、波頻、液速等信息。結(jié)果表明，電場不影響降膜的原始結(jié)構(gòu)，其增強(qiáng)了層流降膜的波性，提高了降膜的傳熱傳質(zhì)率。

3 降膜吸收器的應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年來，降膜吸收器在國內(nèi)眾多領(lǐng)域得到了快速推廣與應(yīng)用，如設(shè)計(jì)酯化生產(chǎn)、氯堿工業(yè)、生產(chǎn)鹽和酸等工藝過程的吸收系統(tǒng)，并取得了較好的應(yīng)用效果。

戴鋒[18]對所在公司現(xiàn)有化工生產(chǎn)中氨尾氣吸收裝置提出了優(yōu)化改造方案。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，氨的吸收率大幅提高，不僅有效改善了環(huán)境，還起到了變廢為寶、節(jié)能降耗的作用。

馬明巖[19]對磷霉素鈉的合成過程的酯化生產(chǎn)收集鹽酸設(shè)備進(jìn)行改造，使用3套降膜吸收裝置取代48個(gè)陶瓷吸收罐，由傳統(tǒng)的4級單程吸收變成了2級串級吸收方式。改造后吸收效果顯著，不但減少了泄露現(xiàn)象和設(shè)備數(shù)量，而且減少了對環(huán)境的污染，全年節(jié)水、節(jié)電共計(jì)創(chuàng)效達(dá)19.8萬元。

賈曉朵等[20]針對原工藝流程所存在的問題，采用兩級降膜吸收器和一級填料吸收塔串聯(lián)的吸收工藝，提高了HCl的吸收效率和吸收效果，生產(chǎn)的鹽酸濃度達(dá)36%以上，確保了TDI生產(chǎn)線的高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，提高了工藝系統(tǒng)的本質(zhì)安全。降膜吸收裝置投運(yùn)以后，31%鹽酸產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)可直接銷售，年銷售額達(dá)上百萬元。

王國平等[21]采用降膜吸收裝置等工藝方法處理副產(chǎn)氯化氫氣體，所得鹽酸可作為商品鹽酸銷售。經(jīng)工程驗(yàn)證，降膜吸收裝置投資金額為30萬元，年處理副產(chǎn)鹽酸1萬t，運(yùn)行成本為25元/t，年經(jīng)濟(jì)效益超過500萬元，經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。

林昌艷[22]對高純鹽酸在生產(chǎn)過程中，通過對原一級、二級降膜吸收器的管道進(jìn)行改造及增加無離子換熱器以進(jìn)一步提升鹽酸爐生產(chǎn)能力，吸收效果顯著提高，同時(shí)也節(jié)約了生產(chǎn)成本。

侯方敏[23]在氯乙酸尾氣處理生產(chǎn)次氯酸鈉工藝中，對原有尾氣經(jīng)填料塔、降膜吸收器處理工藝流程進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)措施后，次氯酸鈉成品中有效氯含量穩(wěn)定在10%以上，游離堿在1%左右。

4 總結(jié)與展望

降膜吸收器因其優(yōu)秀的吸收性能和傳熱傳質(zhì)等性能日益受到人們的重視。隨著高性能計(jì)算機(jī)和CFD仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用，為研究降膜式吸收器提供了一種重要途徑。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者針對降膜式吸收器以及對相關(guān)的工程應(yīng)用的研究越發(fā)活躍，降膜式吸收器的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍愈加廣泛。

雖然降膜式吸收器的研究已經(jīng)取得了諸多研究成果，并在工業(yè)、化工等領(lǐng)域達(dá)到了可接受的成熟程度，但也存在許多不足之處，需要更多的實(shí)驗(yàn)工作和理論分析。

(1)降膜式吸收器內(nèi)的傳熱傳質(zhì)過程較為復(fù)雜，影響吸收效果的因素眾多，不同模型的建立求解和實(shí)驗(yàn)誤差，致使各模型所得結(jié)果存在很大差異。

(2)結(jié)垢、腐蝕一直是影響降膜吸收器性能的關(guān)鍵因素，因此，針對降膜式吸收器的研究、設(shè)計(jì)過程中要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，尋找節(jié)能環(huán)保、耐腐蝕等材料成為今后的主要研究方向，以此提高吸收性能、延長使用壽命，確保運(yùn)行、生產(chǎn)穩(wěn)定高效。