豎直降液膜流動在反應(yīng)工程中的應(yīng)用

陳世昌，馬建平，張先明，陳文興

（浙江理工大學(xué)紡織纖維材料與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，浙江 杭州 310018）

進(jìn)展與述評

豎直降液膜流動在反應(yīng)工程中的應(yīng)用

陳世昌，馬建平，張先明，陳文興

（浙江理工大學(xué)紡織纖維材料與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，浙江 杭州 310018）

豎直元件上的降液膜流動由于具有傳熱傳質(zhì)系數(shù)高、氣液接觸面積大和表面更新速度快等優(yōu)點，因而在化工和聚合反應(yīng)工程上有著廣泛應(yīng)用。本文綜述了豎直降膜元件上液膜流動的實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬，分別介紹了低黏流體降液膜流動在氣體吸收與化學(xué)反應(yīng)等方面的應(yīng)用和高黏流體降液膜流動在涂覆與聚合物脫揮等聚合物加工中的應(yīng)用情況。總結(jié)表明，目前對于低黏流體在豎直元件上的降液膜流動研究已較為成熟，而高黏流體降液膜流動的大部分研究僅著重于其成膜性能上。最后分析了降液膜流動的研究趨勢，指出涉及熱質(zhì)傳遞與化學(xué)反應(yīng)耦合的高黏流體在豎直結(jié)構(gòu)上的降液膜流動是今后的重點研究對象。

降液膜；流動不穩(wěn)定性；傳熱；傳質(zhì)；聚合；反應(yīng)工程

豎直降膜元件上的降液膜流動是一種特殊的受迫運(yùn)動，流體流動時液膜內(nèi)表面黏附于固壁上，另一表面暴露于真空或特殊氣體氛圍中而被稱做自由面，因具有溫差小、傳熱傳質(zhì)系數(shù)高、氣液接觸面積大、表面更新快、結(jié)構(gòu)簡單以及動力消耗小等優(yōu)點，作為一種高效熱質(zhì)傳遞單元操作技術(shù)在工程熱物理、石油化工、核能技術(shù)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。降液膜流動過程具有流體動力學(xué)行為豐富多變的特點，如其自由面更新頻率快、多種波以及流場的演化等問題一直受到研究者廣泛關(guān)注。近年來，許多化工研究者采用直管等立式結(jié)構(gòu)裝置，進(jìn)行了氣體吸收、化學(xué)反應(yīng)和降溫?fù)Q熱等過程的研究，而高分子溶液涂膜、聚合物脫揮和聚酯增黏等高黏流體在豎直降膜元件上流動的同時來完成相應(yīng)化工單元操作的技術(shù)也引起了越來越多研究者的興趣，且其中一些技術(shù)已在實際生產(chǎn)中有所應(yīng)用。利用豎直降液膜的三維波動特性來強(qiáng)化學(xué)工程中的熱質(zhì)傳遞問題，已成為傳遞科學(xué)與工程界一個十分活躍的研究領(lǐng)域。

1 豎直降液膜流動的不穩(wěn)定性

1.1 不穩(wěn)定性機(jī)理

降液膜流動的研究始于Kapitza父子[1]在豎直玻璃管上進(jìn)行的實驗，他們在實驗中還觀察到了不穩(wěn)定的表面波和孤波現(xiàn)象；Benjamin[2]對任意傾斜角（β）平板上的降液膜流動進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)豎直（β=π/2）情況下觀察不到均勻穩(wěn)定的層流，液膜流動演化為復(fù)雜的運(yùn)動；Yih[3]利用攝動法對沿豎直平板下落的恒溫薄膜進(jìn)行了線性穩(wěn)定性分析，獲得穩(wěn)定流動條件下的臨界雷諾數(shù)（Rec=5cotβ/4），這說明豎直降液膜過程中，不管雷諾數(shù)多小，其流動總是長波不穩(wěn)定。

因為自由表面波不穩(wěn)定性是降液膜流動的主要特征，對于相應(yīng)的不穩(wěn)定機(jī)理及其影響因素有必要展開深入的研究。Smith[4]分析了長波不穩(wěn)定性的相關(guān)機(jī)理，指出薄膜流動不穩(wěn)定機(jī)理由液膜流動不穩(wěn)定性的引發(fā)機(jī)理和產(chǎn)生界面不穩(wěn)定運(yùn)動的增長機(jī)理兩部分組成。對于交界面為切向應(yīng)力邊界的薄膜流動來說，當(dāng)界面變形時，會引發(fā)產(chǎn)生擾動的剪切應(yīng)力，其大小與界面處速度的曲率成比例。應(yīng)力產(chǎn)生的作用是不穩(wěn)定性所需能量的主要來源，而應(yīng)力擾動帶來的主要影響在于其促進(jìn)擾動在薄膜縱向流動中放大，進(jìn)而導(dǎo)致波動加劇。杜小澤等[5]根據(jù)能量變化分析流動慣性力與表面張力對薄液膜的波動影響，認(rèn)為液膜蒸發(fā)時熱流率的增加導(dǎo)致了維持液膜穩(wěn)定作用的壁面毛細(xì)吸附力減小，液膜發(fā)生斷裂。王補(bǔ)宣等[6]則考慮降膜流動特征與壁面熱流率密切相關(guān)，認(rèn)為液膜流動狀態(tài)的變化源于薄液膜內(nèi)熱狀態(tài)不平衡。馬學(xué)虎等[7]研究固壁與流體的界面作用，得出不同物理化學(xué)性質(zhì)的固壁可以通過改變固液表面自由能差而影響降液膜平均厚度等流動特性。盧川等[8]則認(rèn)為降液膜的不穩(wěn)定流動具有區(qū)域分布的特點，其不穩(wěn)定的主要原因在于降膜形成的小波、孤波與正弦波等前后波發(fā)生融合。

1.2 豎直結(jié)構(gòu)上液膜流動的時空演化

Takahama和Kato[9]對豎直圓管外壁上的降液膜流動特性進(jìn)行了實驗研究，隨著液膜縱向發(fā)展以及Re的增大，液膜流動的不穩(wěn)定性增加，但在一定流動條件下存在著一個Rec，在此臨界值之上波動不但不會加劇，反而會降低。Karapantsios和Karabelas[10]考察了高Re下豎直管內(nèi)的降液膜流動，也發(fā)現(xiàn)了類似的流動特征，但對膜厚的統(tǒng)計分析表明膜厚的變化具有隨機(jī)性，而對波峰分析發(fā)現(xiàn)波數(shù)幾乎不變。Liu等[11]研究了薄液膜在Re小于200時沿平板流動的表面波演化過程，認(rèn)為小孤波間的相互作用及其發(fā)展是薄膜呈波形流動的根本原因，且周期性的擾動會使孤波間隔變得無序。Park和Nosoko[12]觀察了豎直平板上水膜在Re為33時從一維流動演化至二維非線性波并最終發(fā)展為馬蹄形三維波的過程（圖1）。Nosoko和Miyara[13]在液膜流動起始處施加一定頻率的擾動，發(fā)現(xiàn)降液膜波動方式與受迫擾動頻率相關(guān)，當(dāng)擾動頻率足夠大時，初始二維波極易變?yōu)槿S波，且流動方式變得極不規(guī)則，最終類似于紊流。

隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，一些先進(jìn)的流場測試技術(shù)逐漸被應(yīng)用到降液膜流動的研究中來。Drosos等[14]利用高速攝像獲得了不同Re下液膜表面的波動情況，研究了不同流速下的降液膜流體動力學(xué)特性。Yu等[15]采用激光多普勒測速儀（LDA）得到不同氣液逆流動條件下降膜流動的液相速度分布，結(jié)果表明氣液逆流時的降膜流動是以近界面區(qū)域的速度波動為特征的流動，這與Nusselt模型明顯不同，其最大速度出現(xiàn)在液膜表面，且氣液界面區(qū)域的速度波動可以加快表面更新速率，產(chǎn)生的微小對流可以增強(qiáng)氣液界面的傳質(zhì)過程。

圖1 水在垂直平板上的降液膜流動演化

1.3 加熱壁面上的降液膜流動

由于液膜傳熱在蒸發(fā)、吸收等場合中有著重要的應(yīng)用，許多研究者對加熱情況下的降液膜流動進(jìn)行了大量的研究。Bankoff[16]的研究結(jié)果表明，若液膜足夠薄，在對熱的壁面進(jìn)行冷卻時，液膜內(nèi)部出現(xiàn)很大的溫度梯度，其換熱及傳質(zhì)強(qiáng)度是同等流動條件下單相流動的幾倍甚至幾十倍。Dao和Balakotaiah[17]對甘油水溶液在豎直管內(nèi)的降膜吸收進(jìn)行實驗研究，認(rèn)為液膜的吸收過程使得降液膜自由表面波的環(huán)狀流轉(zhuǎn)變?yōu)槠酵屏?，并由此可以確定液膜的臨界流速。Samanta[18]研究了加熱豎直管外的自由降液膜流動，獲得液膜流動形態(tài)并測量了液膜厚度，給出了平均液膜厚度與Re的準(zhǔn)則關(guān)系式。Zhang等[19-20]對均勻加熱或冷卻豎直平板上薄液膜流動的溫度分布和流動模型的研究結(jié)果表明，薄膜的流動情況與加熱條件息息相關(guān)，冷卻使其液膜表面積增加，而加熱后則會變小，認(rèn)為是Marangoni效應(yīng)對流動特性產(chǎn)生重要的影響，最終導(dǎo)致了液膜破裂。

1.4 降液膜流動的理論分析與數(shù)值模擬

對于復(fù)雜的降液膜流動，通過數(shù)值模擬方法建立的各種模型為液膜流動及其傳熱傳質(zhì)的研究提供了極大的便利。錢煥群等[21]采用邊界層理論對自由降液膜流動的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析簡化，得到液膜流動的二階邊界層模型，根據(jù)線性穩(wěn)定分析，將計算結(jié)果分別與Orr-Sommerfeld方程和一階邊界層模型的計算結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)二階邊界層模型能準(zhǔn)確描述下降液膜流動的波的特征，且對于高Re和高頻率波動的液膜流動，二階邊界層模型近似效果更加明顯。Pavlidis等[22]研究了在豎直圓筒內(nèi)表面和外表面以及平坦壁面上完全發(fā)展的一維黏彈性薄膜流動，分析并計算了速度分布和壓力對薄膜流動的幾何形狀與本構(gòu)模型中的參數(shù)等產(chǎn)生的影響。

近年來越來越多的交界面數(shù)值模擬技術(shù)被運(yùn)用到降液膜的研究中，如移動網(wǎng)格法、邊界積分法、粒子法、流體體積法（VOF）等。其中VOF法由于所需儲存信息少，能自動處理交叉的自由邊界，并且很容易拓展到三維計算中，用它來追蹤不可壓縮流體動力學(xué)中的自由表面特別方便，因而被廣泛應(yīng)用于研究自由降液膜流動問題。Gao等[23]以VOF法模擬薄膜的自由表面，數(shù)值計算了N-S方程，通過分析入口處受迫擾動的二維豎直降液膜表面波的不穩(wěn)定性，認(rèn)為影響波特點的參數(shù)主要是Re和擾動頻率，并比較了高頻低Re下的近正弦形小振幅波和低頻高流速下的孤立波，出口采用自由邊界條件，使用連續(xù)表面力方法（CSF）加入表面張力進(jìn)行計算，將數(shù)值結(jié)果與已有的實驗相比較，結(jié)果比較吻合。馬學(xué)虎等[24]利用CSF-VOF方法捕捉降液膜流動的自由表面，考慮表面張力對降液膜流動的作用，研究了液膜隨著入口擾動頻率、Re等因素的變化而波動的演化過程。最近，Bo等[25]在流動邊界入口處引入小振幅受迫擾動，也采用CSF-VOF法研究了表面張力和黏度對波行為與液膜流體動力學(xué)的影響。

一些特殊結(jié)構(gòu)如豎直鐵絲和纖維上的降液膜流動也引起了研究者的興趣。Trifonov[26]使用積分法計算沿豎直絲線和管上的黏性降液膜變化的非線性波形結(jié)構(gòu)，根據(jù)重力、黏性力和毛細(xì)力等作用項得出了有限振幅的行波解；他還對沿波紋面的黏性薄膜流動進(jìn)行理論分析[27]，考慮大范圍Re和表面幾何特性，計算自由面形狀和其他流動特征，認(rèn)為對于一維表面，在一定參數(shù)范圍內(nèi)流動主要是受表面張力控制，這種流動只需用積分方法來處理。Grünig等[28]在沿著單根豎直鐵絲逆氣流的薄膜流動實驗中研究了液膜破裂過程，由于細(xì)絲上的流體動力學(xué)特征不同于平板表面的薄膜流動，表現(xiàn)為特殊的液珠流動，當(dāng)薄膜遇到明顯的逆向氣流時，流動模式會發(fā)生變化，但液體滯留性和界面面積幾乎不受影響，由此液膜發(fā)生破裂。Ruyer-Quilet等[29]研究了沿單根豎直纖維上重力驅(qū)動的降液膜流動，所用模型中考慮了流動慣性和流向黏性擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)黏性擴(kuò)散效應(yīng)對線性波具有穩(wěn)定分散作用，其模擬結(jié)果與實驗相比在線性和非線性體系內(nèi)都較為一致。在此基礎(chǔ)上，他們還研究了纖維上液膜流動的軸對稱行波的傳播[30]，根據(jù)4種不同主導(dǎo)作用的物理效應(yīng)將薄膜流動分為4種流態(tài)：類滴流，慣性驅(qū)動流，重力驅(qū)動流以及類孤波流，分析了行波從一種流態(tài)到另一種流態(tài)的復(fù)雜轉(zhuǎn)變。Zakaria等[31]則討論了恒速繞軸轉(zhuǎn)動的豎直圓筒外表面上黏性降液膜的線性和非線性穩(wěn)定性條件。

豎直降液膜流動的不穩(wěn)定特性使其在需要傳熱和傳質(zhì)的反應(yīng)工程上能較好的發(fā)揮作用，如通過設(shè)計不同降膜元件的反應(yīng)器可以使得溶液在設(shè)備內(nèi)具有不同的停留時間，一般不同的化學(xué)反應(yīng)則需要不同厚度的降液膜。因此，降液膜的流動特性、成膜條件、膜厚以及不同性質(zhì)流體液膜的傳熱與傳質(zhì)效率等對反應(yīng)工程具有重要的影響作用。

2 低黏流體豎直降液膜流動的應(yīng)用

2.1 氣體吸收

對于工業(yè)上氣體吸收（或濕法滌氣）過程中使用的氣液接觸器，其裝備的優(yōu)化設(shè)計旨在讓液體吸收劑以薄膜的形式沿著塔形接觸器的豎直壁面流動，如一些研究者所采用內(nèi)部件為豎直絲線的氣液接觸器[32-33]，溶液可以沿著豎直絲線做降膜運(yùn)動，這種結(jié)構(gòu)能明顯擴(kuò)大了氣液交界面積，促進(jìn)氣液兩相的混合，從而提高氣液兩相間的傳質(zhì)與傳熱。Broniarz-Press[34]報道了水與CO2在一個同軸環(huán)形空間內(nèi)氣液逆流動，考察粗糙螺旋的圓筒外表面對氣體在降液膜流動過程中吸收性能的影響。Park和Nosoko[12]研究了水膜沿著豎直壁面（圓筒內(nèi)表面和外表面，平板外表面）流動時由聲振蕩器產(chǎn)生的表面波特點及其對CO2和O2在水膜中吸收效果的影響。Komae等[35]將柔性硅橡膠帶以多級螺旋的形式緊緊纏繞在豎直圓筒外表面，纏帶將沿著平行通道的水膜流動分為若干個流動區(qū)域，相對于在直接圓筒壁面上的降液膜流動，這種結(jié)構(gòu)可以使液體和周圍的氣體相互接觸時間更長，同時離心力可以引發(fā)水的振蕩運(yùn)動，提高吸收氣體性能，但是沿著這種螺旋通道形成的溪流會比在豎直平板壁面上流動的普通水膜要厚，這對氣體吸收是不利的。此外，一些研究者通過使流體在降膜設(shè)備上形成湍流、液膜表面波或進(jìn)行螺旋流動，以此改善壁面液膜的氣體吸收性能[36]。

2.2 化學(xué)反應(yīng)

利用溶液在重力驅(qū)動下沿著降膜設(shè)備形成薄液膜流動的同時進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用也越來越多。這種降膜所需的固定支撐壁面通常是豎直的薄壁或小直徑列管，該結(jié)構(gòu)特別適用于溶液與氣體的化學(xué)反應(yīng)。由于薄膜有利于強(qiáng)化傳熱與傳質(zhì)的特性，它適合需要換熱的氣液化學(xué)反應(yīng)，如CO2、SO2和NH3的吸收反應(yīng)。Puma和Yue[37]研究了一種層流降膜的泥漿光催化反應(yīng)器，用于水楊酸在氧氣下轉(zhuǎn)換為CO2和H2O的反應(yīng)，其采用的反應(yīng)柱是一根豎直固定表面光滑的不銹鋼管（長度為1.6m，直徑為0.108m），紫外光照射在管外流動的液膜上引發(fā)反應(yīng)，效果良好。德國美茵茲微技術(shù)研究所設(shè)計的一種微型降膜反應(yīng)器，其生成的液膜厚度可以小于100μm，這種反應(yīng)器具有優(yōu)良的排熱效果，可用于芳烴的直接氟化反應(yīng)[38]；Yeong等[39]將其用于硝基苯還原為苯胺的反應(yīng)，在更低濃度原液下日產(chǎn)量提高近一倍。Zaid等[40]將波紋壁面的管式降膜反應(yīng)器用于直鏈烷基苯的磺化反應(yīng)，對其波紋壁面的影響進(jìn)行了研究，與光滑的降膜反應(yīng)器相比，多級波紋結(jié)構(gòu)明顯促進(jìn)了反應(yīng)器的傳熱，提高了反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但波紋壁面引起的湍流和壁面的液膜停滯展開競爭，在凹進(jìn)的區(qū)域產(chǎn)生不期望的連續(xù)反應(yīng)造成產(chǎn)物色值較差。最近，Sun等[41]將豎直降膜柱用于LiOH和CO2反應(yīng)生成Li2CO3，LiOH溶液依靠重力在豎直降膜柱內(nèi)壁形成薄液膜流動，通入CO2與其反應(yīng)產(chǎn)生沉淀物，溶液沿著豎直壁面流到出口，經(jīng)過漿料槽再被輸送至降膜柱頂端，漿液在料槽和降膜之間循環(huán)流動直至碳化反應(yīng)完成。隨著溶液溫度升高，Re明顯變大，膜厚和Li2CO3的暴露時間均減小，而較大流率時液膜流動的Re變大，液膜厚度增加，Li2CO3的暴露時間延長，另外，溶液結(jié)晶為碳酸根離子從界面處液膜流動到主溶液里提供了便利，使得整體吸收速率提高。一些豎直結(jié)構(gòu)上的降液膜流動在反應(yīng)工程中的應(yīng)用如表1所示。

2.3 降溫?fù)Q熱

在化工換熱器、吸收式制冷機(jī)和熱泵等強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)性能的設(shè)備中，豎直管式的結(jié)構(gòu)設(shè)計有著廣泛的應(yīng)用。如作為吸收式熱泵主要部件之一的吸收器多采用LiBr溶液在豎直管外降膜吸收來完成較為復(fù)雜的熱-質(zhì)傳遞過程。Medrano等[42]進(jìn)行了LiBr水溶液在光滑豎直管內(nèi)壁上的波狀層流降膜過程中水蒸汽吸收的實驗研究，結(jié)果表明，在水冷卻降溫條件下降膜吸收的傳質(zhì)系數(shù)比空氣冷卻時提高了3倍以上，但對于H2O-LiBr溶液在豎直管內(nèi)壁的降膜吸收效果和其他研究者管外的降膜吸收相比幾乎沒有差別。尹銘等[43]考慮降膜吸收過程中工質(zhì)的物性變化，通過對降膜吸收過程劃分微元進(jìn)行分析，實驗研究了LiBr溶液在豎直光滑管和4種強(qiáng)化換熱管外降膜吸收的傳熱傳質(zhì)情況，認(rèn)為豎直管上低肋、翅片、斜槽等結(jié)構(gòu)的存在一方面加劇了Marangoni效應(yīng)和物流的擾動，另一方面可以增加換熱面積，從而使得換熱得到強(qiáng)化，且在一定范圍里，管內(nèi)表面構(gòu)型與管外相比對LiBr溶液的降膜傳熱影響更顯著。Bo等[44]利用CFD模擬豎直管外LiBr溶液的降膜吸收過程，由于界面處與吸收相關(guān)的不同加熱效果以及冷卻溶液在較小流動距離上壁面處的冷卻作用，溫度呈現(xiàn)指數(shù)分布，其梯度較大，隨著流動距離增加，溫度接近于線性分布，而吸收的傳熱與傳質(zhì)流率由入口處的最大值逐漸變小。

表1 不同豎直結(jié)構(gòu)上降膜流動在反應(yīng)工程中的應(yīng)用

3 高黏流體的液膜流動

降液膜流動在蒸發(fā)、冷凝、吸收、換熱、水動力等工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，因其主要工質(zhì)是水、醇類或溴化鋰的水溶液等黏度極低的流體，對應(yīng)的降液膜流動大多數(shù)發(fā)生在層流的中高Re區(qū)或湍流區(qū)。但對于一些高分子溶液的流動，如涂膜、乳膠制備以及聚合物脫揮等，流體的黏度常常很高，液膜流動時的Re并不大，尤其是對于一些伴隨化學(xué)反應(yīng)的傳質(zhì)過程，降膜的流體黏度可達(dá)1000 Pa?s以上，這類高黏流體的降液膜流動過程有待進(jìn)一步深入研究。

3.1 涂覆中的液膜流動

旋轉(zhuǎn)涂膜中薄膜體系的宏觀不穩(wěn)定會導(dǎo)致液膜流動呈現(xiàn)不均勻的擴(kuò)展。Cheng等[45]采用數(shù)值逼近法研究了黏彈性聚合物流體薄膜在豎直滾筒上涂覆流動的非線性動力學(xué)的穩(wěn)定性。當(dāng)減小黏彈效應(yīng)或降低旋轉(zhuǎn)滾筒的速度時，液膜穩(wěn)定性增加；在較高Re時增加滾筒半徑，旋轉(zhuǎn)作用會使薄膜流動變得更加不穩(wěn)定。Boulogne等[46]報道了高分子溶液涂覆豎直纖維的薄膜動力學(xué)實驗研究，在該實驗體系中，主要考慮的是毛細(xì)力、彈性和黏性力，忽略不計慣性力和重力。他將高分子溶液在纖維上的薄膜流動分成三段區(qū)域：在平坦薄膜區(qū)入口處，薄膜厚度均一；再進(jìn)入具有規(guī)則波動的不穩(wěn)定（Plateau-Rayleigh instability）區(qū)，均勻的薄膜發(fā)展為由薄膜分離的滴狀流[47]，且此區(qū)域內(nèi)液膜流動形貌依賴于流體的非牛頓特性；最后進(jìn)入無序流動區(qū)，液滴發(fā)生聚集擾亂了流動而產(chǎn)生無序的流動模式。他們分別采用剪切變稀明顯的黃原膠/水/甘油溶液和法向應(yīng)力特性突出的聚丙烯酰胺/水/甘油溶液來考察剪切變稀和法向應(yīng)力對液膜在纖維上流動形態(tài)的影響。實驗結(jié)果表明：剪切變稀使得牛頓流體在平膜區(qū)域的拋物線型速度分布逐漸變?yōu)槿麪罘植?；恒定流動速率下，由于剪切變稀效?yīng)，液膜厚度總是小于非牛頓流體的情況；這些結(jié)論對于了解復(fù)雜高彈性效應(yīng)流體的液膜流動特性具有非常重要的作用。

3.2 聚合物脫揮中的降液膜流動

在一些較高溫度的降液膜流動過程中，由于傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)同時進(jìn)行，流體的黏度會隨著液膜的流動而逐漸升高，此時液膜的流動與成膜特性決定了傳質(zhì)效率的高低，故而降膜設(shè)備的結(jié)構(gòu)顯得尤為重要，聚合物脫揮正體現(xiàn)了這一過程。Stober等[48]設(shè)計了一種落條式薄膜脫揮器，聚合物熔體通過噴嘴或窄縫擠出，呈液滴、液柱或液膜狀落下，氣液接觸面積由此增大，熔體中的揮發(fā)分?jǐn)U散距離縮短，從而傳熱傳質(zhì)效率得到提高，加速了脫揮和縮聚過程。日本旭化成公司開發(fā)的沿絲降膜聚合裝置[49]，其熔體原料經(jīng)分布器分布在集束的金屬絲或鏈等導(dǎo)向元件，形成落條式自由降膜流動，可以獲得極高的比表面積，在高真空環(huán)境下實現(xiàn)短時間內(nèi)的高效脫揮。

由于高黏度的流體降液膜流動都是在一些結(jié)構(gòu)特殊的設(shè)備中進(jìn)行，流場結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，液膜流動過程受設(shè)備幾何結(jié)構(gòu)、流動條件和物性參數(shù)等影響較大，對其流體動力學(xué)研究較為困難。Vijayraghvan和Gupta[50]將豎直圓盤部分浸沒于真空泵油中，流體在旋轉(zhuǎn)圓盤上成膜流動，離心力、黏性力、慣性力、表面張力以及重力共同作用決定了液膜的形狀與膜厚，實驗數(shù)據(jù)表明液膜厚度與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速以及物性相關(guān)，通過積分還可以計算旋轉(zhuǎn)圓盤上液體的霧沫夾帶。在此基礎(chǔ)上，Cheong和Choi[51-52]研究了聚合物熔體在圓盤反應(yīng)器上的流動成膜現(xiàn)象，探討膜厚的影響因素以及圓盤表面液膜分布的規(guī)律，對Vijayraghva所提出的膜厚表達(dá)式進(jìn)行校正，其形式更能準(zhǔn)確反映膜厚的變化規(guī)律。王良生等[53]在研究旋轉(zhuǎn)圓盤反應(yīng)器的熔體成膜性能的基礎(chǔ)上，借助流體力學(xué)基本原理對液膜流動的成膜機(jī)理進(jìn)行了分析。周賢爵等[54]則研究了籠式反應(yīng)器中介質(zhì)黏度、液位、轉(zhuǎn)速等對液膜流動及混合性能的影響。此外，Hasan和Naser[55]采用CFD模型對甘油溶液在轉(zhuǎn)鼓上的流動及其成膜性進(jìn)行了二維模擬研究，得到了半穩(wěn)態(tài)的膜厚值。

3.3 降液膜流動在聚合反應(yīng)工程中應(yīng)用

由于降液膜流動能促進(jìn)聚合物的脫揮過程，因而在聚酯、尼龍等聚合反應(yīng)工程中也有所應(yīng)用。Xi等[56]研究了一種柵縫式縮聚反應(yīng)器中的自由降液膜流動，在這種多層豎直的柵板上，聚合物熔體以薄膜形式靠重力驅(qū)動而自由降膜，其流動狀態(tài)近似于平推流，由于液膜厚度小，可以避免流體靜壓頭對傳質(zhì)產(chǎn)生阻礙作用，提高了熱質(zhì)傳遞效果。但是單個柵縫式降膜結(jié)構(gòu)流程短，需要采用多級柵縫部件串聯(lián)來提高聚合物熔體的停留時間和表面更新頻率，而多級結(jié)構(gòu)的采用會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)自清潔效果降低，容易引起滯留并造成降解。陳文興等[57-58]開發(fā)了一種應(yīng)用于生產(chǎn)高黏聚酯的液相增黏技術(shù)，在立式反應(yīng)釜內(nèi)采用特殊的降膜結(jié)構(gòu)，熔體從設(shè)備頂部進(jìn)入并進(jìn)行分配，均勻地從塔式成膜裝置的表面利用自身重力緩慢而穩(wěn)定的滑落向下，形成厚度均勻的連續(xù)薄膜，可以滿足較大的成膜面積和較快的表面更新頻率，加快縮聚反應(yīng)的速度，從而在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)了小分子的脫揮，到達(dá)聚酯增黏的目的。利用該項技術(shù)生產(chǎn)出的聚酯熔體特性黏度可達(dá)1.02dL/g，b值控制在3.0以下，端羧基濃度降至25mol/t，與傳統(tǒng)的臥式反應(yīng)器相比，產(chǎn)品質(zhì)量有所提高，生產(chǎn)成本明顯降低。

4 結(jié) 語

降液膜流動是一種低速的開式運(yùn)動，有著極其豐富的流體動力學(xué)行為，其流動不穩(wěn)定和高效熱質(zhì)傳遞特性等在反應(yīng)工程中有具廣泛的應(yīng)用前景。對于在豎直結(jié)構(gòu)上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的降液膜流動，液膜厚度與流動特征等對反應(yīng)的影響已取得了一定的進(jìn)展，但降液膜的溫度分布、自由面污染、化學(xué)反應(yīng)引發(fā)表面不穩(wěn)定等問題都有待深入研究。由于高黏流體參與反應(yīng)的降液膜流動大多數(shù)發(fā)生在較為復(fù)雜的降膜設(shè)備中，其流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，目前的研究大多數(shù)僅集中于其流動成膜特性上，如膜厚及其分布規(guī)律等，而低黏流體降膜流動中的一些實驗現(xiàn)象，如波動性、流動時空演化等動力學(xué)特征，以及相關(guān)的數(shù)值模擬與計算等工作在高黏流體中并未得到體現(xiàn)；此外，關(guān)于需要考慮傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)耦合的聚合物流體降液膜流動，相關(guān)的實驗和理論研究更是鮮見報道。隨著高效傳熱與傳質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，高黏流體的降液膜流動在反應(yīng)工程上的應(yīng)用必將越來越廣闊。

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Advances in application of falling liquid film for reaction engineering

CHEN Shichang，MA Jianping，ZHANG Xianming，CHEN Wenxing
（National Engineering Laboratory for Textile Fiber Materials & Processing Technology (Zhejiang)，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，Zhejiang，China）

Owing to high heat and mass transfer coefficient，large gas-liquid contact area and quick surface renewal，the falling liquid film flows on vertical structure can be used in chemical and polymerization reaction engineering. Experimental investigation，theoretical analysis and numerical simulation of falling liquid film flows on vertical structure are reviewed. The application of falling liquid film of low viscosity fluid in chemical engineering and falling film of high viscosity fluid used in polymerization reaction are introduced respectively. The falling liquid film flows of low viscosity fluid are more intensely investigated，while the study on high viscosity fluid only concerns film formation. The paper proposes the possible trends of falling liquid film. Falling liquid film flows of high viscosity fluid on vertical structure which involves the transfer of heat and mass coupled with chemical reaction will be the focus of future research.

falling liquid film；flow instability；heat transfer；mass transfer；polymerization；reaction engineering

TQ 021

A

1000-6613（2014）10-2528-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.10.002

2014-02-26；修改稿日期：2014-04-13。

浙江省重大科技專項計劃（2012C01007）及中國紡織工業(yè)聯(lián)合會科技指導(dǎo)性項目（2011139）。

陳世昌（1988—），男，博士研究生。聯(lián)系人：陳文興，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事功能性纖維的研究。E-mail wxchen@zstu. edu.cn。