3.8　其他结构填料的水力学和传递

3.8.1　波纹填料：开放错流结构（OCFS）

3.8.1.1　流区

由于波纹填料出色的径向混合特性，液体分布不是一个严重问题。即便分布器设计不好也能在相对短的距离内通过再分布使流动达到完全发展的流体流动分布。对类似于Katapak-M波纹结构填料中的单相流可视化实验揭示，在这类波纹结构填料中存在有三个主要的流体流动路径：第一个路径遵从波纹片中的“谷底”方向，流体从一个反应器壁传输到同一层中对面器壁，并与反应器进行传热，再从左边折向传输到邻近层的右边［图2-14（a）］；第二个重要的流体流动路径在结构内，自行回绕片波纹结构的交叉点波动，以确保流体有好的混合和使流体和结构表面间在流动时有良好的传热［图2-14（c）］；第三个路径是在结构和反应器壁间的间隙短路流动［图2-14（b）］。

在顺流操作模式下对波纹结构中的第一个两相流动路径的跟踪指出，也存在三个不同的流区：低液体流速时的环形流；较高液体流速时的分层扰动流；大液体流速时的气泡流。当使用不同黏度的液体时，以不同液体速度对气体速度的作图指出，液体流速对流区的过渡有很大影响，而气体流速对所有黏度液体仅有轻微的负面影响，也就是只使流区过渡时的液体流速稍小。

3.8.1.2　气液传质

波纹填料的界面面积有可能远大于几何表面积。气液界面面积与几何表面积之比ae/ap随液体流速的增加而增加，但是有一个极限值，它与Reynolds准数的关系给于图3-54中。结果清楚地指出，对不同的填料结果有很大不同，Mellapak型和有波纹板的填料有比较大的值是因为它们具有孔眼形式的粗糙结构。

波纹填料的气液界面面积与几何表面积之比的关联式（气液顺流）见方程（3-76）。气液顺流时的气液界面面积的一些关联给于方程（3-77）。波纹填料中液体完全润湿的假设在多数情况下是合理的。液体滞留与气体流速几乎无关，直至液返发生，但是与液体的黏度和表面张力有关，波纹填料上，膜流时的液体滞留量关联给于方程（3-78）。对波纹填料尚无两相流顺流压力降的关联，但是有多个单相流时的压力降关联，其中几个给于方程（3-79）～方程（3-81）中。对两相流可以借用涓流床非结构填料的压力降关联式。

膜流区气液顺流时的界面面积关联：

实验测量值与计算值ae的比较见图3-55。

液边传质系数kL的关联：

膜流区顺流时的液体滞留量关联：

膜流区逆流时的单相气体的压力降关联：

式中，S为填料通道边长；θ为填料与水平位置的夹角；c1和c2取决于填料的常数；γ为表面物料润湿的接触角，其他符号有一般的意义。

逆流时气液停留时间分布关联：

对波纹结构填料提出了一些传质和传热的关联。在膜流区顺流时的气液传质关联如下。

传质系数kLae的关联

关联预测值与实验测量值比较见图3-56。

3.8.1.3　润湿分数和液固传质

液固传质的润湿分数关联：

液固传质系数关联：

虽然波纹填料的传质关联都是来自蒸馏体系，但是也有考虑结构填料特殊性的传质关联。表3-10给出了波纹填料的ae和kLae，流区不同它们的值也不同。表面润湿分数与液体流速和黏度的关系给于图3-57中，很有可能发生沟流和表面不完全润湿。此时，忽略轴向混合对传质速率的作用可能导致对传质推动力的过高估算。因此，合适评估轴向反混效应是重要的。

对该类结构填料，传热参数ie，r和RW随流速的增大而增加，原因是改进了结构内的混合和降低了边界层厚度。结构和壁间的间隙（1～2mm）对传热影响的研究指出，因随流动短路增大和混合效率降低，使总传热系数下降。有效径向热导率ie，r一般在1～2W/（m· K）之间，而壁传热系数RW在60～80W/（m2·K）之间（远低于实际多相放热反应所要求的值）。在两相流中，除了质量流速和热容量外，液体滞留量也能够在传热中起显著作用，气液相互作用产生的湍流强化径向混合，使ie，r值显著增大。填料与壁间的强化径向混合也能够使在壁上产生对流传热，给出较高的RW。这一假设应该进一步进行研究。

3.8.2　封闭错流结构波纹填料（CCFS）及其流体力学特性

由于这类结构中无法进行通道间的交换，在闭合通道结构中的初始液体分布像在蜂窝独居石中那样是非常重要的。其流型也与独居石一样，很少有径向返混问题。该结构之所以如此特别，在于它的壁是开放的，由于流体被定向于邻接层中，从左向右或从右向左流动，它会直接撞击反应器管壁，使管壁上的静止流体层发生扰动。如果通道足够小且气体液体流速比在正确的范围内，会产生Tayler流。组合改进的传热性能和比较低的压力降，Tayler流可以导致高的传质速率。在闭合通道填料中的压力降要低于标准填料，即便闭合通道有较大的几何表面积。通过在两波纹板之间插入的平板，气体-气体相互作用被气体-液体摩擦所代替，降低了能量消耗。虽然尚未有闭合波纹填料的压力降关联，类似于开放结构的波纹填料，它的两相压力降可以从干压力降和液体滞留量计算。在壁上开放的闭合通道填料能有效地扰动填料表面与壁间层流膜，因流动是被定向从结构到壁。这样会产生湍流，从而改进从填料到壁的传热。与蜂窝独居石不一样，闭合通道填料对填料表面与壁间的间隙大小不太敏感。流体流动可视化实验证实：波纹片间的平板片比较有效地导向流体向着壁流动，改进了总传热系数。对闭合通道填料单相传热测量说明，与开放错流结构填料或球形颗粒床层比较，在较低压力降条件下使壁传热系数得以提高。

3.8.3　编织线结构填料及其流体力学特性

当需要在限定高度内有很高的理论板数目时，在蒸馏中广泛应用编织线做成的结构塔填料。其特征是一束编织好的金属丝网。编织形式可分为平的、卷曲和卷筒状，以获得所需要的圆柱形填料直径。对低表面张力的液体用它可以同时获得低压力降和良好的润湿特性。由于细线的毛细作用使液体分散和与气体接触都很好，因此可以在低压力降条件下保持非常好的传输效率。遗憾的是没有传热数据，也很少有催化涂层研究。下面是叙述一些相对重要的编织填料的流体力学和传输特性经验关联。

与波纹填料不一样，这类填料没有液体的自分布特性，因此初始液体极其重要。图3-58给出这类填料上的流区及其过渡，而拟合的过渡条件关联方程给于式（3-89）～式（3-91）中。从一个流区到另一个流区的过渡是非常尖锐的。表3-11和图3-59给出不同气液相互作用区的气液界面面积。气液界面面积与流区、气体和液体流速及性质以及操作模式密切相关，该类填料对低表面张力的液体润湿非常好，由于这类填料有高的几何表面积，因此具有好的传递特性。

3.8.3.1　流区

流区的过渡示于图3-58中。数据归纳出的流体流动流区过渡的判据如下。

（1）从涓流到脉冲流：

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

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

（2）从脉冲流到栓流：

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

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

3.8.3.2　气液传质

气-液界面面积ae：

对涓流：α=5970，β1=0.156，β2=0.514

对脉冲流：α=1772，β1=0.267，β2=0.316

对栓流：α=141660，β1=0.526，β2=1.33　　（3-92）

对膜流：ae=356　　（3-93）

气-液传质，膜流：

3.8.3.3　液体滞留量

膜流：

3.8.3.4　压力降

对涓流：β3=7.02 × 106，β4=6.7 × 104

对脉冲流：β3=-2.76 × 106，β4=7.23 × 104

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

3.8.4　金属、陶瓷和石墨发泡体

固体发泡填料是同时具有高表面积和低压力降的新一代填料，主要是由于它是由高至97％的小尺寸空隙率的开放池结构构成的。铝发泡体由于特别出色的性能近来获得广泛的应用，用以增强传热和流动控制。下面给出这类发泡体的一些传递特性关联。

3.8.4.1　压力降

3.8.4.2　总液体滞留量

式（3-98）和式（3-99）中的常数对不同的通道密度PPI（每平方英寸多少个通道）是不一样的。

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　液体停留时间分布

对PPI=45的发泡体：DEX=1.26 × 10-3uL　　（3-103）

对PPI=60的发泡体：DEX=1.01 × 10-3uL　　（3-104）

BoL=，其数值取决于液体和气体流速。

3.8.4.4　总传热系数

同时也有一些图示：图3-60给出了在不同气体负荷以及不同PPI和液体流速下干和湿床层的压力降的关系，指出压力降不仅随气体负荷而且也随PPI和液体流速的增加而增加；图3-61和图3-62分别了给出了静态液体滞留和总液体滞留且与实验值作了比较；图3-63给出了传质系数；图3-64给出了轴向扩散系数。图3-65给出了理论预测与实验测量的传热系数的比较，其传热性能远远好于一般填料床层。已经开发出用沥青制造的碳质发泡体。石墨发泡体的热导率与铝发泡体相当，但其密度仅为后者的1/5。其开放结构的表面积是一般换热器的100倍。25％致密石墨发泡体的本体热导率是180W/（m·K），与之比较的铝发泡体为15W/（m·K），铜发泡体为40W/（m·K）。多相结构反应器已经刺激学术界和工业界的多个研究组，把对它们的发展研究作为热门重点领域。虽然对独居石和开放波纹填料已经有许多关于流体力学压力降传质和传热的关联，但对线网、发泡体和闭合波纹填料，这样的关联比较少。对液固传质，已经在独居石和开放波纹横流结构材料中进行了实验测量，也已经清楚了解了独居石、开放波纹横流结构材料和发泡体的轴向扩散和停留时间分布。

这些信息和数据已经为这些结构材料的应用打下了基础，虽然仍然需要做更多的工作，包括要做实验的类型、测量技术和流体力学模型等。

3.8.5　纤维材料上的传质和流体力学

在纤维织物上的流动特性肯定与颗粒床层有差别，有必要比较在颗粒、独居石和布等不同形式催化剂上的传输性质。

3.8.5.1　单相流

用压力降表示的层状织物的动力学性质研究指出，当空气或水流过活性碳纤维（ACC）时的压力降与织物的特定结构特征如开孔程度有关，而且不能用通常的压力降摩擦因子来关联，因为它与流体的性质的关系极大。

3.8.5.2　两相流

在结构填料装填的鼓泡塔中可以观察到三个流区：①当气/液流速比uG0/uL0< 30（uL0=0.61cm/s）且纤维层间距小于塔径时为气泡流，气体在每个纤维层进行再分布，气体表观流速增加，气泡直径也增加，直至气体变为连续相，如图3-66（a）～（c）所示；②当气/液流速比uG0/uL0<100时是环流区，此时液体在纤维布上面；③层间间隔大于60mm时的栓流和乱流区，液体栓的上下变化导致如图3-66（d）和（e）所指出的混沌行为。流体力学参数如压力降和液体滞留量与纤维层织物结构主要是纺线间的距离有关。

对涂层金属筛网的催化纤维和布的研究已经有长足的进展。纤维催化剂具有可变几何结构，传质特性出色，压力降可与独居石催化剂竞争，比颗粒床层低1～2数量级，因此对在高流速和低压力降需求的反应中应用有吸引力。在液相反应中，纤维催化剂基本上消除了传质阻力。涂层纤维可以具有高的比表面积，纤维催化束具有独居石催化剂那样不可移动和短扩散距离的特点。

纤维催化剂可以做成很多形式，如切断丝、长丝、纱和编织或针织布、非织毡、纸和卷等，可以做成二维构架、波纹状、盘形或次结构束（如卷、独居石），可按反应室要求做成圆形、矩形等。因此筛网催化剂的装填要比独居石催化剂容易和廉价。纤维网催化剂极易拆开，可容易地除去结垢和焦粒子，而独居石催化剂要机械清洗是比较困难的。纤维催化剂容易做成具有多功能性的结构，例如催化蒸馏、吸附催化和催化过滤，也容易做成夹心结构。催化纤维和布要应用于放热、生产化学品和消除污染物，在工程和催化剂科学上仍面临挑战。首先是纤维催化剂的发展要求新催化载体及其催化剂的开发以改进它的气体动态学、传质和传热特性，为了设计还必须了解流体力学和传输过程。