基于界面润湿性的多孔介质塔板研究

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泡沫碳化硅多孔介质塔板具有良好的流体力学性能与传质性能。基于结构设计的改进与强化已经得到了广泛研究,然而基于表界面性质特别是润湿性改变的过程强化,尚未见研究报道。本文通过表面改性调控界面润湿性,系统地研究了界面润湿性的变化规律以及物系与塔板表面交互作用机理,揭示了界面润湿性对塔板流体力学性能(压降、漏液和气体均布)的影响规律,并初步探索了基于界面润湿性设计的催化塔板在费托合成反应精馏领域的应用。
  本文从表界面力出发分析了表界面润湿性,继而定性分析了表界面润湿性对单气泡行为、多气泡行为、多孔介质内部气液流动的影响,以及对塔板流体力学性能的影响。结合构建的多孔介质的简化物理模型,揭示了界面润湿性对气液两相流动的影响机制,建立了考虑界面润湿性效应的塔板压降分解新策略及其新模型,归纳出了界面润湿性对塔板宏观流体力学性能的影响规律,提出界面润湿性可能是多孔介质塔板性能强化的新方法。基于以上过程分析,本文设计实验对多孔介质塔板性能进行了以下系统研究。
  首先,基于静态接触角为61°的亲水多孔介质模型塔板,采用原位涂层生长法制备获得静态接触角为157°的超疏水模型塔板和双面模型塔板;采用异位涂层生长法(溶胶浸涂法、喷涂法)设计制备了具有不同静态接触角(51°、95°、120°、140°、155°)和动态接触角行为(滑动角分别为32°和63°)的多孔介质塔板,实现了对塔板界面润湿性的系统调控;并通过一系列稳定性测试验证了所制备的塔板涂层在各种环境下均非常稳定。
  随后,研究了具有简化物理结构的多孔介质模型塔板的流体力学性能,初步得到静态接触角对塔板流体力学的影响规律,即与超疏水模型塔板和亲水模型塔板相比,具有复合润湿性的双面塔板表现出压降中等、漏液更低、气体分布更均匀的性能,综合性能最佳。
  最后,系统研究了界面润湿性对多孔介质塔板流体力学性能的影响,得到以下规律:随静态接触角的增大或接触角滞后的减小,压降逐渐减小、漏液总体呈增大趋势、气体分布更加均匀,且此规律与过程分析得到的结论一致;此外,初步探究了超疏液多孔介质塔板作为催化塔板在费托合成反应精馏中应用的优点和技术可行性。
  综上所述,本文为多孔介质塔板的强化提供了新思路,初步形成了基于界面润湿性的过程设备设计的新方法。
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