新型納米填料制備及流體力學(xué)性能研究

王衛(wèi)東，李 偉，劉 放，曹 洋，劉建新，尹立鵬，張 鵬，

(1.吉林化工學(xué)院化工與生物技術(shù)學(xué)院，吉林吉林132022;2.中國石油吉林石化公司化肥廠生產(chǎn)科，吉林吉林132021;3.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院食品工程學(xué)院，吉林長春130052)

填料塔具有效率高、壓降低、持液量小、構(gòu)造簡單、安裝容易、投資少等優(yōu)點(diǎn)，是石油、化工、化纖、輕工、制藥及原子能等工業(yè)中廣泛應(yīng)用的氣液接觸傳質(zhì)設(shè)備之一。近年來，由于新型填料、新型塔內(nèi)件的開發(fā)應(yīng)用和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，使填料塔的放大效應(yīng)取得了實(shí)質(zhì)性的突破，填料塔在化工企業(yè)得到了很好的應(yīng)用。1998年盧柯和呂堅(jiān)提出了金屬材料表面納米化的概念。通過填料表面特征的改性(氧化處理、表面糙化等)來增強(qiáng)流體在填料表層的湍流逐漸引起了研究者的重視，有人稱之為填料技術(shù)的“二次革命”。本研究采用銅陽極氧化法對(duì)自制銅θ環(huán)填料表面進(jìn)行納米改性處理，測定其表面性能，并在內(nèi)徑為Φ100mm填料塔中，以空氣-水為工質(zhì)進(jìn)行流體力學(xué)性能測試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

氯化鈉(分析純);苯并三氮唑(分析純);氫氧化鈉(分析純;)十六烷基三甲基溴化銨(分析純);無水乙醇(分析純);丙酮(化學(xué)純);三氯甲烷(分析純)，金屬鈦網(wǎng)(網(wǎng)孔3 mm×6 mm，陜西寶雞市隆盛有色金屬有限公司)，JAM-Ⅱ-07陰離子交換膜(北京延潤膜技術(shù)開發(fā)有限公司)，銅θ環(huán)填料(自制)。

HARS-X系列高精度十進(jìn)制電阻箱(北京東英泰思特測試技術(shù)有限責(zé)任公司)，85C1-A指針式直流電流表(浙江樂清市伊萊科電氣有限公司)，SLJ-40W精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器(山東招遠(yuǎn)正泰電器有限公司);12N7-3B型高性能摩托車用蓄電池(天津統(tǒng)一工業(yè)有限公司);HH-S型水浴鍋(河南鞏義予華儀器有限責(zé)任公司);FA2204B精密電子天平(上海精密儀器有限公司;DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海一恒科學(xué)儀器有限公司)，TY-82型接觸角測定儀(河北承德實(shí)驗(yàn)機(jī)總廠)。

1.2 納米銅質(zhì)θ環(huán)填料的制備

利用溶膠凝膠法、熱氧化法、化學(xué)及電化學(xué)沉積法、反應(yīng)濺射法和多元醇法等可制備不同形貌結(jié)構(gòu)的Cu2O納米薄膜。本文采用銅陽極氧化法，在自制電解槽中，以自制銅θ環(huán)填料為陽極，金屬鈦網(wǎng)(3 mm×6 mm)為陰極，陽極室中加入1000 ml NaC1(150 g/L)和十六烷基三甲基溴化銨(2 g/L)的混合溶液，陰極室中加入1000mL NaOH(1 g/L)溶液，陽極液攪拌下，加熱至70℃，電解10 min，在銅θ環(huán)填料表面上生長納米Cu2O列陣。取出填料，用蒸餾水洗滌，干燥后，放入含0.1%(w/w)苯丙三唑的乙醇中浸泡2h后，干燥，制得納米銅θ環(huán)填料。

1.3 流體力學(xué)性能測定實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)是在一內(nèi)徑為100 mm的冷模實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行的，流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)塔內(nèi)裝填0.8 m高的填料。該實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)描述見文獻(xiàn)，本文不再贅述。

流體力學(xué)性能的研究是以空氣-水系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究銅納米θ環(huán)填料在不同噴淋密度下的最大通量(即泛點(diǎn)氣速)和氣速與壓力降的變化關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料的表面性能測定

本研究對(duì)表面納米化處理前后的銅θ環(huán)填料進(jìn)行了掃描電鏡分析，如圖1所示。b較a的表面形貌特征發(fā)生了很大程度的改變，表明普通金屬銅填料經(jīng)過納米化處理后在其表面生成納米Cu2O列陣。

圖1 銅θ環(huán)填料表面的SEM圖

2.2 填料的表面潤濕性測定

填料表面的潤濕狀況可通過測定表面與液體的接觸角，即通過接觸相的界面張力相互關(guān)系來確定，接觸角的測定方法一般分為角度法、長度法和重量法。本文采用角度法，在氧氣-水物系條件下，對(duì)水滴作切線，量其角度值，用TY-82型接觸角測定儀測定。納米銅θ環(huán)填料(表面經(jīng)納米化處理)與普通銅θ環(huán)填料(表面未經(jīng)納米化處理)的接觸角測量值分別為61.0°和29.0°，表明填料表面經(jīng)納米化處理后，接觸角明顯減小，從而使其潤濕性能得到較大提高。

2.3 填料的幾何特性數(shù)據(jù)

納米銅θ環(huán)填料與普通銅θ環(huán)填料的幾何特性數(shù)據(jù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用填料的幾何特征數(shù)據(jù)

2.4 填料的流體力學(xué)性能

采用文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方法，在不同噴淋密度L下，分別對(duì)納米化前后兩種銅θ環(huán)填料進(jìn)行了水力學(xué)性能測定。兩種θ環(huán)填料的空塔氣體動(dòng)能因子F與填料層壓降ΔP/Z呈線性關(guān)系，且ΔP/Z隨F增大而增大;對(duì)不同L，氣速在載點(diǎn)以下，上升氣流對(duì)液膜的曳力很小，液體流動(dòng)受氣流影響小，當(dāng)氣速超過載點(diǎn)時(shí)，上升氣流對(duì)液膜的曳力較大，對(duì)液膜流動(dòng)產(chǎn)生阻滯作用如圖2、圖3所示。

圖2 普通銅θ環(huán)填料壓降圖

圖3 納米銅θ環(huán)填料壓降圖

ΔP/Z與空塔氣速u的關(guān)系，通常可用下式關(guān)聯(lián)表示:

式中:ΔP—填料層壓降，Pa;

Z—填料層高度，m;

A—關(guān)聯(lián)式系數(shù);

B—關(guān)聯(lián)式系數(shù);

ρG—?dú)怏w密度，kg/m3。

采用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和回歸，可獲得壓降關(guān)聯(lián)式見表2。

表2 納米化處理前后的銅θ環(huán)填料的壓降關(guān)聯(lián)式

依據(jù)不同L下的ΔP/Z～F關(guān)系曲線上的折點(diǎn)確定泛點(diǎn)氣速uf。從uf與L的關(guān)系可以看出，隨L的增大，在相同L下，納米銅θ環(huán)填料的uf較普通銅θ環(huán)填料高5%以上。這是由于銅θ環(huán)填料經(jīng)表面納米化處理后，其表面形貌特征發(fā)生較大變化(圖1)，使其比表面積和空隙率均增大(增大率分別為23%和5%)，提高其潤濕性能，有利于液體在填料表面成膜，促進(jìn)流體表面的不斷更新。

3 結(jié)論

普通銅θ環(huán)填料經(jīng)表面納米化處理后，表面形貌特征發(fā)生較大改變，潤濕性能得到較大提高;

普通銅θ環(huán)填料經(jīng)表面納米化處理后，其比表面積和空隙率較處理前分別增大23%和6%;

隨噴淋密度的增大，在相同條件下，納米銅θ環(huán)填料的泛點(diǎn)氣速較普通銅θ環(huán)填料高5%以上，有效提高了填料塔的操作彈性。

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