降膜式吸收器的研究及应用进展

白明明，涂淑平，孙文哲

(上海海事大学 商船学院，上海 201306)

降膜式吸收器是近几年发展起来的一种新型的热质传递设备，具有吸收和冷却效果好、吸收液成膜性好、不易损坏设备、使用寿命长等优点，并以其高效、节能、低阻等优良特性，在我国制冷空调、化工、精馏等众多领域得到了广泛研究和应用。

根据国内外研究及应用情况，可将降膜式吸收器分为两类：即管式降膜吸收器和板式降膜吸收器。吸收器工作时，其内部的传热传质过程是一个相互影响、相互耦合的复杂的热力过程，吸收过程中，热量与质量的传递发生在气液两相之间，随着过程的进行，局部的温度、浓度梯度以及气液界面处平衡条件都会发生变化，进而影响到传热传质过程的驱动力。通过对吸收过程的研究，对降膜式吸收器的性能提升及应用具有重要意义。

1 管式降膜吸收器

管式降膜吸收器是目前研究和应用较为广泛的降膜式吸收器，其换热管是管式降膜吸收器的核心部件，通过对管型的改进以达到优化液膜流态，改善壁面湿润度、增强传热、减少热阻、提高吸收效率的目的。

张强[1]建立了水平光管降膜吸收传热传质模型及其边界条件，利用分离变量法以及傅里叶展开法求解出传热传质方程的解析解，并对解的精度进行验证，得出了符合精度要求的前40项解析解的特征值，所得结论可作为降膜式吸收器的设计参考，并为研究者的分析和模拟提供依据。

张睿航等[2]搭建了水平管降膜流动形态实验装置，研究管间距和管材对水平管降膜管间流态的影响。实验表明，管间距略微增大时，管间流态与上一级未改变管间距的流态相同。当管间距增大到原来的2倍，流态呈现为最初的滴状；并出现部分交叉滴状流。当以塑料管代替铜管后，流态出现倾斜现象，相邻的管壁不能垂直湿润，管间流体的连续性受到影响，小部分溶液出现向下一级流态转变的趋势。

陈小砖等[3]针对氨水溶液降膜吸收器研究了横波纹管的吸收效率和热量与质量交换机理，选取3根不同规格尺寸的横波纹管，实验研究横波纹管降膜吸收性能变化规律，结果表明，2号横波纹管随管外氨水溶液喷淋密度的增加，氨气吸收速率显著提高。该研究成果为设计、制造高效紧凑的横波纹管降膜吸收器提供理论参考和技术支持。

对降膜式吸收器性能影响因素的研究是降膜式吸收器优化设计的主要内容，其影响因素主要有：喷淋密度、溶液流速、浓度、温度、质量分数和冷却条件等。

Lin等[4]建立氨水溶液在内管表面低流速降膜吸收传热传质耦合实验原型，研究可用于建筑风冷吸收器垂直降膜吸收性能，指出传统的对数平均温度(浓度)差不适用于同时评估传热和传质过程，通过实验得出系统压力的增加、降低冷却水温度和入口稀溶液过冷都显著影响吸收过程。

徐振中[5]搭建了垂直管降膜吸收器实验装置并进行实验研究和相应模拟，最终将其应用于风冷两级氨水吸收实验机组当中。通过对不同工况进行吸收实验，研究多种因素对吸收实验的影响。结果表明，吸收传热传质率随冷却水温和降膜溶液温度的下降而升高，随吸收压力、降膜雷诺数的升高而提高，顺、逆流对吸收无显著影响。

李美军等[6]对纯水蒸气滴状和柱状流型下多管排水平管外降膜吸收过程的局部传热传质特性进行研究。结果表明，相同流量下溶液出口浓度和温度平均相对误差在2%以内；滴状和柱状流型下，降膜区溶液局部吸收速率分别约为管间区的10倍和7倍。上述结论可为降膜式吸收器的设计和优化提供一定的理论指导。

梁斌等[8]对竖直螺旋盘管降膜吸收器进行了设计，并利用数学模型对螺旋盘管降膜吸收器吸收及换热过程进行分析。通过比较冷却水流速、溶液流速、溶液浓度等相关因素对吸收器性能的影响，得到了螺旋盘管吸收器的基本性能特性。所得结论对于螺旋盘管吸收器的设计具有一定的指导意义。

2 板式降膜吸收器

板式降膜吸收较壳管式降膜吸收紧凑度更高，具有高效瞬态传热等特性，成为近年来国内外学者研究的热点。并且新设计思路和研究方法也不断涌现。

翁建华等[9]建立了低雷诺数平板降膜流动与传热数学模型，在其基础上对平板平滑和波动层流降膜的瞬态传热特性进行数值计算求解。结果显示，平板降膜具有高效的瞬态传热特性，以及波动对膜内传热具有强化作用。其计算结果为复杂物理过程如吸收、蒸发和冷凝等降膜数值计算打下基础。

Triché[10]建立了用于板式降膜结构吸收器的数值模型，通过实验数据验证，在实验与数值结果之间观测到的最大相对误差为15%。研究结果表明，在吸收过程中，传质受降膜控制，传质阻力和液体侧传热阻力可忽略不计。

崔晓钰等[11-12]提出并设计了一种新型板式膜反转降膜吸收器，通过建立求解该吸收器的数学模型，确立其在设计条件下的最佳结构，并进行相关的传热传质性能计算。该研究可作为板式膜反转降膜吸收器理论设计依据，并为今后此类传热传质设备的研究设计、开发及应用提供一定的理论参考。

Michel等[13]提出了一种新型的平板式降膜吸收器的设计方法，即采用垂直槽式降膜吸收器。并通过实验和数值工具对溴化锂-水的吸收性能进行了研究。实验表明，溶液流速和驱动力对吸收率的影响较大；随着溶液入口温度的降低，吸收率呈线性增加，降膜流量越小，这种增加越大。

Bechir等[14]研究了在竖直板降膜吸收器中纳米粒子对溴化锂水溶液液膜与水蒸气吸收的影响。建立了冷却水与铜纳米颗粒混合的溴化锂溶液逆流流动模型。通过对模型的验证，提出并讨论了雷诺数、铜纳米颗粒固体体积分数、溶液入口浓度和温度等参数对吸收性能的影响。结果表明，在较低的雷诺数、溶液入口浓度和较高的入口温度下，二元纳米流体比基底流体的传热传质更强、效率更高。

Lu等[15]采用荧光强度法研究了在露天和等温条件下垂直平板上的降膜过程，分析了薄膜的润湿特性，包括润湿覆盖率、最小润湿率、膜厚和膜厚分布。并以水为工质，比较了两种总截面积相同的液膜分布装置。结果表明，在较小的比液载荷下，具有更多孔的分配器在较大的润湿覆盖率、较高的平均膜厚和较窄的膜厚分布方面显示出较好的润湿性能。

Abbasi等[16]研究了平行平板垂直通道中溴化锂水溶液对纯水蒸气的吸收，并建立了气液两相相互作用和热质交换的数学模型。通过数值预测，研究了入口质量分数和气相雷诺数1 000～3 000变化对通道液膜发展的影响。结果表明，当水入口质量分数从50%降低到45%，期间吸收的总量增加了34%；将气相雷诺数从1 000增加到3 000，吸收结束时液膜厚度减少8.4%。

Rouhollahi等[17]实验研究了电场对液膜在倾斜板上的流体力学行为的影响。通过对15，30，45°三个不同倾角的层状波区域、雷诺数在10～120之间的工作流体和在不同强度的电场条件进行实验。在实测膜厚的基础上，通过图像处理对有无EHD的降膜过程进行统计分析，得到更多的平均膜厚、波频、液速等信息。结果表明，电场不影响降膜的原始结构，其增强了层流降膜的波性，提高了降膜的传热传质率。

3 降膜吸收器的应用现状

近些年来，降膜吸收器在国内众多领域得到了快速推广与应用，如设计酯化生产、氯碱工业、生产盐和酸等工艺过程的吸收系统，并取得了较好的应用效果。

戴锋[18]对所在公司现有化工生产中氨尾气吸收装置提出了优化改造方案。运行数据表明，氨的吸收率大幅提高，不仅有效改善了环境，还起到了变废为宝、节能降耗的作用。

马明岩[19]对磷霉素钠的合成过程的酯化生产收集盐酸设备进行改造，使用3套降膜吸收装置取代48个陶瓷吸收罐，由传统的4级单程吸收变成了2级串级吸收方式。改造后吸收效果显著，不但减少了泄露现象和设备数量，而且减少了对环境的污染，全年节水、节电共计创效达19.8万元。

贾晓朵等[20]针对原工艺流程所存在的问题，采用两级降膜吸收器和一级填料吸收塔串联的吸收工艺，提高了HCl的吸收效率和吸收效果，生产的盐酸浓度达36%以上，确保了TDI生产线的高负荷稳定运行，提高了工艺系统的本质安全。降膜吸收装置投运以后，31%盐酸产品质量达标可直接销售，年销售额达上百万元。

王国平等[21]采用降膜吸收装置等工艺方法处理副产氯化氢气体，所得盐酸可作为商品盐酸销售。经工程验证，降膜吸收装置投资金额为30万元，年处理副产盐酸1万t，运行成本为25元/t，年经济效益超过500万元，经济和社会效益显著。

林昌艳[22]对高纯盐酸在生产过程中，通过对原一级、二级降膜吸收器的管道进行改造及增加无离子换热器以进一步提升盐酸炉生产能力，吸收效果显著提高，同时也节约了生产成本。

侯方敏[23]在氯乙酸尾气处理生产次氯酸钠工艺中，对原有尾气经填料塔、降膜吸收器处理工艺流程进行调整，改进措施后，次氯酸钠成品中有效氯含量稳定在10%以上，游离碱在1%左右。

4 总结与展望

降膜吸收器因其优秀的吸收性能和传热传质等性能日益受到人们的重视。随着高性能计算机和CFD仿真模拟技术的应用，为研究降膜式吸收器提供了一种重要途径。

近些年来，国内外学者针对降膜式吸收器以及对相关的工程应用的研究越发活跃，降膜式吸收器的应用领域和应用范围愈加广泛。

虽然降膜式吸收器的研究已经取得了诸多研究成果，并在工业、化工等领域达到了可接受的成熟程度，但也存在许多不足之处，需要更多的实验工作和理论分析。

(1)降膜式吸收器内的传热传质过程较为复杂，影响吸收效果的因素众多，不同模型的建立求解和实验误差，致使各模型所得结果存在很大差异。

(2)结垢、腐蚀一直是影响降膜吸收器性能的关键因素，因此，针对降膜式吸收器的研究、设计过程中要结合实际应用中出现的问题，寻找节能环保、耐腐蚀等材料成为今后的主要研究方向，以此提高吸收性能、延长使用寿命，确保运行、生产稳定高效。