利用微焦X射线计算机断层扫描技术对随机填料上的污染进行检测

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Investigation of Fouling on Random Packing Using Microfocus X-ray Computed Tomography

本研究首次采用微焦点X射线计算机断层扫描技术，系统探究了三种工业随机填料（聚丙烯、陶瓷、金属）在NaCl水溶液反流条件下的结晶结垢行为，揭示了不同材料填料的结垢位置（边缘或表面）、速率及影响因素，为优化填料设计和建立流化模拟模型提供了新方法。

　　在化工和过程工程领域，结垢现象是影响设备性能和增加运营成本的关键问题。结垢是指固体物质在传热或传质表面上的非预期沉积，这不仅降低了设备的效率，还可能导致系统停机和额外的维护成本。为了更深入地理解结垢行为，研究人员开发并采用了一种新的方法——微焦点X射线计算机断层扫描（micro-CT），以实现对随机填充材料上结垢过程的可视化和定量分析。该技术为研究提供了前所未有的机会，因为它能够捕捉到三维空间中的沉积细节，并在结垢初期阶段就检测到沉积物的存在。

本研究中，使用micro-CT技术对三种工业上常用的随机填充材料进行了分析：聚丙烯（PP）制的Hiflow 15-7、陶瓷制的Hiflow 20-4以及金属制的Pall-Ring 15。这些材料在化学工业中广泛用于气液接触设备，如填料塔。通过在实验中引入这些材料，研究人员可以比较不同材料在相同操作条件下对结垢的响应。研究发现，结垢主要发生在不同材料的特定区域，而结垢速度则与材料特性密切相关。

在实验设计方面，研究人员开发了一个测试装置，用于在加速条件下研究填料塔内部的结垢行为。该装置被整合到micro-CT扫描仪中，使得研究人员能够在高分辨率下观察结垢的发展。实验过程中，饱和的NaCl-水溶液和空气被引入填料塔，溶液中的水分蒸发并被气流带走，导致溶液的过饱和，从而引发盐晶体的形成和沉积。通过重复扫描，研究人员能够追踪沉积物的动态变化，并对其生长模式进行定量分析。

通过micro-CT扫描获得的数据，研究人员利用图像处理技术对沉积物的体积分数进行了评估。这些数据通过对比初始干燥状态下的扫描图像与实验过程中形成的图像，计算出沉积物的体积变化。此外，研究人员还通过计算蒸发的水质量来衡量传质过程的强度，从而建立沉积物生长与传质之间的关系。这种方法避免了传统压力差测量法的局限性，即只能提供整体的结垢信息，而无法定位具体沉积区域。同时，它也克服了摄影技术的不足，如难以获得可比的定量数据，以及无法观察填料内部的结垢情况。

实验结果表明，对于Hiflow 15-7 PP和Pall-Ring 15这两种材料，结垢主要出现在填料的边缘，而Hiflow 20-4陶瓷填料则主要在表面发生沉积。这可能是由于陶瓷填料的表面结构和粗糙度导致其更有利于盐晶体的附着和生长。此外，陶瓷填料上的结垢速度比其他两种材料更快，这表明材料的物理特性在结垢过程中起着重要作用。

在比较不同操作条件下结垢的发展时，研究发现，尽管操作条件不同，但结垢的总体发展趋势与蒸发的水质量密切相关。这表明，传质过程是影响结垢速度和分布的主要因素。通过这些发现，研究人员能够更准确地预测结垢行为，并为优化填料设计和提高设备效率提供依据。

从研究结果可以看出，micro-CT不仅能够提供结垢的三维图像，还能在早期阶段检测到沉积物的形成，这对于实时监控和预防结垢至关重要。相比传统方法，它提供了更高的灵敏度和更精确的定量分析能力，尤其是在低气速操作条件下。这种技术的引入为未来在填料塔中的结垢研究提供了新的工具，同时也为计算流体力学（CFD）模型的验证提供了可靠的数据支持。

本研究的结果对于化学工业具有重要的应用价值。首先，它揭示了不同材料填料在结垢行为上的差异，这有助于在设计和选择填料时考虑材料特性对结垢的影响。其次，通过定量分析，可以更准确地评估填料在不同操作条件下的结垢容忍度，从而优化设备的运行参数。最后，micro-CT技术的应用展示了其在过程工程中的潜力，尤其是在需要高分辨率和非侵入式检测的场合。

未来的研究可以进一步探索不同操作条件对结垢的影响，以及如何通过改变填料的表面特性来减少结垢的发生。此外，结合CFD模型和实验数据，可以开发出更精确的模拟方法，以预测和控制结垢过程。这些研究方向不仅有助于提高填料塔的运行效率，还能降低维护成本，提升工业过程的可持续性。通过这些努力，化学工业可以更好地应对结垢这一长期存在的挑战，实现更高效、更环保的生产过程。