一种集成超声雾化技术用于增强氨水蒸馏传质的新型填料塔

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：A novel packed column integrating ultrasonic atomization technology for mass transfer enhancement in ammonia-water distillation

　　

**摘要**

氨水吸收式制冷/热泵系统（AARS）的广泛应用受到低性能系数和大型设备尺寸的限制。超声雾化已被应用于精馏塔以强化传质。然而，不同雾化区域产生的液滴可能发生碰撞和聚并，破坏了稳定连续的传质强化，最终降低了其效果。为解决这些限制，我们提出了一种新型精馏塔，该塔由自定义设计的超声雾化环组成，每个环通过在Pall环的湿润内壁上集成条状雾化器而形成。利用已针对已发表实验数据进行验证的数值模型，量化了雾化率（AR）、初始液滴直径（IDD）和精馏操作条件的耦合作用。将AR从0.1增加到1.0时，出口蒸汽流量从0.21 mol/s增加到0.37 mol/s，并产生最大总传质系数（KLae）为10.80 kmol/(m3·h·kPa)，对应强化因子为3.18。将IDD从50 μm减小到10 μm时，蒸汽流量从0.23 mol/s增加到0.54 mol/s，并产生最大KLae为8.98 kmol/(m3·h·kPa)，强化因子为2.54。在最大强化因子3.18时，在恒定传质速率下所需传质面积减少了68.6%。本研究建立了经验证的数值框架，阐明了雾化参数和精馏条件的耦合作用，引入了液膜/液滴混合传质模式，并为AARS的设备微缩化和大规模部署提供了定量指导。

**引言**

社会经济的快速发展增加了化石燃料消耗，化石燃料仍然是全球能源使用的主要来源[1][2]。化石燃料燃烧加剧了全球变暖和环境污染[3]，使得提高能源效率和加大可再生能源利用成为当务之急。建筑物约占全球能源消耗的34%[4]，主要用于供暖和制冷，而这些需求主要由电动蒸汽压缩系统提供[5]。同时，2024年化石燃料提供了近60%的全球电力[6]。因此，以大幅降低的电力消耗来满足建筑物热需求，对于减少化石燃料依赖和推进环境与生态可持续性至关重要。

氨水吸收式制冷/热泵系统（AARS）是电动循环的有前景的替代方案[7]。它们利用工业余热或太阳能等可再生能源驱动，可满足建筑物供暖和制冷需求，同时减少化石燃料依赖[8][9]。然而，低性能系数（COP）和笨重的设备阻碍了其商业化。由于氨水精馏是主导系统COP和紧凑性的主要热质传递过程[7]，提高其性能对于推进AARS技术至关重要。

当前精馏强化策略主要通过优化操作参数或改变设备几何形状来提高COP并实现系统微缩化。在宏观尺度上，局部部分冷凝器和增加填料高度可增大气液界面面积并提高蒸汽纯度[10][11]，但也增加了资本成本和设备占地面积。微观尺度结构显著提高了传质系数并减小了系统体积，使其适用于低容量的住宅应用[12]。然而，其有限的制冷能力限制了其在高需求商业和工业系统中的应用。因此，现有方法不可避免地需要在热质传递效率、经济可行性、空间占地面积和操作可扩展性之间做出妥协。

为克服这一限制，需要主动传质技术来提高性能而不增加设备尺寸。超声技术因其低成本、易于实施和紧凑性而被广泛应用[13][14][15]。通过压电效应，超声雾化器将电能转换为声能，并将液体表面破碎成微细液滴[16]。该过程显著增加了气液界面面积并增强了传质[13][17][18]。在乙醇纯化中，高频超声提高了分离速率，同时将总年化成本降低超过10%，碳足迹降低超过40%[19][20]。在使用胺溶剂进行CO?吸收时，超声雾化使传质系数比无超声的传统过程提高了2.25至7倍[21][22][23]。它还提高了液体干燥剂除湿系统的整体性能和能效[24][25][26]。这些已确立的优势使超声雾化成为强化氨水精馏和提高AARS性能的一种有前景的方法。

仅有少数研究探讨了超声雾化在增强氨水精馏中的应用[27][28]。Guo等人[28]提出了一种使用离散雾化槽的板式塔，而Pan等人[27]则将超声雾化引入填料塔中以在填料层间分散液滴。尽管结构不同，两种模型都假设没有液滴碰撞、破碎或聚并，Guo等人[28]还进一步假设液滴数量恒定。在实践中，板式塔缺乏雾化区域之间的空间约束和及时液滴收集，而填料塔无法约束或定向捕获进入填料环外部空腔的液滴。因此，来自不同区域或填料单元的液滴可能发生碰撞和聚并，增大液滴尺寸，降低比表面积和有效传质面积，并可能导致动能损失。在填料塔中，聚并还可能使连续雾化不稳定，这是现有模型评估不足的一个效应[27]。此外，工业操作要求雾化条件随生产负荷和分离需求变化，但它们与精馏操作条件的耦合作用仍不清楚[27][28]。相应地，核心科学问题是如何将超声雾化与精馏整合，以实现液滴的空间约束、更短的气液传质路径和定向捕获，从而在连续阶段之间维持稳定连续的强化传质。

实现这一目标需要在整个塔内分布一系列雾化单元。Pall环的环形几何形状和湿润内壁允许将超声雾化器整合到单个环中，使每个环都能作为局部雾化和液滴捕获单元发挥作用。因此，通过将条状雾化器集成到Pall环的内壁中，开发了一种新型超声雾化环。随后提出了一种完全由这些复合环组成的新型填料塔。除了保留传统填料塔中液膜与蒸汽之间的传质外，新型填料塔将下降液膜的一部分在每个环内雾化为微细液滴，使液滴与蒸汽之间能够进行传质。这将传统的液膜主导传质模式转变为涉及液膜和液滴协同作用的复合系统。此外，与Pan等人[27]提出的雾化环和Guo等人[28]开发的超声雾化板式塔不同，本设计将雾化限制在Pall环的内壁上，防止液滴进入外部空腔，在那里可能发生碰撞、聚并和无效捕获。经过短暂的传质路径后，液滴被内壁上的液膜及时捕获，从而稳定了流向下一个填料层的液流，并在整个填料层中维持连续雾化。因此，所提出的塔通过液膜和液滴实现耦合传质，约束雾化和定向液滴捕获确保了稳定连续的强化。

凭借这些结构优势，该新型塔具有克服当前精馏强化瓶颈的巨大潜力。为评估其在耦合雾化和精馏操作条件下的性能，开发了超声强化氨水精馏的数值模型，并针对超声和非超声条件下的现有实验数据进行了充分验证。首先，利用该模型研究了雾化参数对蒸汽流量的影响。随后，评估了进料摩尔分数、进料流量、回流比和冷却水温度在各种雾化率（AR）和初始液滴直径（IDD）下对精馏性能的影响。最后，将该技术与替代强化方法进行了比较，并量化了在总传质系数最大强化因子条件下新型塔的占地面积减少量。总体而言，本研究贡献了一个经验证的数值框架来阐明雾化和精馏条件的耦合作用，引入了耦合液膜和液滴的双重传质模式，并量化了塔占地面积的潜在减少量，从而为原型开发以及下一代AARS技术的微缩化和大规模部署提供了理论基础。

**章节片段**

**新型氨水精馏塔描述**

图1展示了新型氨水精馏塔、超声雾化环及其强化原理。该塔由无缝钢管构建，内径为68 mm，总高度为1800 mm（表1）。其填料完全由超声雾化环组成（图1(a)）。每个环包含两个条状高频超声雾化器，分别安装在Pall环上部和下部的内表面上，周向偏转180°。

**摩尔分数的确定**

将Tj和Vj作为迭代变量，在MATLAB（R2023b）中实施了Thomas算法来求解第j级处的主体蒸汽和液体摩尔分数（yi,j和xi,j）。随后，将求解的主体参数（xi,j、yi,j和pj）代入公式（7）、公式（8）和公式（14）、（15）、（16），以评估界面性质（xI,i,j、yI,i,j和TI,i,j）。液滴中氨（xa,0,j）和水（xw,0,j）的初始摩尔分数被指定为该级的...

**超声雾化对蒸汽流量影响的分析**

超声雾化通过将填料塔内Pall环上的液膜雾化为液滴来增强精馏过程中气液两相之间的传质，从而增加了相间传质面积。精馏塔顶部出口处的蒸汽流量是通过超声雾化进行强化精馏过程的关键指标。此外，AR和IDD都对强化效果有显著影响。基于此...

**结论**

本研究提出了一种由自定义设计的超声雾化环组成的填料塔，用于强化氨水精馏。其核心创新在于将条状雾化器集成到每个Pall环的湿润内壁上，从而将雾化和液滴捕获局部化到单个填料单元中。该构型创造了液膜/液滴混合传质模式，并旨在减少雾化区域之间的液滴碰撞和聚并，支持...

**CRediT作者贡献声明**

Shenghao Huang：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，方法论，正式分析，数据管理，概念化。Chuang Pan：正式分析，数据管理。Yuhao Yi：正式分析，数据管理。Enyuan Gao：数据管理。Yunfeng Qiu：正式分析。Runfa Zhou：方法论。Jianbing Zhu：数据管理。Jun Wu：数据管理。Jingjie An：正式分析。Shuhong Li：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，监督，项目管理。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金委员会资助（编号52576009）和国家自然科学基金委员会资助（编号52276002）。

Shenghao Huang | Chuang Pan | Yuhao Yi | Enyuan Gao | Yunfeng Qiu | Runfa Zhou | Jianbing Zhu | Jun Wu | Jingjie An | Shuhong Li

东南大学能源与环境学院，南京 211189，中国