溝流

溝流是指在流固系統或氣液系統中，由於不均勻的流動，流體打開了一條阻力很小的通道，形成所謂溝，以極短的停留時間通過床層。這種現象稱為溝流。

基本介紹

• 中文名：溝流
• 外文名：channeling
• 結果：降低傳質效率
• 另解：溝通交流
• 形成原因：不均勻的流動

簡介

溝流它較多發生在流固系統中。如溝貫穿於整個床層稱為貫穿溝流，如僅發生於局部則稱為局部溝流。形成溝流會降低傳質效率。

在大型鼓泡床中，氣泡聚合後沿幾條捷徑上升，而嚴重的鼓泡集中可使氣泡沿著捷徑上升而形成短路，此現象稱為溝流。

在連續攪拌釜式反應器（CSTR）中由於進料速度和產物流出較快或攪拌不充分等，難免會有一些物料未經反應就直接隨反應產物流出，此現象亦稱為溝流。這種現象的存在，會造成轉化率降低和物料的流失浪費（在非循環體系中），而且，可能會增加產物純化的難度，對整個工藝流程帶來一些不好的影響。

在現代流行語中，也是溝通交流的意思。

固液界面效應影響豎壁溝流波動

基於最小能量原理分析的豎壁溝流流動模型，認為當壁面為存在接觸角滯後的非理想表面時，其控制方程的邊界條件與滯後接觸角有關，並分析了流量存在波動時溝流厚度的波動原因和範圍。實驗研究了一些液體在不同表面上的溝流流動，結果表明了溝流波動與界面效應有關的假設的合理性，溝流的實際厚度介於由滯后角限定的某一範圍內，並且與溝流平均流量有關。若流率波動未超出由滯後接觸角及溝流基礎流量限定的範圍時，溝流只在厚度方向發生波動；若流率波動超出這一範圍，則溝流在寬度方向也開始伸縮。

溝流波動產生的原因

Doniec假設的理想表面上，當流率增加時，液體仍以最大厚度存在，只是在寬度加大，形成一定寬液膜。而當流率減少時，液體以此最大厚度存在，只是在寬度上減小，直到流率小於臨界流率時，溝流發生斷裂。實際降液過程中，由於流量的波動，在上述理想表面上，不考慮接觸角滯後的因素，最大厚度不發生變化，溝流寬度發生伸縮。但由於表面的非理想性，存在接觸角滯後，若流量的波動未超過由滯后角限定的流量範圍，溝流在寬度方向不發生伸縮，而是在厚度方向上產生波動。厚度在δmaxA與δmaxR之間。這一機理得到了實驗觀測的佐證。水在有機塗膜表面上，同一位置，同一時刻，較小流量變化時的照片，水基礎流量適中，流量波動未能引起溝流寬度方向的伸縮。

波動幅度分析

對於層流流動，當溝流截面形狀一定時，其流量一定；因而當流量發生改變時，其截面形狀也隨之改變。在某一定流量基礎上，流量發生較小變化∆Q，∆Q為截面變化∆S部分流量積分。由於接觸角滯後，溝流在流量發生變化時各點厚度也要相應變化。溝流處於平衡狀態1時，邊界線上接觸角θ_Y；流量趨於增大時，首先邊界不發生移動，即寬度不變，厚度開始增加接觸角經歷θ_Y~θ_A之間的某一個θ，為狀態2；流量繼續趨於增大，邊界仍不發生移動，接觸角增大到θ_A，厚度增加到最大，為狀態3；流量繼續趨於增大，這時保持邊界上接觸角為θ_A，溝流邊界開始移動，為狀態4。流量減小時有類似的規律。

在相同基礎流量和流率波動時，實測平均厚度δ_av均在前進厚度與後退厚度之間，調整較大的流率波動量，實驗測定δ_A與預測值較為接近，δ_R較預測值略高，這是由於流量趨於減小過程不易調節，溝流容易斷裂，難以達到極限值。

雷射散斑照相分析溝流三維形態

以水為實驗流體，固體壁面採用普通玻璃，所得為透射散斑。分析散斑形成可知，暗線或明線為某一等厚線，這些線條反映了液膜厚度分布。對比有流量波動和無波動照片可以看出，流量無波動時，等厚線相互平行，且豎直向下，表明豎直方向上無波動；流量較小波動時，溝流寬度未變，但豎直方向上波動形成曲線等厚線。

中空纖維組件中溝流效應的數值模擬

對用於膜蒸餾的中空纖維組件數學模型進行了求解，並用模擬計算結果分析組件存在溝流效應。結果表明，與纖維絲規則分布的理想組件相比，纖維絲隨機分布的實際組件中存在的溝流效應使膜蒸餾組件通量降低；提高組件封裝分率可以減輕溝流效應；提高膜兩側流體流量可以增加膜蒸餾推動力，削弱溝流效應帶來的負面影響。

溝流效應分析

計算時假定這些局部封裝分率服從數學期望為0.4，方差為0.2的常態分配為實際組件的結果，它實際上是上述10個子纖維束的計算結果便於對比。

(1) 該組件中幾乎所有的膜蒸餾過程都是在低於0.5的區域內進行的，這一區域貢獻了整個組件通量的96%，而其面積僅占總膜面積的70%；Φ_i高於0.5的區域由於其中的冷流體流量太小，即熱 、冷流體流率R太大，其溫度非常接近於管程熱流體溫度，膜蒸餾推動力接近於零，因而這一占總膜面積30%區域就成了無效面積區域。

(2) 即使是在Φ_i低於0.5的區域，膜面積也沒有充分發揮作用，Φ_i為0.3～0.4和0.4～0.5這兩個子纖維束中R比較大，因而冷流體出口溫度都接近於熱流體的入口溫度 (70℃)，膜蒸餾推動力必然非常有限，甚至存在一定比例的無效面積，膜蒸餾通量明顯低於理想組件。這兩個子纖維束對應膜面積占了總膜面積的近40%。

(3)Φ_i為0.2～0.3的區域R最接近於1，因而表現出了最接近於理想組件的通量值，遺憾的是這一區域的膜面積僅占總膜面積的15.36%。

(4) 封裝分率為0.0～0.2的區域，R小於1，這使得該區域中冷流體的溫度遠離熱流體的溫度，因而膜蒸餾推動力較大，通量也很大，甚至超過理想組件的通量值。但是由於該區域所擁有的膜面積僅占總面積的14%，所以它對整個組件通量的貢獻並不是很大。該區域內冷流體的流量占冷流體總流量的近70%，大量的冷流體流經這裡卻由於膜面積很小而不能充分發揮作用，其它區域卻因為冷流體流量太小而造成通量很低，甚至成為無效區。

組件封裝分率與溝流效應

Φ越大，組件通量越大。造成這一結果可能有兩種原因，其一是隨著Φ的增加，流體在殼程對流傳熱係數h_p 提高了，使溫度極化係數增大 ，

膜蒸餾推動力增加；其二是隨著Φ的增加，溝流效應減輕。對h_p和理想組件通量的影響 ，可以看出，雖然增加Φ能明顯提高h_p，但是對理想組件而言卻沒有提高其膜蒸餾通量。這是因為對中空纖維組件而言，h_f和h_p都很高，膜蒸餾過程的控制步驟已經不是膜兩側熱邊界層內的傳熱過程，而是跨膜傳質過程，因此提高h_p並不能明顯提高通量。

從組件封裝分率對殼程流體分布的影響可以看出，組件封裝分率越越小，在局部封裝分率很低的區域內殼程流體流量在其總流量中所占的比例越大。通過分析可以得出：實際組件的通量隨著封裝分率的升高而升高並不是因為殼程對流傳熱係數增大的緣故，而是由於封裝分率的增大改善了殼程流體的流量分布，削弱了溝流效應。