泡罩分布器的研究現狀分析

＊卜億峰 梁倩卿 杜冰 趙用明 門卓武

（北京低碳清潔能源研究院 北京 102209）

氣體分布器作為多相流設備的重要內構件之一，主要有管式、板式和泡罩三種結構形式[1-4]。泡罩最早應用在氣液傳質精餾塔中[4-5]，用于控制和調節塔板氣液相有效接觸面積和停留時間。之后，逐步作為氣體分布器應用于多相流反應器中。氣固流化床反應器中，泡罩分布器主要用來均勻分布流體，保證流化床層的流化狀態，實現長期穩定運行[6-7]。鼓泡床反應器（包括懸浮床和沸騰床反應器）中，對泡罩的研究較少，主要集中在泡罩結構為基礎的構件對反應器流體力學影響方面[8-9]。由于體系、試驗設備和方法的區別，對泡罩的研究所得的結論也不完全一致。本文主要對這些研究進行了分析，結合專利文獻從結構、排布以及其對多相流傳遞過程和流動狀態的影響方面進行總結討論，可為設計包括泡罩在內的分布器提供參考。

1.精餾塔中泡罩分布器的研究

泡罩在精餾塔中的應用和研究都比較多[4,10]，針對當氣、液相負荷很低時，氣相分布不均勻易引起脈動現象；而負荷較高時，如果氣、液相流量不匹配時，泡罩易被淹沒或缺乏液封的問題，Fatemeh等[10]以泡罩塔板作為研究對象，通過計算流體動力學（CFD）模擬，開發了在標準k-ε湍流模型和歐拉框架中的瞬態三維模型，獲得了泡罩塔板持液率的新關聯式，并預測了泡罩分布器作用下的水力學性質，包括泡沫區域中的速度和壓力分布、塔板上層清液高度，液層高度和持液率。模擬的主要結構參數為：塔徑1.2m，泡罩的上升管直徑是70mm；泡罩帽的直徑為88mm，齒縫寬度和高度分別為5mm和28mm，泡罩的底隙為26.9mm，每塊塔板上分布有28個泡罩。模擬結構顯示,泡罩齒縫塔板附近的氣含率是最大的，氣體速度和壓降波動也較大，氣含率會隨著上層清液高度的增加而減少，速度波動幅度逐漸減小，同時平均速度由于壓降而減小。在一定的液體流量和溢流堰高度下，即從泡罩分布器出來的氣相在很薄的液層范圍內才分布比較均勻，說明通過泡罩分布器的氣體主要沿著水平方向上分布，這與鼓泡床反應器氣體分布器的設計也是契合的，需要合理排布泡罩，才能盡可能在鼓泡床反應器的分布器控制區域消除死區并且緩解催化劑沉積，因此可以認為精餾塔中泡罩的作用機制是應用于其他多相流設備的基礎。

精餾塔中泡罩中的泡帽為具有封閉頂部的圓柱形，圓頂形或鐘形結構，氣體進入泡帽后經邊緣的鋸齒，凹槽和狹縫等流出。泡帽結構的改進會提升設備的操作性能見圖1[11-13]。Vlastimil等[11]設計的泡罩能實現氣體均勻分布，并降低塔盤的壓降；同時在非常低的氣液相負荷下也能實現氣液兩相的充分混合，在高負荷下也不會出現水力梯度，這樣保證了精餾塔的高彈性操作區間，實現精餾塔的高效分離。Harold等[12]設計的泡罩有一個垂直進氣管及有間隔設置細長垂直開口的倒置杯，有利于形成小氣泡，盡可能地將實現氣相均勻分散和加快傳質過程。Wolfgang等[13]將泡罩的底部改為鐘形結構，拓展了負荷操作區間，具有較低的壓降和更好的耐污染能力。Alfred等[14]在常規泡罩上設置了同心定位的導向環和湍流室用氣泡帽周圍的液體填充，使得進入泡罩的氣體或者蒸氣在湍流室內發生偏轉，無需設置擋板來分離被夾帶的液體。Marlin等[15]也開發了一種消除夾帶的泡罩組件。William等[16]和George等[17]設計了一種隧道式泡罩可以有效提高氣液相操作負荷。

2.氣固流化床中泡罩分布器的研究

對于氣固流化床氣體分布器[1,18-19]，分布器的臨界壓降比，開孔率、孔的尺寸、幾何形狀和間距等因素均會嚴重影響射流穿透、死區、顆粒篩分、磨損和混合。此外，分布器的型式和幾何形狀對射流或迅速聚結的氣泡的影響較為顯著。

Fereshteh等[20]測試了直徑為0.15m的流化床在不同氣體分布器（穿孔板、泡罩和多孔板）的流化特性，雖然泡罩氣體分布器上的初始氣泡尺寸比穿孔板和多孔板更大，但是通過泡罩分布器的壓降最小，同時壓力波動也是最小的。圖2給出了三種分布器的初始氣泡直徑與表觀氣體速度的關系[21]。提高表觀氣速，初始氣泡尺寸都會增加。在非常低的表觀氣速下，多孔板上產生的初始氣泡最小。然而，隨著表觀氣速的增加，在多孔板上產生的初始氣泡尺寸迅速增長，且遠大于其他兩個分布器的初始氣泡尺寸。總體來講，與穿孔板和多孔板相比，泡罩氣體分布器在均勻布氣方面更具優勢，且壓降小。

Guo等[22]也發現泡罩的入口直徑是影響泡罩阻力特性和氣體流量分布的主要參數。圖3給出了兩種泡罩入口直徑下，氣體流經泡罩后的體積流量沿反應器徑向的分布情況，Vmax/Vmin表示通過泡罩的最大流量與最小流量之比；Vmax/Vav表示通過單個泡罩的最大流量與所有泡罩的平均流量之比；?Pd/?Pr表征泡罩壓降和上升管壓降的比，表中上升管壓降?Pr保持5500Pa不變。由表1可見，在表觀氣速為3.0m/s，泡罩入口直徑在54.5mm和38.5mm時，Vmax/Vmin和Vmax/Vav均偏離1.0較多，說明單泡罩流量波動和整體流量分布均勻，單直徑變小不均勻變弱；當繼續減小入口直徑到23.0mm時，Vmax/Vmin和Vmax/Vav均接近1.0，表面氣體分布均勻性改善明顯，同時通過泡罩的壓降隨其入口直徑的減小而增加。在表觀氣速達到4.5m/s時，影響規律相同，與表觀氣速為3.0m/s的情況相比，沒有顯著改善流量分布的不均勻性（尤其當泡罩入口直徑為54.5mm和38.5mm），但通過泡罩氣體分布器后的速度會增加。相同表觀氣速下，減小泡罩入口直徑，都能改善流速分布，進而提升泡罩的均勻布氣能力。在氣固流化床中，分布器的設計也要考慮避免或降低同催化劑顆粒間的項目磨損。

表1 流化床反應器中泡罩入口直徑對壓降和流量分布的影響

3.鼓泡塔中泡罩分布器的研究

目前調研的鼓泡塔文獻中，大多采用穿孔板或者多孔板的氣體分布器型式，針對泡罩分布器的研究較少，主要是由于泡罩在鼓泡塔和精餾塔中對氣體分布原理基本相同，涉及氣泡尺寸、氣含率、壓降以及分布均勻性的研究，LCFiningTM加氫反應器中，氣液兩相進入泡罩分布器或穿孔管分布器，發現泡罩氣體分布器產生的氣泡大于穿孔板的氣泡[23]。泡罩入口內形成的氣穴以及出入口之間環隙中的氣泡聚并都可能是產生大氣泡的原因。由于液相流量的提高，存在較大的液相湍流，增加了氣泡破裂的概率，經過泡罩分布器產生的氣泡逐漸減小，而氣泡尺寸和滑動速度的減小會增加停留時間，導致氣含率增大。泡罩分布器產生的氣泡比在增壓室中的氣泡小，同時可以得到更大范圍的氣泡尺寸分布。表面活性劑對于經過泡罩分布器的氣泡大小影響核銷，也驗證了氣泡尺寸和分布范圍變化都與泡罩分布器的結構相關。

Ouyang等[24]在鼓泡塔中實驗觀察到了三種流動形式，即湍流、過渡和理想氣泡流，同時與Koch靜態混合器相比，泡罩具有更好的布氣效果和更高的氣含率。Saxena等[25]搭建了兩個鼓泡床（直徑分別為0.108m和0.305m）用來測試反應器的流體力學和傳熱性能，氣體分布器由同心圓排布或等邊三角形排布的泡罩組成。對于氣液兩相系體系（固含率Cs=0），氣含率隨氣體流速而單調增加；操作條件相同，有固體顆粒時，氣含率會降低。后續的實驗研究發現，氣含率和傳熱系數是氣體流速，固體濃度和粒徑的函數[26]。

Robert等[27]設計開發了鼓泡塔及其工藝流程，其中泡罩分布板與腔室中的液位之間存在一定的空間，保證能得到完全混合的氣液混合物，以確保均勻分配到反應器中。同時泡罩具有二次剪切氣泡的作用，產生了一定的攪拌流可降低氣泡直徑。James等[28]開發了一種與高壓反應容器結合的泡罩中，止回閥安裝在閥座上，可減少塞流，見圖3。同時，對比氣液固三相穿過多孔板和泡罩組合的分布板同時進料，泡罩進氣管的這種結構設計，可以有效防止固體催化劑的沉積。但如果發生堵塞，止回閥可能會堵塞通道，造成壓降升高或斷流。

巫春連等[29]認為泡罩的氣孔較大，具有防堵塞的突出優點，非常適合含有高黏性液相的鼓泡床體系，通過模擬研究發現，模擬結果顯示同氣固流化床一樣[22]，泡罩內徑對氣體的分布影響較大，而泡罩齒片寬度對泡罩壓降有影響，開孔數對壓降也有影響而對氣體分布均勻性影響很小。

4.總結與展望

泡罩分布器用在氣液相接觸設備中將氣相以氣泡形式均勻分布在塔板的液相中，有利于提高傳質或者反應效率。如果涉及三相反應體系，應使催化劑顆粒體系完全懸浮在反應器中，這樣對氣體分布器的出口氣速和壓降就有更嚴格的要求，鼓泡床反應器中通過泡罩的氣體主要沿水平方向分布，合理布置泡罩，才能盡可能在分布器控制區域消除死區并且緩解催化劑沉積。在相同的氣速下，泡罩分布器壓降小，能體均勻布氣優勢明顯，減小泡罩上升管直徑，能顯著改善流速分布，同時進一步改善均勻布氣能力。

通過對比發現不同的多相流反應器泡罩分布器設計要求有一定的相似之處：具有均勻分布流體的作用，同時壓降要盡可能減小；有一個良好的起始氣體分布狀態，可減少產生死區的可能性；分布器結構應滿足工程實際要求，包括減小同固體催化劑之間的相互磨損、抗震動等。因此對鼓泡床（懸浮床）反應器中泡罩的結構和尺寸的設計應包括臨界壓降，最小過孔速度等，為新型多相流反應器分布器開發提供參考。