填料塔液體分布器的研究進展

李春利，韓曉光，劉加朋，王亞濤，王晨希，王洪海，彭勝

（1 河北工業大學化工學院，天津 300130；2 河北工業大學化工節能過程集成與資源利用國家地方聯合工程實驗室，天津 300130；3 開灤煤化工研發中心，河北 唐山 063018）

化工在國民經濟中占有重要地位，是我國的基礎產業和支柱產業。其中精餾作為化工生產中應用最為廣泛、技術最為成熟的分離方法之一，發揮著不可替代的作用[1]。精餾塔是精餾過程的主要設備，根據其結構不同分為板式塔和填料塔。填料塔具有壓降小、傳質效率高、操作彈性大以及持液量小等優點，近年來對填料塔的研究取得了實質性的進展，特別是新型填料的開發使得填料塔在實際工業中得到了很好的應用。同時為了配合新型填料的發展以及填料塔的大型化，各種高性能的塔內件也隨之得到了很好的發展[2]。

塔內件是填料塔的重要組成部分，其作用是為了使塔內的氣液兩相在填料表面有良好的接觸，發揮填料塔的最大傳質效率，提高生產能力[3]。液相在塔截面的均勻分布是填料塔高效分離的關鍵，所以不論是在吸收、解吸，還是在精餾過程中，液體分布器都扮演著重要的角色。其分布效果不僅影響填料的傳質性能，還會對填料的操作彈性產生影響[4-5]。因此，作為填料塔中的關鍵部件，液體分布器愈發受到人們的關注[6-7]。同時，填料塔中氣體流動對整塔性能的影響也十分重要，本文假定氣相分布均勻。

自20 世紀90 年代以來，隨著我國現代化工技術的快速發展，新型填料的開發以及填料塔的大型化對液體分布器提出了更高的要求[8]。因此，本文針對液體分布器科學研究和工業生產的需要，對填料塔中液體分布器的重要性、分類和結構概況、流體力學性能、質量評價方法以及分布器的選型等方面的研究進行綜述。

1 液體分布器的重要性

液體分布器位于填料層的頂部，將進塔液相物料以及回流物料均勻分布于整個填料塔截面上，形成液體的初始分布，提高填料的分離效率。新型填料的應用以及填料塔大型化過程中，研究人員越來越意識到液體的初始分布對填料塔的分離效率有很大的影響[9]。本文將從以下兩方面分別論述液體分布器對于填料塔的重要性。

1.1 液體初始分布決定填料塔的分離效率

液體初始分布對填料效率的影響很大。液體從分布器噴淋進入填料層，通過對填料層內部研究發現，發生在填料頂端的分離作用很少，這被稱為填料端效應[10]。正常操作的填料塔中，液體的初始分布是必要且重要的，其分布效果直接影響填料塔的傳質效果。具體來說，只有當液體從分布器噴淋到填料床層表面均勻分布時，塔內傳質效率最高[11]。

液體在填料層中的不良分布主要分為兩種：大規模不良分布和小規模不良分布[12]。造成大規模不良分布的主要原因是填料裝填問題、液體分布器設計以及安裝問題等[13]；造成小規模不良分布的主要原因是自然流分布。Albright[14]于1984年提出自然流分布的概念，后來Hoek等[15]通過實驗與模擬證明：每種填料都有其獨有的自然流分布，且不論初始分布效果如何，液體流經一定長度的填料層后，最終都會轉換為自然流分布。美國精餾研究中心（FRI）做過相關研究，發現與理想分布相比，小規模不良分布的等板高度（HETP）并沒有明顯的變化，而大規模不良分布會導致塔效率下降20%甚至更多[12]。如果初始分布為理想分布，液體在填料塔中很快達到自然流分布；但是初始分布為大規模不良分布時，則需要經過很長一段距離的流動（稱為恢復段高度）才能達到自然流分布。此過程所需的填料層高度增加，使得原有的填料層高度不能達到預想的分離效果，從而影響填料塔的分離效率。

不良的液體初始分布，必然會造成塔效率的下降。Kister[16]在這方面進行了實驗和理論研究，采用4 種不同性能的液體分布器，對其等板高度（HETP）隨液體流量變化進行研究。如圖1 所示，A 分布器的HETP 值是4 個分布器中最小的，且隨著液體流量的變化波動幅度小，說明其操作彈性非常好，為高效率液體分布器；B 分布器HETP 大于A，但小于C、D，且和A一樣隨著液體流量的變化波動幅度小，操作彈性大，為中等效率液體分布器；C分布器在低負荷下（＜Q1）HETP過大，只有液體負荷在Q1～Q2之間才有著正常的HETP，為低效率液體分布器；而D 分布器隨著液體負荷的減小，HETP 急劇增大，在其正常負荷范圍HETP 也是最低，為劣等效率分布器。同時也可以看出，任何一種分布器都有其本身的液體負荷范圍，只有在此范圍內分布效果才能達到最佳，才能使填料塔發揮出應有的效率。

圖1 分布性能對HETP的影響[16]

1.2 填料塔的發展對液體分布器性能的要求

1.2.1 新型填料的應用對液體分布器性能的要求

隨著新型填料的開發，Hoek 等[15]提出徑向分布系數的概念。填料徑向分布系數越大，液體在填料塔內橫向流動能力越強，越容易形成自然流分布。當初始分布為大規模不良分布時，徑向分布系數大的填料能更快地將不良分布轉換為自然流分布，降低對塔內傳質效率的影響。由此可知，徑向分布系數大的填料在工業應用中更具有優勢[17]。如圖2所示，隨著填料尺寸的增大，徑向分布系數逐漸增大；而填料結構越新，徑向分布系數越小，其中拉西環的徑向分布系數最大。Gunn 等[18]研究了流體在塔內充分發展后，不同填料所產生的壁流以及液體從壁面回流填料中心的速度。發現裝有新型填料的填料塔產生的壁流量非常大，而從壁面回流填料中心的速率卻很小。這表明在徑向分布系數小的新型填料中，流動的液體一旦經過充分流動到達塔壁便很難再返回主體區域。因此，新型填料對大規模不良分布更敏感，更容易造成大量壁流，降低傳質效率。這就對液體的初始分布提出了更高的要求，推動液體分布器的發展。

圖2 徑向分布系數[17]

1.2.2 填料塔大型化對液體分布器性能的要求

近些年來，填料塔的大型化已經成為不可阻擋的發展趨勢。填料塔直徑增大以后，其效率卻在下降，形成所謂的“放大效應”[19]。瑞士蘇爾壽公司（Sulzer）對填料塔進行實驗研究表明：塔徑的變化對填料性能的影響很小，而液體初始分布才是影響填料性能的關鍵因素[20]。楊國華[21]也提出了造成填料塔“放大效應”的原因是填料塔大型化后液體初始分布不均。萊恩哈特·畢力特[22]通過實驗證實：即使在大直徑的填料塔中，只要接觸填料床層的液體初始分布均勻，就不會發生大規模不良分布現象，塔內傳質效果依舊很好。因此，分布性能更好的液體分布器是解決填料塔大型化的關鍵部件[23]。

綜上所述，填料塔中液體的初始分布至關重要，而液體分布器是塔中液體初始分布的關鍵，所以液體分布器的設計研究是提高填料塔分離效率的重要步驟。

2 液體分布器分類

近幾十年來，關于填料塔的研究取得了巨大的進步，越來越多的新型填料被開發、應用，這就對液體的初始分布質量提出了更嚴格的要求[24]。前人對液體初始分布進行了詳細的研究，總結設計了多種液體分布器。現根據不同分類方式對液體分布器進行匯總，其分類見表1。

表1 液體分布器分類

根據結構分類，對管式、槽式和盤式液體分布器性能進行比較，見表2。

表2 5種液體分布器性能比較[4]

2.1 管式液體分布器

管式液體分布器主要由進液管、液位管、液體分配管以及布液管組成[25]。該分布器分為重力式和壓力式，具有噴淋密度高、壓降小、節省塔內空間以及安裝、拆卸方便等優點；其缺陷是液體負荷小、所分布液體必須清潔無固體顆粒。排管式液體分布器是應用最廣泛的管式液體分布器，常用的排管式液體分布器如圖3所示。

圖3 排管式液體分布器

2.1.1 管式液體分布器內流體力學性能

董誼仁等[26-27]針對填料塔排管式液體分布器基本應用要求，用簡化的修正動量方程對管內液體的流體力學進行分析，見式(1)。通過實驗測定與公式推導得出了動量和摩阻修正系數K、不均勻度Mf和孔口阻力系數ξ的關聯式，見式(2)～式(5)。在此基礎上提出了排管式液體分布器的設計方法，為排管式液體分布器的設計奠定了理論基礎。

張成芳等[28]用修正動量方程描述管式液體分布器內流體靜壓變化，提出靜壓變化是由動量交換項和摩阻項組合而成。由此將管內流道分為摩阻控制型、動量交換型、摩阻占優勢型以及動量交換占優勢型4種流動模型。通過分析上述流動模型的壓力分布，發現多數多孔管中流體流動屬于動量交換控制型。在此基礎上分別計算不同管、孔截面比下的孔分布狀態，根據支管流體阻力的不同，對孔徑進行調整，從而實現對各孔流量的有效控制。羅彩霞[29]同樣采用修正動量方程，參考多孔管中液體流動行為，對排管式液體分布器進行設計計算，最后通過不均勻度進行校核，確保設計的液體分布器滿足要求。

上述研究只分析了管內液體流動，缺乏噴淋孔徑對噴出液體形態和直徑的研究。針對這一問題，費維揚等[30]使用低表面張力的丁醇-水物系研究排管式液體分布器出口液體的流體力學性能。在橫截面積為300mm×50mm 的矩形有機玻璃萃取塔中進行實驗探究，發現隨著孔口噴出速度的增加，液體噴出形態依次出現層流柱狀噴出、湍流柱狀噴出以及噴霧狀態，而噴出液體直徑呈現先減小后增大的趨勢，在層流柱狀噴出區域達到最低值。在此基礎上，陳棟梁[31]采用物料衡算和質點運動分析的方法對管式液體分布器的噴淋點分布問題進行計算，分別計算了不同塔徑下的主管直徑、支管數量、間距、支管上孔間距以及分布器距離填料層高度等，為排管式液體分布器的設計計算提供了參考。

2.1.2 管式液體分布器設計及優化

操作彈性是指液體分布器最大和最小負荷之比，通用型液體分布器操作彈性一般在1.5～4 之間。針對排管式液體分布器操作彈性低的問題，王樹楹等[32]提出了雙排管式液體分布器。當液體負荷較小時，僅有下排管進行液體分布；而當液體負荷上升時，部分液體溢流至上排管，此時上、下兩排管同時發揮作用，增大液體處理量。此分布器最大操作彈性可達到1∶10左右，是高操作彈性液體分布器。在正常操作過程，雙排管分布器能夠體現出優越的性能，實現了負荷范圍的有效擴增[33]。在液體分布器的設計選擇過程中，秦總根等[34]對雙氧水精餾塔中的各種液體分布器進行性能分析并結合實際工業應用，最終確定在大規模雙氧水精餾塔中采用高操作彈性的雙排管式液體分布器。

朱菊香等[35-36]針對傳統排管式液體分布器存在的分布不均、制造困難以及水平度難以調節等缺點，對其結構進行改進。通過實驗對改進前后兩種分布器的分布質量和操作彈性進行分析。相較于傳統結構，改進后的液體分布器有效改善了液體分布質量，降低了制造難度的同時在低液位下依舊能夠正常操作，提高操作彈性。由于其良好的分布性能，該設計已經被應用于多種液體分布器改進過程中，有效提高了填料塔的傳質效率，獲得了較高的經濟效益和社會效益。

上述研究都是在穩定工況下對管式液體分布器進行理論研究和結構改進。而隨著海上油氣的開發，越來越多的填料塔被應用于海上浮式液化天然氣設備（FLNG）中，這就對傳統液體分布器在晃動工況下的分布性能提出了要求。唐建峰等[37-38]對排管式液體分布器在靜止、不同晃動形式和不同晃動幅度工況下進行研究。發現不同晃動形式下，橫搖和縱搖對液體分布器分布性能的影響最大，隨著晃動幅度的增加，排管式液體分布器的分布性能逐漸降低。此外，楊帆[39]通過實驗與模擬結合的方式，對不同晃動形式進行耦合，得出最終耦合效果與影響較大的運動形式分布性能一致的結論。同時針對不同進液量、不同進液方式對分布性能的影響進行實驗研究，發現進液量對分布性能的影響較小，而進液方式對分布性能的影響較大。修云飛[40]在一種晃動工況下對不同出口直徑的排管式液體分布器支管孔口流量分布進行研究。結合靜止工況下的孔口流量分布，發現排管式液體分布器在小尺寸孔徑下不容易受晃動影響。由此確定出晃動時各個噴淋密度下最優的孔口直徑，以保證孔口流速合理且維持較高的液體分布性能。

通過上述對排管式液體分布器的理論研究以及設計優化，從多孔管液體流動到液體孔口出流，從雙排管式液體分布器的提出到晃動工況下分布性能的研究，有效提高了液體分布器的初始分布質量并相應提高填料塔的傳質效率，使得管式液體分布具有更廣闊的應用前景。

2.2 盤式液體分布器

盤式液體分布器由集液盤、布液孔、升氣管、擋液板和支撐圈組成，是應用較為普遍的液體分布器。主要分為孔盤式和槽盤式兩種。孔盤式液體分布器如圖4所示，布液孔和升氣孔均開設在收集盤上。不同的是升氣孔上焊接升氣管，其上方覆蓋擋板，防止液體進入增大氣體阻力[41]。孔盤式液體分布器具有液體通量大、分布性能優良、占用塔內空間小、安裝方便、水平度易于調節等優點。理論上孔盤式液體分布器是液體分布性能最好的液體分布器[42]。但是由于升氣管的存在，噴淋孔不能均勻分布于集液盤上；而且噴淋孔容易出現堵塞、腐蝕等問題，大大降低了分布器的液體分布性能[43]。

圖4 孔盤式液體分布器

槽盤式液體分布器如圖5所示，是一種集合了槽式和盤式結構的液體分布器。槽盤式液體分布器的優點是：①具有很高的空間利用率，適應于大型填料塔內的液體分布；②升氣管側壁開設布液孔可以增大操作彈性、減少堵塞以及改善液面水平偏差；③氣液兩相并不直接接觸，能夠減小“霧沫夾帶”等情況的發生[44]。其缺陷是：①氣流通道開孔率較小，壓降較高；②由于支撐圈的存在，導致分布器邊緣布液點數量略有不足，塔壁附近分布質量相對較差[5]。

圖5 槽盤式液體分布器

如圖6(a)所示，在小直徑填料塔內，盤式液體分布器可以做成帶邊壁的分布器。其底盤直徑略小于塔直徑，從而在分布器邊緣和塔壁間形成一定的氣流通道，增大升氣通道面積，改善該分布器氣相通道小的缺陷，減小氣體阻力[45]。如圖6(b)所示，在液體負荷較大的情況，也可在布液孔上焊接導液管，在管側不同高度開設多排布液孔，增大液體處理負荷的同時提高操作彈性[46]。

2.2.1 盤式液體分布器內流體力學性能

對于盤式液體分布器，液體通過噴淋孔分布進入填料層，所以噴淋孔的設計與分布成為研究的關鍵問題[47]。曹睿等[48-50]發現前人對孔流系數研究報道較少，相關理論分析不足。通過實驗與CFD 模擬結合的方式，測定了孔流系數曲線。根據孔流系數的變化，將孔流機理分為“大孔機理”和“小孔機理”，并分析孔口參數以及開孔形狀對孔流系數的影響。發現不論大孔還是小孔，孔前能量損失接近，差異主要出現在進入孔道后，還發現開孔形狀對孔流系數的影響非常小，進一步說明了孔流能量損失來源于入孔以后。

上述研究分析了開孔形狀對孔流系數的影響，隋秀華等[51-52]利用CFD模擬分析開孔形狀對孔口出流以及能量損失的影響。分別對圓柱形、倒圓錐形和正圓錐形3 種不同噴淋孔的出流情況進行模擬，同時采用實驗進行單孔流量與整體流量的對比。結果表明：相較于另外兩種孔結構，倒圓錐形孔口結構更能保證液體出流的均勻性，能夠為液體分布器提供更好的液體分布效果；同時其能很好地降低壁面剪應力、壁面摩擦系數，減少機械能損失。段文廣[53]利用Fluent 軟件對液體分布器內部流場進行數值模擬，認為模擬計算結果可以為分布器設計提供依據。

為了進一步研究噴淋孔徑、孔間距以及液位高度對噴淋均勻性的影響，孫磊等[54]采用三元二次正交回歸設計實驗方法，通過方程系數及顯著性分析表明，上述3種因素對噴淋均勻性都有影響。其中單因素中孔徑的影響最大；交互作用影響因素中，液位高度和孔間距的交互作用影響最大；二次項影響中液位高度的影響最大。

2.2.2 盤式液體分布器設計及優化

董誼仁等[55]將孔盤式液體分布器設計分為：①初步設計，初定主要尺寸；②核算，考核各項指標；③修改初步設計。其中，升氣管和噴淋孔是孔盤式液體分布器設計過程中的核心問題，包括升氣管的數目、直徑、分布方式以及噴淋孔的數目、形狀、直徑、以及分布方式等，兩者有著內在聯系，相互牽制，共同影響液體的分布質量。羅彩霞[56]構建孔盤式液體分布器的數學模型，采用隨機方向法對模型進行優化，設計出滿足分布質量的最優分布器尺寸。此方法具有通用性，對其他類型液體分布器的優化設計有參考價值。

針對傳統液體分布器占塔內空間大的問題，包春鳳等[57]設計了一種結構型槽盤式液體分布器。相較于傳統裝置，該分布器總高降低了18.8%，節省塔內空間。通過實驗研究和CFD 模擬發現，結構型液體分布器較傳統分布器具有壓降小、分布性能好、操作彈性大等優點，是一種性能良好的液體分布器，已經在工業中得到初步應用。在分析盤式液體分布器噴淋孔液體出流不均原因時，于洪峰等[58]結合曹睿等[49]提出的孔前流動區的概念對CFD模擬結果進行分析，發現分布器內部流場流動對噴淋孔出流的影響最大。通過改變進液管位置的方式降低了盤內液體分布不均的傾向，提高了分布器的性能。

前人分析了液體分布器的壓降、分布性能以及噴淋密度等性質，但是研究的液體分布器大多只表現出單一的分布作用。對于傳統分布器大量占用塔內有效空間和截面內液體濃度分布不均等問題，李春利等[59-60]結合高效立體傳質塔板的特點，設計了一種兼具傳質功能的新型槽盤式液體分布器——CTST-TP 型液體分布器，如圖7所示。在有機玻璃冷模塔內對該液體分布器進行實驗性能測試，發現CTST-TP 型液體分布器具有良好的液體分布效果，氣液兩相在升氣罩內有充分接觸，實現兩相間的傳質，有效降低了板上液體混合不均勻情況，是一種兼具傳質的分布性能良好的液體分布器。但相較于傳統液體分布器，該分布器具有壓降大、操作彈性低等問題。為了解決上述問題，李東川[41]在CTST-TP 型液體分布器的基礎上，增設虹吸式導流管和排管式液體分布器。結果表明，該虹吸式高操作彈性CTST-TP 液體分布器的最大操作彈性可達1∶7.5，相較原分布器操作彈性增大1倍，并保留原有的傳質能力。

圖7 CTST-TP型液體分布器

理論上孔盤式液體分布器是均布性能最好的一種液體分布器，但由于受結構上的限制，氣流通道、支承環、支承梁等要占據一定截面，給布液點的合理布置增加了難度，故對其精心設計、合理選材是優良分布質量的重要保證[55]。通過上述的各種方法進行改進，有效提高了盤式液體分布器的初始分布，發揮了盤式分布器的理論分布性能，提高填料塔的傳質效率。

2.3 槽式液體分布器

槽式液體分布器主要由進料管、分流盒以及多條平行、具有一定間距的堰槽所組成，是重力型液體分布器。根據液體分配次數可以分為單級槽、二級槽和多級槽等形式，單級槽式液體分布器如圖8(a)所示，二級槽式液體分布器如圖8(b)所示。槽間的空隙處為氣體通道，氣體自下而上流動；液體從進料管進入，經過分流盒流入堰槽，通過堰槽的開口堰溢流而下，均勻分布進入填料層[46]。

圖8 槽式液體分布器

槽式液體分布器用途非常廣泛，特別適用于高負荷情況下的填料塔。其優點是：①升氣通道充足，氣體阻力小，壓降低；②結構簡單，易于拆裝，水平度易于調節；③液體負荷大，操作彈性大[61]。而其缺點是：①占用塔內體積大，支撐方式、安裝高度和水平度對分布性能的影響大；②液體負荷過大時，主槽內易受到沖擊，造成槽內液體漩渦甚至飛濺，導致液體分布不均的情況發生[62-63]。

2.3.1 槽式液體分布器流體力學性能

根據工程實踐，為了簡化大型二級槽式液體分布器的流體力學計算過程，趙汝文等[64]提出非等液位設計法。通過對二級槽做物料衡算，發現一級槽和二級槽內液位高度比值與兩槽開孔數比值有特定關系。由此可以通過二級槽開孔數簡便計算出一級槽的開孔數以及孔徑。該方法已被收錄于我國大型槽式液體分布器流體力學計算軟件庫，是液體分布器設計計算過程中的一大進步。孫希瑾等[65]對大型填料塔中槽式液體分布器進行深入研究。從工藝參數設計標準到設計模型的選擇，總結了大型液體分布器優化的方向是：液體分布均勻、噴淋點密度滿足要求、降低占位高度以及減輕重量等，為后續大型填料塔液體分布器設計提供了十分有用的思路。

于洪峰等[66-67]采用CFD 模擬對槽式液體分布器孔口出流影響因素進行分析，發現槽內液體的縱向流動和橫向流動對孔口出流均有影響。其中縱向流動可以通過改變進料管位置的方式避免，而橫向流動才是影響孔口出流的主要原因。模擬結果表明：①孔口流量隨著槽內橫向流速的增加而減小；②液位越低、孔口直徑越小，孔口出流越容易受到橫向流動的影響；③液體負荷較大的槽式液體分布器，橫向流動可能會導致大規模不良分布。因此，應該對液體在分布器內流動進行系統研究，避免橫向流動造成大規模不良分布。

對于液體分布器來說，在塔截面一定的情況下噴淋點數目越多越好，這樣可以提高液體分布程度。但噴淋點數越多，噴淋孔直徑越小，容易出現堵塞等現象，反而造成液體分布不均。因此，液體分布器噴淋孔的合理設計是決定液體分布器分布性能的關鍵問題[68]。孫鳳剛[69]依據以往設計經驗，結合前人的設計以及實驗理論，對槽式液體分布器的噴淋孔進行設計計算。如式(6)所示，孔流系數和最小噴淋孔數確定后，d就僅與Q和h有關，從而得到噴淋孔徑與液體流量和液面高度的關系。

2.3.2 槽式液體分布器設計及優化

王翊紅等[70]結合管式、槽式液體分布器的優點，設計制造了一種新型管槽式液體分布器。如圖9 所示，該分布器主要由進料管、導液管、溢流板、一級槽、二級槽和分液管構成。液體從進料管進入導液管，通過分液管進行第1次液體分布；然后從一級槽溢流而出進行第2次液體分布；最后經過二級槽底部的布液孔進行第3次液體分布。通過實驗對不同風速、不同噴淋密度下不均勻度系數和整塔壓降進行測定，發現新型分布器相較于傳統管式、槽式分布器不均勻系數分別下降了6%和11%，而整塔壓降分別降低16%和24%。這說明新型管槽式液體分布器有更優異的表現，具有很好的應用前景。

圖9 管槽式液體分布器[71]

針對槽式液體分布器進料管內液體分布不均的問題，張世地等[71]設計了一種擋板式分布管。采用傾斜45°的帶緩沖孔的擋板將進料管分為緩沖區和分布區兩部分，設計制造了直徑150mm 的丁字形進料管。通過實驗分別測試了常見分布管和擋板式分布管的液體分布效果。通過實驗數據對比表明：擋板式進料管液流狀態更加平穩，液體分布性能明顯優于普通進料管。由此可知，擋板式分布管能夠有效提高液體分布器的分布性能，進而提高填料塔的傳質性能。

王麗華等[72]對大型槽式液體分布器的初始布液狀況進行實驗與CFD模擬。結果表明：進料管的出流水柱會造成一級槽內出現液面波動和液體飛濺等問題，影響一級槽的液體分布能力。針對上述問題，張立明等[73]改進一級槽液體進口位置，在槽底部對應二級槽的位置增加溢流管，并設置格柵結構。通過實驗與CFD 模擬表明：相較于傳統分布器，改造后的分布器很好地解決了液面波動的問題，同時對液體進行導流，有效降低液體分布不均問題，提高操作彈性，對工業設計具有一定的參考價值。而安海靜等[9,74]提出改變進料管開孔的方法解決一級槽內液面波動問題。相同進料情況下，分別測定等孔徑和變孔徑進料管各孔質量流量。對比實驗結果發現：變孔徑進料管能夠更好地減小液體流動慣性，使得液體分布更均勻。同時，杜玉萍等[75]提出在變孔徑的同時在流體相慣處增加泄壓孔，起分流及泄壓作用。并通過實驗與CFD模擬驗證了增設泄壓孔的方法中進料管流場分布更加均勻，能夠更好地提高液體分布器進料管的分布性能。

對于間歇精餾塔和多用途塔來說，其進料量有大有小，進料物質也各不相同，這就對分布器的操作彈性提出了更高的要求。為了滿足此類要求，Lucero等[76]研究了一系列具有高操作彈性的多層槽式液體分布器，如圖10 所示，該系列分布器均具有不同位置高度的噴淋孔，能夠顯著提高分布器操作彈性，且不會因為處理量過低或者過高造成液體分布不均的現象發生。基于相類似的原理，Peter[77]開發了雙層堰槽式液體分布器，同時改進了分布器下方落點分布，使其分布更加均勻。

圖10 多層槽式液體分布器噴淋孔位置[77]

為了進一步提高液體分布器的操作彈性，張鵬飛等[78]運用虹吸作用的原理設計了一種高操作彈性液體分布器，其操作彈性能達到9∶1。如圖11 所示，該分布器主要由分布槽、虹吸管、分布孔、導流管、分布管以及一級槽組成。通過實驗對比發現，傳統高操作彈性液體分布器在其操作范圍內有一段過渡區，在這區間液體并不能實現均勻分布，且其程度與分布器的直徑、安裝條件有著密切的關系。而虹吸式高彈性液體分布器不僅提高了操作彈性，同時還避免了傳統高操作彈性分布器中過渡區的問題。

圖11 虹吸式高彈性液體分布器[79]

為了解決分布器理論計算值與實測值的誤差問題，王一軍等[79]對槽式液體分布器的槽體高度、噴淋孔密度和噴淋孔直徑等數據進行實驗測量和計算。最終確定計算值與實測值的差距主要由孔流系數的取值引起，通過反向推導確定孔流系數取值范圍為0.7～0.73（一般取值0.72），這時實測數據與理論計算值吻合良好。結合上述研究，設計了一種新型槽式液體分布器。該分布器設置液面穩定器，大幅降低液面波動問題；噴淋點密度大于150點/m2，液體分布均勻穩定。

李素珍[80]對傳統槽式液體分布器進行分析研究，提出優化設計方案：①一級槽采用側開孔結構，同時提高開孔位置，減少堵塞；②在二級槽出液口設置擋液板，提高液體分布均勻性；③在溢流堰頂部設置溢流導向孔，提高操作彈性。經過長期實踐驗證，相較于傳統分布器，改良后的液體分布器分布性能明顯增強，很好地提高了填料塔的傳質效率。

根據結構特點，堰槽式液體分布器的淋降點密度要小于孔盤式，通過上述理論研究以及設計優化提高布液點數目并使其均布，在大型填料塔內其分布質量更好，并且能夠改善液體分布形式，在實際應用、生產過程中具有更優良的分布性能。

3 液體分布器質量評價方法及選擇

3.1 質量評價

液體分布器設計完成后，需要通過質量評價來進一步評估其分布效果是否與預期效果吻合。目前對分布器質量檢測和評估尚沒有統一標準，更多是根據實際工程經驗進行評價[81-82]。液體分布器質量評價方法主要有Moore 評價法[83]、Perry 作圖法[12]、Spiegel 實 測 法[84]、Killat 分 區 法[85]、Klemas 評 價法[86]、Spiegel 濕潤指數法[87]以及白躍華區域流量測量法[88]等。

3.1.1 Moore評價法

Moore評價法是Moore和Rukowena于1986年提出的通過圖解和計算相結合的方式進行液體分布質量評價[83]。如圖12 所示，在填料塔截面的圓內，以每個噴淋點為圓心畫圓，其面積與流量成正比，總面積之和等于塔截面積。通過式(7)計算液體分布器的分布質量。

圖12 液體分布質量評價[83]

式中，A為小圓未覆蓋的塔截面積/塔總截面積；B=（1/12）塔截面積上最小的圓面積之和除以（1/12）塔截面積；C為重疊的小圓截面積/塔截面積；DQ為分布器的分布質量，當DQ＞90%為高性能液體分布器，70%≤DQ≤90%為中等性能，DQ＜70%為低性能液體分布器。

Moore 評價法是從實踐中推導出來的分布質量評價方法，是分布器分布質量評價領域的一次重要突破，為衡量液體分布器的性能提供了理論依據，也為后續分布器質量評價提供了有效的思路。但是當分布器噴淋點數量過多時，該計算方法較為復雜，特別是B值的確定困難，實際應用性較差，無法在設計中推廣。

3.1.2 Perry作圖法

1990 年，Perry 等[12]提出液體分布器均勻分布的3條標準：①充足的淋降點密度；②淋降點分布的幾何均勻性；③淋降點間流量的均勻性。

基于以上標準，Preey 結合Norton 公司的檢驗方法：如圖13 所示，在塔截面內作同心圓，將塔截面積均勻分成3份，通過統計各區內噴淋點數量占總噴淋點數量的比值，以此評價液體分布質量，當3個圓內噴淋點數量相等時，該液體分布器分布質量最佳。

圖13 均勻性檢驗方法[12]

對比A、B、C 三區域分布點個數nx與平均分布點數ne比值，當nx/ne比值在95%～105%的范圍內，且分布點均勻布置時，分布器的分布質量可以得到保證。

宋娜[89]采用Perry 作圖法對槽式液體分布器進行理論改進，并通過實驗驗證了其在實際液體分布質量評測中的可靠性和準確性。但是Perry 作圖法只能定性判斷分布質量優劣，并不能具體分析液體分布是否均勻。

3.1.3 Spiegel實測法

1994年，Spiegel等[84]提出在塔截面積內自由選取一小塊面積作為待測單元，通過實驗測量與計算求出相對偏差|ΔL|，見式(8)，以此作為液體分布器分布質量的評價標準。

在分布質量評價過程中，當|ΔL|＜4%時，分布質量優秀；當4%≤|ΔL|≤10%時，分布質量較好；而當|ΔL|＞10%時，分布質量較差。

Spiegel 實測法屬于簡單方便的質量評價方法，能夠迅速反映分布器的分布質量，但是該方法具有隨機性，需要多次取樣才能保證其評價的準確性。相對偏差值只能說明不同取樣面積間存在的流量差，必須配合其他質量評價方法才能準確說明引起偏差的原因。

3.1.4 Killat分區法

如圖14 所示，Killat 等[85]將塔截面積分為不同的等份：①分為8個等面積同心圓；②分為等面積的16個方格；③分為8個等面積的扇形。分別測定各個區域的實際流量與塔截面積的總流量，通過計算分區平均流量與實際流量的偏差值來表示液體分布不均勻程度，見式(9)。

圖14 Killat不同形狀分區[85]

Killat 分區法通過均勻分區，能夠判別分區間液體分布是否均勻，反映分布器的分布質量。然而，這種方法也有其局限性，即對不同直徑的分布器需要采用不同的分區方法進行分析，最重要的是該方法目前還沒有統一的標準用于評價分布質量。

3.1.5 Klemas評價法

Klemas等[86]提出采用頂層填料潤濕百分率Q評價分布質量，見式(10)。

在分布質量評價過程中，當Q＞75%時，分布質量優秀；當50%≤Q≤75%時，分布質量較好；而當Q＜50%時，分布質量較差[86]。

對于初始不良分布Mo，Klemas 也提出了使用噴淋點液體流量的統計標準差來定義，見式(11)。

初始不良分布Mo是衡量液體分布器性能的重要指標，是分布不均勻程度的體現，其值越小說明液體分布性能越好。在液體均勻分布情況下，淋濕區域內Q與Mo關系見式(12)。

Klemas 評價法是一種實際操作中應用非常簡便的方法。宋海華等[90]在評價H型高效液體分布器分布質量時采用Klemas 評價法，取得了預期的研究結果。但是該方法在測量填料頂層濕潤率時較為困難；且在式(11)中，無法保證液體一定均勻分布，Q與Mo的關系與事實不一定相符，計算存在較大的誤差。

3.1.6 Spiegel濕潤指數法

2006年，Spiegel[87]提出采用濕潤法對液體分布器的分布質量進行評價。并提出該種分布質量評價方法基于以下要求：①該方法取決于噴淋點的幾何分布，與噴淋點出口形狀無關；②需要考慮填料的傳質系數以及橫向擴散系數；③假設每個噴淋點出口或者通過擋液板流出液體流量是均勻的。

在Spiegel濕潤指數法中距離填料層表面h水平面的濕潤面積與塔截面積的比值被定義為濕潤指數WI。如圖15所示，h為一層填料盤高度；θ為分布角度，可以通過實驗測得；s為液體在一層填料內的擴散距離，dh為填料的水力學半徑，與填料型號有關；nw為濕潤單元數。

圖15 第1層填料液體橫向分布[87]

由圖15可以看出，s=htanθ，nw=s/dh，nw數值越大，代表被濕潤單元數越多，證明液體分布器分布質量越好。

在實際操作中，如圖16 所示，濕潤指數的確定步驟為：①將塔截面用正方形分割，正方形邊長等于填料水力學直徑；②對于每個噴淋點，其對應的正下方的正方形標記為黑色；③濕潤單元為黑色塊沿著波紋片層左右各nw單元，標記為灰色；④黑、灰色方格數量與填料塔截面積內所有方格數量之比即為潤濕指數WI。

圖16 參考面上潤濕單元定義[87]

在分布質量評價過程中，當WI＞0.75時，分布質量優秀；當0.5≤WI≤0.75 時，分布質量較好；而當WI＜0.5時，分布質量差[87]。

Spiegel 濕潤指數法將液體分布器和填料層相結合，不僅考慮了液體分布器的分布質量，還考慮了頂部填料層對液體初始分布的影響，為后續的液體分布質量評價提供了新的思路和方向。但是這種方法只考慮了液體對填料表面的濕潤，并沒有考慮濕潤的程度；且這種方法必須結合填料才能進行分析，并不能對液體分布器單獨進行評價，在實際應用中無法定量分析分布質量。

3.1.7 白躍華區域流量測量

白躍華等[88]采用如圖17 所示的扇形液體收集器，將之劃分為若干小方格對各個區域液體收集測量。

如式(13)所示，塔截面上的分布效果可用液體的不良分布函數來衡量[91]。

當Mf＜0.15 為 高 性 能 液 體 分 布 器，0.15≤Mf≤0.25 為中等性能分布器，Mf＞0.25 為低性能液體分布器。

白躍華區域測量法提出了用區域流量測量替代單點流量測量，減小實驗誤差，提高了實際操作的可行性。這種方法也是對分布不均勻度系數Mo定義的拓展，為以后的分布質量評價提供了新的思路。但是，該方法沒有明確規定不同液體分布器所對應的采樣面積的大小，同時也無法區分大面積不良分布和小面積不良分布，必須結合其他評價方法進行分布質量分析。

3.2 液體分布器質量評價方法選擇

3.2.1 管式液體分布器

管式液體分布器的液體分布類型屬點分布，其液體分布質量評價體系相對成熟。隨著填料塔設備的大型化發展，管式液體分布器也逐步大型化，其布液管以及布液孔數目呈倍數增加，成百上千的小孔使得以測量小孔流量為主的液體分布評價體系在實際操作中存在著較大困難，因此國內外專家常采用以測量區域面積的流量代替小孔流量進行研究[92]。

根據評價的目的和側重點的不同，本文推薦采用以下幾種評價方法。

（1）Perry作圖法 通過將布液點劃分為3個區域并對比布液點數目，分析分布器的均勻分布能力。

（2）Spiegel 實測法 適用于對液體分布器進行初步的評價，并發現分布性能較差的區域。可用于對比同一分布器不同區域的性能差異，并做針對性的改進。

（3）白躍華評價法 白躍華提出的公式可用于對分布性能進行整體性能的評價，為評比不同分布器間性能差異提供了相對統一的標準。

（4）Killat分區法 采用Killat分區法可發現引起液體分布不均的原因，從而對液體分布器進行有針對性的改進。

3.2.2 盤式液體分布器

盤式液體分布器布液孔開設在集液盤或者導液管上，其液體分布類型屬于點分布。同管式液體分布器一樣，隨著設備大型化的發展，布液點數目呈倍數增長，這就使得測量每個孔的液體流量非常困難，因此采用區域流量測量方法成為了評價盤式液體分布器分布質量的最佳方式[93]。

對比上述7種分布質量評價方法，本文主要推薦采用以下幾種評價方法。

（1）Perry 作圖法 在測量液體流量之前對布液點進行區域劃分，并進行布液點數目對比，分析液體分布器的均勻分布能力。

（2）Spiegel 濕潤指數法 該方法將液體分布器與頂層填料相結合評價液體分布質量，減小了填料對液體分布的影響，從而更好地說明液體分布器的性能，從而對液體分布器有針對性地進行改進。

（3）白躍華評價法 用區域流量測量替代單點流量測量，減小實驗誤差，提高了實際操作的可行性。

（4）Klemas 評價法 該方法屬于簡便的質量評價方法，能夠迅速反映液體分布器的分布質量。

3.2.3 槽式液體分布器

槽式液體分布器布液孔開孔方式可以分為底部開孔以及側面開孔兩種，其中底部開孔槽式液體分布器與盤式液體分布器開孔方式同屬于點分布類型，本文推薦適用于盤式液體分布器的評價方法同樣適用底部開孔槽式液體分布器[94]。

而對于側面開孔槽式液體分布器，液體噴淋孔的位置由底部移至側面，液體不再直接噴淋到填料端面，而是噴到導液板進行初分布，液體分布方式由離散的點分布改善為連續的線分布。側開孔槽式液體分布類型以線分布為主，適用于點分布的評測方法并不適用于液體線分布。

結合評價的目的以及評價方法適用性，本文主要推薦采用以下幾種評價方法。

（1）Spiegel 濕潤指數法 該方法不論是對于點分布還是線分布均有良好的分布質量評價能力，通過對比填料頂層濕潤程度，從而對液體分布器進行有針對性的改進。

（2）Killat 分區法 通過大面積分區法弱化點分布與線分布的區別，判別分區間液體分布是否均勻，反映分布器的分布質量。

（3）Klemas 評價法 通過計算頂層填料潤濕百分率，評價液體分布器分布質量，操作應用簡單方便，為評比不同分布器間性能差異提供了相對統一的標準。

單一的評價方法很難準確判斷液體分布器的分布質量情況，需要多種評價方法相互結合，共同驗證，對分布質量做出更加準確的評判。

3.3 液體分布器選擇

經過多年的發展，工業中常用的液體分布器種類繁多，功能多樣，適用于不同的操作環境。性能優良的液體分布器應具有以下條件。

（1）操作可行性 液體分布器氣液通道應通暢無阻，不能出現堵塞、飛濺、夾帶等導致液面大幅波動的情況。

（2）分布均勻 噴淋點分布幾何均勻性是影響液體分布器性能的重要因素[95-96]。液體分布器的點流量常構成正態分布，只要點間流量偏差不構成大規模不良分布，對塔效率影響基本可忽略不計。

（3）足夠的氣流通道 Spiegel[84]提出，性能良好的液體分布器，應該具有充足的氣體通道，以保證在液體分布器的壓降不會過高，不會造成局部液泛甚至全塔液泛情況。

（4）合適的操作彈性 通用型液體分布器操作彈性一般在1.5～4之間，用于連續操作[97]，而對于間歇操作，有時要求操作彈性達到10甚至更大[98]。

4 結語與展望

液體分布器作為填料塔中重要的塔內件，對其結構、流體力學性能和質量評價標準的研究分析是重要且必要的。通過對傳統液體分布器優化以及設計新型液體分布器，有利于提高填料塔的初始液體分布質量，從而提高填料傳質效率，推動填料塔向著高效、低耗方向發展。

近年來，填料塔中液體分布器的研究取得了長足的進步，但是仍然存在一些亟需重視的問題：①提出更加科學的液體分布理論，更準確描述氣液分布狀態；②研究氣體流通空間更大的液體分布器，減小分布器阻力，降低壓降；③開發分布性能更好、操作彈性大的液體分布器，提高分布質量；④開發新型結構簡單、緊湊的液體分布器，減小占用塔內空間的同時易于安裝以及調整；⑤開發新型兼具傳質性能的液體分布器，增加塔內空間的利用效率。

綜上，填料塔技術的發展對塔內件的性能提出了更高的要求，其中液體分布器作為重要的塔內件，其研究與設計至關重要。相信在眾多學者的共同努力下，越來越多性能優良的液體分布器被設計出來，從而促進化工行業的發展，使得化工分離技術邁上一個新的臺階。

符號說明

Aw—— 填料頂端濕潤面積，m2

Ac—— 填料截面積，m2

Cd—— 孔流系數

DQ—— 分布器的分布質量，%

D—— 管內徑，m

d—— 噴淋孔直徑，m

g—— 重力加速度，m/s2

h—— 小孔以上液位高度，m

K′—— 動量修正系數

Mf—— 不良分布因子

Mo—— 分布不均勻度系數

N—— 分布器孔口數，個

P—— 流體靜壓，Pa

Q—— 流體流率，m3/s

Q0i——i號孔口的液體流量，m3/s

-Q0i—— 分布器N個孔口的平均流量，m3/s

qi—— 第i取樣點液體質量流量，kg/s

-q——n個取樣點平均質量流量，kg/s

q′i—— 第i個取樣區域液體流量，kg/s

-qi——n個取樣區液體流量平均值，kg/s

u—— 主流速度，m/s

u0i—— 支管入口處液體流速，m/s

ui—— 支管i號孔口后液體流速，m/s

Vi—— 第i個方格中的液體噴淋密度，m3/(m2·h)

-V—— 所有方格液體噴淋密度平均值，m3/(m2·h)

ρ—— 流體密度，kg/m3

φ—— 管道摩擦系數

ξi—— 穿孔阻力系數