泡罩分布器的研究现状分析

＊卜亿峰 梁倩卿 杜冰 赵用明 门卓武

（北京低碳清洁能源研究院 北京 102209）

气体分布器作为多相流设备的重要内构件之一，主要有管式、板式和泡罩三种结构形式[1-4]。泡罩最早应用在气液传质精馏塔中[4-5]，用于控制和调节塔板气液相有效接触面积和停留时间。之后，逐步作为气体分布器应用于多相流反应器中。气固流化床反应器中，泡罩分布器主要用来均匀分布流体，保证流化床层的流化状态，实现长期稳定运行[6-7]。鼓泡床反应器（包括悬浮床和沸腾床反应器）中，对泡罩的研究较少，主要集中在泡罩结构为基础的构件对反应器流体力学影响方面[8-9]。由于体系、试验设备和方法的区别，对泡罩的研究所得的结论也不完全一致。本文主要对这些研究进行了分析，结合专利文献从结构、排布以及其对多相流传递过程和流动状态的影响方面进行总结讨论，可为设计包括泡罩在内的分布器提供参考。

1.精馏塔中泡罩分布器的研究

泡罩在精馏塔中的应用和研究都比较多[4,10]，针对当气、液相负荷很低时，气相分布不均匀易引起脉动现象；而负荷较高时，如果气、液相流量不匹配时，泡罩易被淹没或缺乏液封的问题，Fatemeh等[10]以泡罩塔板作为研究对象，通过计算流体动力学（CFD）模拟，开发了在标准k-ε湍流模型和欧拉框架中的瞬态三维模型，获得了泡罩塔板持液率的新关联式，并预测了泡罩分布器作用下的水力学性质，包括泡沫区域中的速度和压力分布、塔板上层清液高度，液层高度和持液率。模拟的主要结构参数为：塔径1.2m，泡罩的上升管直径是70mm；泡罩帽的直径为88mm，齿缝宽度和高度分别为5mm和28mm，泡罩的底隙为26.9mm，每块塔板上分布有28个泡罩。模拟结构显示,泡罩齿缝塔板附近的气含率是最大的，气体速度和压降波动也较大，气含率会随着上层清液高度的增加而减少，速度波动幅度逐渐减小，同时平均速度由于压降而减小。在一定的液体流量和溢流堰高度下，即从泡罩分布器出来的气相在很薄的液层范围内才分布比较均匀，说明通过泡罩分布器的气体主要沿着水平方向上分布，这与鼓泡床反应器气体分布器的设计也是契合的，需要合理排布泡罩，才能尽可能在鼓泡床反应器的分布器控制区域消除死区并且缓解催化剂沉积，因此可以认为精馏塔中泡罩的作用机制是应用于其他多相流设备的基础。

精馏塔中泡罩中的泡帽为具有封闭顶部的圆柱形，圆顶形或钟形结构，气体进入泡帽后经边缘的锯齿，凹槽和狭缝等流出。泡帽结构的改进会提升设备的操作性能见图1[11-13]。Vlastimil等[11]设计的泡罩能实现气体均匀分布，并降低塔盘的压降；同时在非常低的气液相负荷下也能实现气液两相的充分混合，在高负荷下也不会出现水力梯度，这样保证了精馏塔的高弹性操作区间，实现精馏塔的高效分离。Harold等[12]设计的泡罩有一个垂直进气管及有间隔设置细长垂直开口的倒置杯，有利于形成小气泡，尽可能地将实现气相均匀分散和加快传质过程。Wolfgang等[13]将泡罩的底部改为钟形结构，拓展了负荷操作区间，具有较低的压降和更好的耐污染能力。Alfred等[14]在常规泡罩上设置了同心定位的导向环和湍流室用气泡帽周围的液体填充，使得进入泡罩的气体或者蒸气在湍流室内发生偏转，无需设置挡板来分离被夹带的液体。Marlin等[15]也开发了一种消除夹带的泡罩组件。William等[16]和George等[17]设计了一种隧道式泡罩可以有效提高气液相操作负荷。

2.气固流化床中泡罩分布器的研究

对于气固流化床气体分布器[1,18-19]，分布器的临界压降比，开孔率、孔的尺寸、几何形状和间距等因素均会严重影响射流穿透、死区、颗粒筛分、磨损和混合。此外，分布器的型式和几何形状对射流或迅速聚结的气泡的影响较为显著。

Fereshteh等[20]测试了直径为0.15m的流化床在不同气体分布器（穿孔板、泡罩和多孔板）的流化特性，虽然泡罩气体分布器上的初始气泡尺寸比穿孔板和多孔板更大，但是通过泡罩分布器的压降最小，同时压力波动也是最小的。图2给出了三种分布器的初始气泡直径与表观气体速度的关系[21]。提高表观气速，初始气泡尺寸都会增加。在非常低的表观气速下，多孔板上产生的初始气泡最小。然而，随着表观气速的增加，在多孔板上产生的初始气泡尺寸迅速增长，且远大于其他两个分布器的初始气泡尺寸。总体来讲，与穿孔板和多孔板相比，泡罩气体分布器在均匀布气方面更具优势，且压降小。

Guo等[22]也发现泡罩的入口直径是影响泡罩阻力特性和气体流量分布的主要参数。图3给出了两种泡罩入口直径下，气体流经泡罩后的体积流量沿反应器径向的分布情况，Vmax/Vmin表示通过泡罩的最大流量与最小流量之比；Vmax/Vav表示通过单个泡罩的最大流量与所有泡罩的平均流量之比；∆Pd/∆Pr表征泡罩压降和上升管压降的比，表中上升管压降∆Pr保持5500Pa不变。由表1可见，在表观气速为3.0m/s，泡罩入口直径在54.5mm和38.5mm时，Vmax/Vmin和Vmax/Vav均偏离1.0较多，说明单泡罩流量波动和整体流量分布均匀，单直径变小不均匀变弱；当继续减小入口直径到23.0mm时，Vmax/Vmin和Vmax/Vav均接近1.0，表面气体分布均匀性改善明显，同时通过泡罩的压降随其入口直径的减小而增加。在表观气速达到4.5m/s时，影响规律相同，与表观气速为3.0m/s的情况相比，没有显著改善流量分布的不均匀性（尤其当泡罩入口直径为54.5mm和38.5mm），但通过泡罩气体分布器后的速度会增加。相同表观气速下，减小泡罩入口直径，都能改善流速分布，进而提升泡罩的均匀布气能力。在气固流化床中，分布器的设计也要考虑避免或降低同催化剂颗粒间的项目磨损。

表1 流化床反应器中泡罩入口直径对压降和流量分布的影响

3.鼓泡塔中泡罩分布器的研究

目前调研的鼓泡塔文献中，大多采用穿孔板或者多孔板的气体分布器型式，针对泡罩分布器的研究较少，主要是由于泡罩在鼓泡塔和精馏塔中对气体分布原理基本相同，涉及气泡尺寸、气含率、压降以及分布均匀性的研究，LCFiningTM加氢反应器中，气液两相进入泡罩分布器或穿孔管分布器，发现泡罩气体分布器产生的气泡大于穿孔板的气泡[23]。泡罩入口内形成的气穴以及出入口之间环隙中的气泡聚并都可能是产生大气泡的原因。由于液相流量的提高，存在较大的液相湍流，增加了气泡破裂的概率，经过泡罩分布器产生的气泡逐渐减小，而气泡尺寸和滑动速度的减小会增加停留时间，导致气含率增大。泡罩分布器产生的气泡比在增压室中的气泡小，同时可以得到更大范围的气泡尺寸分布。表面活性剂对于经过泡罩分布器的气泡大小影响核销，也验证了气泡尺寸和分布范围变化都与泡罩分布器的结构相关。

Ouyang等[24]在鼓泡塔中实验观察到了三种流动形式，即湍流、过渡和理想气泡流，同时与Koch静态混合器相比，泡罩具有更好的布气效果和更高的气含率。Saxena等[25]搭建了两个鼓泡床（直径分别为0.108m和0.305m）用来测试反应器的流体力学和传热性能，气体分布器由同心圆排布或等边三角形排布的泡罩组成。对于气液两相系体系（固含率Cs=0），气含率随气体流速而单调增加；操作条件相同，有固体颗粒时，气含率会降低。后续的实验研究发现，气含率和传热系数是气体流速，固体浓度和粒径的函数[26]。

Robert等[27]设计开发了鼓泡塔及其工艺流程，其中泡罩分布板与腔室中的液位之间存在一定的空间，保证能得到完全混合的气液混合物，以确保均匀分配到反应器中。同时泡罩具有二次剪切气泡的作用，产生了一定的搅拌流可降低气泡直径。James等[28]开发了一种与高压反应容器结合的泡罩中，止回阀安装在阀座上，可减少塞流，见图3。同时，对比气液固三相穿过多孔板和泡罩组合的分布板同时进料，泡罩进气管的这种结构设计，可以有效防止固体催化剂的沉积。但如果发生堵塞，止回阀可能会堵塞通道，造成压降升高或断流。

巫春连等[29]认为泡罩的气孔较大，具有防堵塞的突出优点，非常适合含有高黏性液相的鼓泡床体系，通过模拟研究发现，模拟结果显示同气固流化床一样[22]，泡罩内径对气体的分布影响较大，而泡罩齿片宽度对泡罩压降有影响，开孔数对压降也有影响而对气体分布均匀性影响很小。

4.总结与展望

泡罩分布器用在气液相接触设备中将气相以气泡形式均匀分布在塔板的液相中，有利于提高传质或者反应效率。如果涉及三相反应体系，应使催化剂颗粒体系完全悬浮在反应器中，这样对气体分布器的出口气速和压降就有更严格的要求，鼓泡床反应器中通过泡罩的气体主要沿水平方向分布，合理布置泡罩，才能尽可能在分布器控制区域消除死区并且缓解催化剂沉积。在相同的气速下，泡罩分布器压降小，能体均匀布气优势明显，减小泡罩上升管直径，能显著改善流速分布，同时进一步改善均匀布气能力。

通过对比发现不同的多相流反应器泡罩分布器设计要求有一定的相似之处：具有均匀分布流体的作用，同时压降要尽可能减小；有一个良好的起始气体分布状态，可减少产生死区的可能性；分布器结构应满足工程实际要求，包括减小同固体催化剂之间的相互磨损、抗震动等。因此对鼓泡床（悬浮床）反应器中泡罩的结构和尺寸的设计应包括临界压降，最小过孔速度等，为新型多相流反应器分布器开发提供参考。