泡罩分布器的研究現(xiàn)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(shè)備的重要內(nèi)構(gòu)件之一，主要有管式、板式和泡罩三種結(jié)構(gòu)形式[1-4]。泡罩最早應(yīng)用在氣液傳質(zhì)精餾塔中[4-5]，用于控制和調(diào)節(jié)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(yīng)用于多相流反應(yīng)器中。氣固流化床反應(yīng)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(tài)，實現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行[6-7]。鼓泡床反應(yīng)器（包括懸浮床和沸騰床反應(yīng)器）中，對泡罩的研究較少，主要集中在泡罩結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的構(gòu)件對反應(yīng)器流體力學(xué)影響方面[8-9]。由于體系、試驗設(shè)備和方法的區(qū)別，對泡罩的研究所得的結(jié)論也不完全一致。本文主要對這些研究進(jìn)行了分析，結(jié)合專利文獻(xiàn)從結(jié)構(gòu)、排布以及其對多相流傳遞過程和流動狀態(tài)的影響方面進(jìn)行總結(jié)討論，可為設(shè)計包括泡罩在內(nèi)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(yīng)用和研究都比較多[4,10]，針對當(dāng)氣、液相負(fù)荷很低時，氣相分布不均勻易引起脈動現(xiàn)象；而負(fù)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，F(xiàn)atemeh等[10]以泡罩塔板作為研究對象，通過計算流體動力學(xué)（CFD）模擬，開發(fā)了在標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和歐拉框架中的瞬態(tài)三維模型，獲得了泡罩塔板持液率的新關(guān)聯(lián)式，并預(yù)測了泡罩分布器作用下的水力學(xué)性質(zhì)，包括泡沫區(qū)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)器氣體分布器的設(shè)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(yīng)器的分布器控制區(qū)域消除死區(qū)并且緩解催化劑沉積，因此可以認(rèn)為精餾塔中泡罩的作用機(jī)制是應(yīng)用于其他多相流設(shè)備的基礎(chǔ)。

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(jié)構(gòu)，氣體進(jìn)入泡帽后經(jīng)邊緣的鋸齒，凹槽和狹縫等流出。泡帽結(jié)構(gòu)的改進(jìn)會提升設(shè)備的操作性能見圖1[11-13]。Vlastimil等[11]設(shè)計的泡罩能實現(xiàn)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(fù)荷下也能實現(xiàn)氣液兩相的充分混合，在高負(fù)荷下也不會出現(xiàn)水力梯度，這樣保證了精餾塔的高彈性操作區(qū)間，實現(xiàn)精餾塔的高效分離。Harold等[12]設(shè)計的泡罩有一個垂直進(jìn)氣管及有間隔設(shè)置細(xì)長垂直開口的倒置杯，有利于形成小氣泡，盡可能地將實現(xiàn)氣相均勻分散和加快傳質(zhì)過程。Wolfgang等[13]將泡罩的底部改為鐘形結(jié)構(gòu)，拓展了負(fù)荷操作區(qū)間，具有較低的壓降和更好的耐污染能力。Alfred等[14]在常規(guī)泡罩上設(shè)置了同心定位的導(dǎo)向環(huán)和湍流室用氣泡帽周圍的液體填充，使得進(jìn)入泡罩的氣體或者蒸氣在湍流室內(nèi)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，無需設(shè)置擋板來分離被夾帶的液體。Marlin等[15]也開發(fā)了一種消除夾帶的泡罩組件。William等[16]和George等[17]設(shè)計了一種隧道式泡罩可以有效提高氣液相操作負(fù)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(yán)重影響射流穿透、死區(qū)、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(jié)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?xì)馀莩叽绫却┛装搴投嗫装甯螅峭ㄟ^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?xì)馀葜睆脚c表觀氣體速度的關(guān)系[21]。提高表觀氣速，初始?xì)馀莩叽缍紩黾?。在非常低的表觀氣速下，多孔板上產(chǎn)生的初始?xì)馀葑钚　Ｈ欢?，隨著表觀氣速的增加，在多孔板上產(chǎn)生的初始?xì)馀莩叽缪杆僭鲩L，且遠(yuǎn)大于其他兩個分布器的初始?xì)馀莩叽纭？傮w來講，與穿孔板和多孔板相比，泡罩氣體分布器在均勻布?xì)夥矫娓邇?yōu)勢，且壓降小。

Guo等[22]也發(fā)現(xiàn)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(shù)。圖3給出了兩種泡罩入口直徑下，氣體流經(jīng)泡罩后的體積流量沿反應(yīng)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?nèi)?；?dāng)繼續(xù)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(dá)到4.5m/s時，影響規(guī)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(dāng)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(jìn)而提升泡罩的均勻布?xì)饽芰ΑＴ跉夤塘骰仓?，分布器的設(shè)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(yīng)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(diào)研的鼓泡塔文獻(xiàn)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(yīng)器中，氣液兩相進(jìn)入泡罩分布器或穿孔管分布器，發(fā)現(xiàn)泡罩氣體分布器產(chǎn)生的氣泡大于穿孔板的氣泡[23]。泡罩入口內(nèi)形成的氣穴以及出入口之間環(huán)隙中的氣泡聚并都可能是產(chǎn)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(jīng)過泡罩分布器產(chǎn)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(dǎo)致氣含率增大。泡罩分布器產(chǎn)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(jīng)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(jié)構(gòu)相關(guān)。

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(tài)混合器相比，泡罩具有更好的布?xì)庑Ч透叩臍夂?。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(yīng)器的流體力學(xué)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(diào)增加；操作條件相同，有固體顆粒時，氣含率會降低。后續(xù)的實驗研究發(fā)現(xiàn)，氣含率和傳熱系數(shù)是氣體流速，固體濃度和粒徑的函數(shù)[26]。

Robert等[27]設(shè)計開發(fā)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(yīng)器中。同時泡罩具有二次剪切氣泡的作用，產(chǎn)生了一定的攪拌流可降低氣泡直徑。James等[28]開發(fā)了一種與高壓反應(yīng)容器結(jié)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(jìn)料，泡罩進(jìn)氣管的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效防止固體催化劑的沉積。但如果發(fā)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(rèn)為泡罩的氣孔較大，具有防堵塞的突出優(yōu)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(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果顯示同氣固流化床一樣[22]，泡罩內(nèi)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(shù)對壓降也有影響而對氣體分布均勻性影響很小。

4.總結(jié)與展望

泡罩分布器用在氣液相接觸設(shè)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(zhì)或者反應(yīng)效率。如果涉及三相反應(yīng)體系，應(yīng)使催化劑顆粒體系完全懸浮在反應(yīng)器中，這樣對氣體分布器的出口氣速和壓降就有更嚴(yán)格的要求，鼓泡床反應(yīng)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(qū)域消除死區(qū)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?xì)鈨?yōu)勢明顯，減小泡罩上升管直徑，能顯著改善流速分布，同時進(jìn)一步改善均勻布?xì)饽芰Α?/p>

通過對比發(fā)現(xiàn)不同的多相流反應(yīng)器泡罩分布器設(shè)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?xì)怏w分布狀態(tài)，可減少產(chǎn)生死區(qū)的可能性；分布器結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)器中泡罩的結(jié)構(gòu)和尺寸的設(shè)計應(yīng)包括臨界壓降，最小過孔速度等，為新型多相流反應(yīng)器分布器開發(fā)提供參考。