滴流床中流体分布的研究现状及展望

化工进展

科技期刊

CHEMICAL　INDUSTRY　AND　ENGINEERING　PROGRESS

1998年 第３期

滴流床中流体分布的研究现状及展望

毛在砂　王跃发　陈家镛

(中国科学院化工冶金研究所，北京，100080)

提要　回顾了滴流床流体分布研究的历史和技术进步，分析了测量液体分布大尺度和小尺度均匀性的方法，

讨论了改善流体分布均匀性的措施，指出了滴流床操作特性的非线性与小尺度不均匀性的关系，最后对值得深入

的工作提出了建议。

关键词　滴流床，液体分布，填料床，小尺度不均匀性

Flow　Distribution in Trckle Beds: State of Art and Perspective

Mao Zaisha, Wang Yuefa,Chen Jiayong

(Institute of Chemical Metallurgy, Chinese Academy of Sciences,Beijing,100080)

Abstract Research on uniformity of liquid flow in trickle beds is reviewed The methods for determinning

large-scale and small-scale nonuniformity of flow distribution and the measures to be taken for improuing flow

uniformity are addrwssed The correspondence between the nonlinearity of performance characteristics and the

flow distribution is ascertained Afew suggestions for futrue study of flow distribution are also presented.

key words trickle bed liquid distribution packed bed small-scale nonuniformity

在滴流床反应器中，气液两相并流向下通过作为催化剂的固体填料床层，同时进行化学反应，关于这种反应

器的研究已有许多综述［1～5］。流动相在床层截面上的不均匀分布会严重影响反应器(特别是工业用大型反应器)

操作性能［6］，反应效率降低，同时造成床层中温度分布不匀。流动分布随滴流床的设计、操作而变化是反应器

设计中放大效应的重要原因之一。

对滴流床中液体分布均匀性的研究工作从30年代开始［7］，一些报告综述了近年关于液体分布研究的进展

［8，9］。流体分布均匀性的研究可包括两大方面：一方面是研究流体均匀分布的技术和装置，主要是指：液体分

布器和再分布器的研究和设计；研制新型优良散装填料和规整填料，改善对流体的分散性和反应器的操作性能；

改进散装填料的装填技术，提高床层的装填密度和均匀性。另一方面是从理论上认识流体在床层中流动的内在规

律，为改善滴流床的设计提高生产能力提供理论指导。60年来，研究逐渐深入，大致经历了两个阶段［10］。

第一阶段主要研究的是液体在床层截面上的大尺度不均匀分布，其典型表现即壁流。实验多用环形集液器测

定液体流率的径向分布。相应的理论把液体在床层中的流动认为是随机的，用扩散模型和随机模型描述，在初始

分布不均匀和壁效应等初始条件和边界条件下能预测到壁流的形成。第二阶段主要标志是开始研究液体在床层径

向的小尺度不均匀分布。使用小尺度(10～16 mm)集液器证实了液体小尺度不均匀性的存在。床层中流体向下流动

达到稳定状态时，液体的径向分布仍然是不均匀的“自然分布”，描述小尺度不均匀分布的理论模型正在发展

中。

近年来研究中发现流体分布均匀性与一些宏观流体力学现象有密切的关系。从滴流床的总体数学模型来看，

流体分布是一个中间变量：反应器的设计和操作条件直接影响流体流动的大尺度和小尺度不均匀性，后者又影响

反应器的各种宏观流体力学现象和操作性能。流体的分布，尤其是小尺度的分布对操作性能之间关系的研究，正

逐渐深入。可以预计，流动分布研究的成果将对滴流床反应器的优化设计和优化操作起重要的促进作用。本文将

回顾滴流床(也包括填料床)中流体均布研究的历史，分析目前研究和开发的现状，讨论今后研究工作的方向。

1　流体分布均匀性的研究

1.1　液流强度的大尺度分布

一直普遍使用环形集液器来得到床层底部流出液体的径向分布。这先验地将液体分布当作轴对称的，通常能

够测出液体向床层中心和壁区集中的不均匀分布现象。Weekman和Myers,Sylvester和Pitayagulsarn,Borda和Gabitto等

许多人进行了类似的研究，考察了气液流速、体系物性、填料形状等诸多因素对液体分布不均匀性的影响［11～

13］。研究结果不完全一致，但总的来说，壁流通常是很明显的，有些情况下能观察到中心流加强的现象。气液

相流率较高时液体分布比较均匀且稳定，表面张力和粘度降低也使液体分布的均匀性有所改善。对不均匀的初始

分布，随着床层高度的增加，液体分布趋于均匀；当床层高度与直径之比值大于5时，达到稳定的平衡分布。Herskowitz和Smity［14］指出，床层直径与颗粒直径的比值d t/d p越大，液体分布的均匀性越好，此值大于18，平衡分布可认为是均匀分布。不同形状的填料层中达到液体平衡分布所需的d t/d p值也略有差别。液体均匀进料时达到平衡分布所需床层高度比点源进料的要小得多。

但是上述关于液体平衡分布的结论并不确切，Hoek等［15］和Albright［16］所发现的小尺度不均匀分布说明液体的平衡分布并不均匀。因为用环形集液器测量液体流量时通常是将床层截面分为4至6个环形区域，所以无法发现小尺度不均匀分布和非轴对称分布。例如，Borda和Gabitto的实验数据也证明在各个环形区域内液体分布也不均匀［13］。而在直径较大的滴流床中，液体在径向的小尺度不均匀分布也较明显［10］。

1.2　小尺度分布不均匀性

只有减小集液器的尺度，才能探测到液体分布的小尺度不均匀性。Hoek等［15］用16×16 mm的小集液器(中心区657个，壁区24个)，来测量直径为0.5 m的填料床的液体(水)流量分布，通过数据分析发现了尺度为几个填料大小的不均匀性。实验中采用了几种环形和鞍形随机填料和Sulzer塑料BX及不锈钢Mellapak 250-Y和500-Y等规整填料，没有气体流量，因为他们认为泛点以下气流不影响持液量和液体的混合，填料表面的润湿性不影响液体分布形式。可用n个集液器测得的液体流率q i偏离平均液体流率的均方差值

来定量地表示整个截面液体分布的不均匀程度，M称为不均匀分布因子。若集液器的液体流率q i大于1.5，且跨越两个填料面积以上的区域，则定义为沟流，沟流密度N为单位面积上的沟流数。

实验结果表明，M和N都随粒径的增大而增大，但这是以测量单元为基准直接测出的。若以填料颗粒为基准，则M在填料颗粒尺度上是常数0.5，将沟流数换算成平均每个沟流覆盖的颗粒数N，也为常数30～40。低流率时M值较高，流率增高后M趋向于一个常数。床层高度增高到10层填料左右后，液流分布基本达到稳定，即所谓的“自然分布”，此时M仍为0.5，不再随床层高度变化。这与Albright由液体流动的随机性进行数值模拟所得结果相同［16］。随机填料床层的M是0.5，说明液体小尺度不均匀分布相当明显。

王蓉等用Φ10 mm的小集液器，发现了内径70 mm滴流床液体分布在圆周方向的不均匀性，并观察到这种不均匀性与气液传质不均匀性间的对应关系［17］。王跃发等用29个排成一列的10×10 mm集液器研究了内径283 mm 的滴流床的液体大尺度和小尺度分布的不均匀性［18］，考察了操作条件和床层高度的影响，发现液体分布的尺度和方差不仅与操作条件有关，而且与操作方式也有关，提供了更充分的小尺度不均匀性实验数据［19］。

1.3　示踪实验和其他方法

停留时间分布(RTD)反映了液体在床内流动线速度的大小和分布，也是液体流动不均匀性的直接表现。Kennedy和Jaffe用同位素C-14标记的3种直链烷烃示踪剂研究工业滴流床反应器(脱硫反应)内气体和液相分布的均匀性［20］。实验结果显示了反应器中液体分布的不均匀性，液体与催化剂接触不良，大部分液体仅通过25%～30%的催化剂，而气相流动比液相流动均匀。袁孝竞等用染料作为示踪剂研究了气液逆流时填料塔内液体分布状态，采用了激光-光导纤维检测仪和微型计算机实时采集数据系统，可同时测定填料层中不同轴向和径向位置16点液相中示踪剂的浓度分布［21］。他们的结果表明液体在填料层中的分布是不均匀的，并观察到壁流逐渐发展的过程。

示踪剂实验能够显示出液体流动强度分布的概率密度函数，但不能体现空间上的不均匀分布，也由于直接采集数据的探头少，因而很难得到填料层中小尺度分布不均匀性的结论。

由于传质和传热的相似性，也可以用传热的方法来进行停留时间分布的实验，探知流动分布的均匀性。Sapre 等用热探头技术研究了大型加氢脱硫滴流床反应器内床层高度和气液相流率对流动分布的影响［22］。近年出现了用计算机辅助X线断层扫描技术［23］和电容断层扫描法［24］测量滴流床内液体空间分布的报道，正处在发展的阶段，设备费用高，用于工业生产的监测还有相当的距离。

2　流体均匀分布的技术和装置

流体在填料床中均匀分布的重要性早已众所周知，因此，化学工程研究一直重视为滴流床反应器设计性能优良的液体分布器。

2.1　液体分布器和再分布器

许多化学工程设计手册都有液体分布器的描述和设计要点［25，26］，但是新设计仍不断出现。近几年液体分布器的研究在国内也逐步受到了重视。渚家瑞和金中林［27］研究了典型的“抽吸型”和“溢流型”液体分配器的