氣液旋流分離技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展*

蔡 祿 孫治謙 朱麗云 王旱祥 王振波

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院)

0 引 言

氣液兩相流中氣相和液相有多種存在形式，按照兩相特點(diǎn)可以分為氣泡流、氣塊流、液滴流和分層流4種。氣泡流指液相為連續(xù)相，氣體以顆粒狀氣泡的方式散布于液體中；氣塊流指氣體以較大的氣塊的形式存在于液體中；液滴流指氣體為連續(xù)相，而液相以小液滴的形式散布于氣體中；分層流是最常見(jiàn)的流動(dòng)，包含各種帶自由面的流動(dòng)形式。

工業(yè)生產(chǎn)中常常采用氣液分離的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣相或者液相的提純，采用的方法眾多。氣液分離手段總體可分為3類(lèi)。第1類(lèi)是重力沉降，利用氣液兩相的密度差，在一起流動(dòng)過(guò)程中液相受重力較大，改變運(yùn)動(dòng)方向，從氣相中偏離出來(lái)。第2類(lèi)是利用兩相流體的慣性差異來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)氣相和液相同時(shí)以一定速度通過(guò)親水膜時(shí)，液相不易改變運(yùn)動(dòng)方向而被收集起來(lái)。第3類(lèi)是氣液旋流分離技術(shù)。

氣液旋流分離利用離心力來(lái)分離氣相和液相，是氣液分離的重要分離方式。其應(yīng)用范圍廣，涉及行業(yè)眾多，方法和設(shè)備也很多。氣液旋流分離又稱為離心分離，雖然沒(méi)有過(guò)濾分離效率高，但因其分離過(guò)程連續(xù)不間斷、設(shè)備占地面積小、無(wú)易損件、易安裝、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于天然氣的開(kāi)采和運(yùn)輸、柴油加氫尾氣回收等工業(yè)過(guò)程。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法對(duì)旋流器開(kāi)展了一系列研究，以求得更高的分離效率。本文將相關(guān)研究成果進(jìn)行整理分析，以期對(duì)后續(xù)研究工作提供借鑒與指導(dǎo)。

1 氣液兩相旋流分離過(guò)程

氣液兩相的分離過(guò)程主要發(fā)生在旋流腔中，由于氣相和液相的密度不同，在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的離心力大小不同。氣相和液相一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液相密度大，受到的離心力較大，離心力能達(dá)到重力的數(shù)十倍甚至更多，因此有向壁面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；而氣相密度較小，受到的離心力較小，集中于旋轉(zhuǎn)軸線附近。液相在壁面聚集，并沿邊壁向下流動(dòng)，最終在底流口收集；氣相在中心集聚，向上運(yùn)動(dòng)，最終在溢流口收集，從而實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離。不同結(jié)構(gòu)和操作條件下的分離過(guò)程能夠得到不同的分離效率。

氣液旋流的流場(chǎng)分布是三維強(qiáng)旋流，切向速度呈軸對(duì)稱的單峰分布狀態(tài)，是分離速度的主要貢獻(xiàn)者，是離心力的主要來(lái)源；中心準(zhǔn)強(qiáng)制渦，流體黏度極大。流體定量時(shí)分析切向速度，滿足式(1)：

vt=ωr

(1)

式中：vt為流體切向速度，m/s；ω為旋流角速度，rad/s；r為半徑，m。

由式(1)可知，切向速度與半徑成正比關(guān)系。外層準(zhǔn)自由渦，流體黏度極小，此時(shí)忽略邊界層效應(yīng)，由動(dòng)量矩守恒定理可得：

(mvt)r=const

(2)

式中：m為液滴質(zhì)量，kg。

切向速度隨半徑增大而減小。由邊緣向軸線中心位置呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在溢流管的延長(zhǎng)線附近，在平行于軸線的位置處呈“M”形，峰值到軸線中心的斜率大。徑向速度數(shù)值較小，峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于切向速度。入口處的液相受到離心力作用時(shí)，徑向速度升高，使得未分離的流體向軸心運(yùn)動(dòng)。軸向速度在中心處呈上行流，vz>0；邊壁處呈下行流，vz<0；上行流和下行流的交界處，vz=0，形成零速包絡(luò)面，其中下行流更有利于分離。液滴在旋流腔內(nèi)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的離心慣性力計(jì)算式為：

(3)

式中：ar為徑向加速度，m/s2；ρ為液滴密度，kg/m3；d為液滴直徑，m。

慣性力的大小與進(jìn)口氣流速度、旋流器直徑以及液滴的大小和物理性質(zhì)有關(guān)。

流體在旋流腔內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，流體的總壓力為靜壓力和動(dòng)壓力之和，總壓力的分布情況近似與靜壓力相同，沿邊壁處向中心處遞減[1]。從入口到出口之間氣流流經(jīng)的區(qū)域中，由于氣液兩相在旋流腔內(nèi)的流動(dòng)最復(fù)雜、停留時(shí)間最長(zhǎng)，所以分離空間內(nèi)摩擦損失占比最大[2]。這部分損失包括氣流與壁面之間的摩擦損失，以及氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相互之間速度變化產(chǎn)生的損失。

2 氣液旋流分離設(shè)備

根據(jù)造旋的方式不同，氣液旋流分離器可以分為軸流式和切流式。軸流式氣液旋流分離器一般安裝有導(dǎo)葉，氣液兩相流體沿軸向從上端進(jìn)入旋流腔，在導(dǎo)葉的導(dǎo)流作用下逐漸改變速度方向，形成具有較大切向速度的流體。切流式旋流器帶有切向入口，流體切向進(jìn)入圓柱形旋流腔，沿流道逐漸改變運(yùn)動(dòng)方向。

根據(jù)旋流器中主要結(jié)構(gòu)的不同，氣液旋流分離器有管柱式、管道式、內(nèi)錐式、螺旋葉片式及螺旋板式等多種形式。管柱式對(duì)于地面或者海上的天然氣的運(yùn)輸、油氣分離等方面應(yīng)用較廣；螺旋葉片式多應(yīng)用于天然氣和石油開(kāi)采中的油氣分離、壓縮空氣凈化、水處理裝置等；軸流導(dǎo)葉式適宜安裝于井下狹長(zhǎng)空間環(huán)境中[3]。

2.1 柱狀旋流分離器

柱狀旋流分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone，簡(jiǎn)稱GLCC)主要由一個(gè)垂直的圓筒、切向進(jìn)口管、溢流口和底流口等組成。1997年，M.FERHAT等[4]對(duì)GLCC內(nèi)部速度分布進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)入口處切向速度與軸向速度之比是一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)內(nèi)部流動(dòng)特性影響很大。比值較大會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)流，對(duì)分離起到增強(qiáng)作用；比值較小則會(huì)導(dǎo)致切向速度沿軸向逐漸減小，因此可能會(huì)產(chǎn)生氣相夾帶現(xiàn)象。王震[5]分析了GLCC的內(nèi)部流場(chǎng)特性，將內(nèi)部流場(chǎng)劃分為8個(gè)區(qū)域，見(jiàn)圖1。

圖1 GLCC內(nèi)分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic internal division of GLCC

兩相流體通過(guò)切向入口進(jìn)入，形成高速旋轉(zhuǎn)的三維漩渦，經(jīng)過(guò)入口和溢流管下端面之間的環(huán)形空間，此處流體切向速度沿徑向呈先增大后減小的趨勢(shì)，壓力由軸心向外逐漸遞減。環(huán)形空間內(nèi)，近入口側(cè)和遠(yuǎn)離入口側(cè)的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了非對(duì)稱的流場(chǎng)分布。環(huán)形空間上方為流場(chǎng)穩(wěn)定區(qū)，該區(qū)域的邊壁處有液相聚并，流場(chǎng)較穩(wěn)定，易形成短路流和循環(huán)流。分離區(qū)域下方液滴從氣流中分離出來(lái)，邊壁處為液滴的主要集中區(qū)域，因離心力被甩向邊壁的液滴停留于此。由于黏滯力的作用，小液滴聚并成大液滴，速度幾乎為0。而下方靠近軸心的位置為氣相集中區(qū)。由于上端溢流口附近的壓力低，在壓差作用下，分離后的氣體在軸心附近向上方溢流口流動(dòng)。

旋流分離器的入口管以下部分通常以液相為主，液位對(duì)分離器內(nèi)的氣液分布有重要影響。YANG L.L.等[6]的試驗(yàn)研究表明，當(dāng)液位低于入口管時(shí)，液滴的分布幾乎不受液位高低的影響，此時(shí)液位以下基本為氣相死區(qū)，氣相不會(huì)進(jìn)入底流口；但當(dāng)液位高于入口管時(shí)，隨著液位升高，氣相出口的攜液率呈上升的趨勢(shì)。在二級(jí)立式分離器內(nèi)，當(dāng)達(dá)到最大處理量時(shí)，流體停留時(shí)間很短，流體流速變快。處理量越大，離心作用越明顯，倒圓錐形的氣液交界面距離氣相出口越近，此時(shí)氣相出口中的攜液量越高。相反，當(dāng)液位較低時(shí)，氣液分界面距離液相出口近，氣相容易隨液相進(jìn)入底流口，導(dǎo)致液相出口的含氣體積分?jǐn)?shù)升高[7]。

2.2 軸流式氣液旋流分離器

軸流式旋流器制造難度和加工成本低，柱段剛好適合放置于井下狹長(zhǎng)的空間中，其流場(chǎng)穩(wěn)定性要優(yōu)于切向入口形式的旋流器。馬藝等[8]通過(guò)模擬對(duì)比了切入式和軸流式旋流器的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，分析結(jié)果表明，切入式旋流器的切向速度和軸向速度衰減大于軸流式旋流器，證明軸流式旋流器內(nèi)流體所受到的阻力小且徑向壓力降較大，有利于氣相向軸心流動(dòng)，促進(jìn)氣液分離。

2.2.1 導(dǎo)葉式氣液旋流分離器

導(dǎo)葉式氣液旋流分離器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是導(dǎo)葉。

圖2 導(dǎo)葉式氣液旋流分離器的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of guide vane type gas-liquid cyclone separator

導(dǎo)流葉片改變了流體的運(yùn)動(dòng)方向，形成強(qiáng)旋流。氣液兩相流體由于密度不同，通過(guò)導(dǎo)流葉片后，液相受較大的離心力而集中于邊壁，氣相則集中于中心部分。導(dǎo)葉的數(shù)量、形狀、角度、厚度以及安裝位置等參數(shù)都可能影響分離效果。金向紅等[9]通過(guò)LDV測(cè)定試驗(yàn)和RSM模擬發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉角度25°時(shí)旋流器的分離效率最高，且壓降合理。程峰[10]在傳統(tǒng)旋流器的基礎(chǔ)上增加了雙筒體結(jié)構(gòu)，并對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行開(kāi)縫，改變開(kāi)縫數(shù)量和外筒的內(nèi)徑進(jìn)行試驗(yàn)，探究最佳開(kāi)縫數(shù)量和外筒直徑。

2.2.2 螺旋片導(dǎo)流式氣液旋流分離器

螺旋片導(dǎo)流式氣液旋流分離器是軸流式旋流器的一種，采用螺旋式入口，如圖3所示。這種入口形式的優(yōu)點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)流動(dòng)穩(wěn)定，有助于維持層流特性[11]。該旋流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、分離高效，在油氣開(kāi)發(fā)中應(yīng)用十分廣泛，可用于地面或井下的油氣分離。螺旋片作為這種旋流器的主要結(jié)構(gòu)，螺距、螺旋個(gè)數(shù)和螺紋長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)旋流器的分離效率和壓降變化有很大影響。周幗彥等[12]通過(guò)模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法研究了螺旋個(gè)數(shù)和螺距對(duì)分離器分離效率和壓降的影響，發(fā)現(xiàn)旋流器分離效率隨螺距和螺旋個(gè)數(shù)的增加而先升高后降低，整體呈拋物線變化；旋流器進(jìn)出口之間的壓差隨螺距的增大而降低，隨螺旋個(gè)數(shù)的增加而增大。

圖3 螺旋片導(dǎo)流式氣液旋流分離器Fig.3 Spiral diversion type gas-liquid cyclone separator

2.2.3 旋流板式氣液分離器

旋流板式氣液分離器廣泛用于化工過(guò)程的兩相分離單元，具有處理量大、壓降低等優(yōu)點(diǎn)。旋流板使兩相混合流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在旋流葉片產(chǎn)生的離心力場(chǎng)的作用下，液流沿邊壁流到旋流板周?chē)牟坌慰臻g，然后流經(jīng)降液管排液。吳振松等[13]考察了氣相流速和氣液比對(duì)旋流板分離效率及總壓降的影響。圖4為試驗(yàn)所用旋流板式分離器和旋流板示意圖。杜明生等[14]通過(guò)對(duì)旋流板式除霧器和折流板式除霧器進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)提高分離效率的關(guān)鍵是控制液滴粒徑，增大液滴粒徑可以提高效率。為了提高處理量，馬艷杰[15]開(kāi)發(fā)了多管旋流板式分離器，該旋流器由集液室、進(jìn)氣室、分離室和排氣室組成，安裝有6個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸和加工精度完全相同的旋流板，按照3個(gè)左旋和3個(gè)右旋的方式排列。

圖4 旋流板式分離器和旋流板示意圖Fig.4 Sketch of whirlwind board type separator and whirlwind board

2.3 切流式氣液旋流分離器

切流式氣液旋流分離器入口與柱段外圓相切，氣液兩相流沿切向流道進(jìn)入，逐漸改變運(yùn)動(dòng)方向，形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不需要添加導(dǎo)葉，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，廣泛應(yīng)用于冶金、化工和環(huán)保等領(lǐng)域。切向入口的旋流器相對(duì)于軸流式旋流器來(lái)說(shuō)，能夠呈現(xiàn)較好的液滴聚結(jié)效果，在溢流口和底流口收集的粒徑較大[16]。入口的結(jié)構(gòu)和布置方式?jīng)Q定了氣液分布和初始的切向速度。吳允苗等[17]發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，折角過(guò)渡、入口長(zhǎng)度以及增加入口下傾角均可以在一定程度上影響最終效率。下傾角入口有利于氣液的初步分離，在分離后期阻止液相隨氣相向上運(yùn)動(dòng)。根據(jù)入口數(shù)量和形式的不同，切流式氣液旋流分離器有單切入口和多切入口之分。

2.3.1 單切入口氣液旋流分離器

單切入口氣液旋液分離器(見(jiàn)圖5)由于入口方向與筒體軸線方向垂直，結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱和氣相旋流的不穩(wěn)定造成氣流的旋轉(zhuǎn)中心與旋流器的幾何中心不重合，導(dǎo)致了流場(chǎng)的不穩(wěn)定分布。雖然單入口旋流器內(nèi)流場(chǎng)分布不穩(wěn)定，呈非對(duì)稱的偏心結(jié)構(gòu)，但在能耗方面優(yōu)于雙入口式旋流器。對(duì)比兩種入口旋流器的能耗散率可以發(fā)現(xiàn)，在近壁面處切向雙入口旋流器的湍能耗散率明顯大于單入口型旋流器。

圖5 單切入口氣液旋流分離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Schematic structure of gas-liquid cyclone separator with single tangential inlet

流體流入旋流腔以后，柱段和錐段結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，由于上端準(zhǔn)自由渦的不穩(wěn)定性對(duì)下端的強(qiáng)制渦產(chǎn)生影響，造成旋流中心發(fā)生擺動(dòng)而偏離軸心位置，所以整體的流場(chǎng)呈現(xiàn)非對(duì)稱分布。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究得出，旋流中心的擺動(dòng)幅度為旋流腔內(nèi)徑的0.03～0.07倍，在排氣管附近達(dá)到最大值。孫娜等[18]在結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，兩種產(chǎn)物的出口都設(shè)置在錐段底端，輕產(chǎn)物出口在底端中心，重產(chǎn)物出口在底部側(cè)面，數(shù)值模擬證明，這樣的結(jié)構(gòu)弱化了旋流中心空氣柱的影響，效率和壓降都得到一定程度的優(yōu)化。

2.3.2 多切入口氣液旋流分離器

多切入口氣液旋流分離器的旋流腔內(nèi)切向速度場(chǎng)可分為3段：錐段、柱段和溢流口。這3段的切向速度分布大體沿徑向呈駝峰狀分布，峰值點(diǎn)連接構(gòu)成的圓柱面的半徑與底流口直徑有關(guān)。柱段依然符合內(nèi)部準(zhǔn)強(qiáng)制渦、外部準(zhǔn)自由渦的規(guī)律，下端錐段則主要顯示準(zhǔn)強(qiáng)制渦的特征。溢流管內(nèi)速度值較錐段內(nèi)稍小，但內(nèi)部主要是強(qiáng)旋流場(chǎng)，而溢流管外的環(huán)形區(qū)域內(nèi)為準(zhǔn)自由渦的狀態(tài)。壓力場(chǎng)與速度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，也呈現(xiàn)良好的軸對(duì)稱分布。沿徑向從柱段外部入口處向中心軸線附近，壓力呈下降趨勢(shì)，下端錐段中心軸附近的壓力最低。

周云龍等[19]采用模擬的手段分析了不同切向入口數(shù)量的切流式氣液旋流分離器的流場(chǎng)分布、壓降和分離效率。他們的研究發(fā)現(xiàn)，雖然雙入口的對(duì)稱形式有利于對(duì)稱流場(chǎng)的形成，但若在入口速度不變的情況下繼續(xù)增大入口數(shù)量，壓降的變化不大，但分離效率明顯下降，入口數(shù)量為2時(shí)最佳。

S.MOVAFAGHIAN等[20]設(shè)計(jì)了一種帶有上下兩個(gè)傾斜入口的旋流設(shè)備，對(duì)比了雙入口和單入口的分離效果，發(fā)現(xiàn)雙入口同時(shí)流入流體時(shí)可進(jìn)行預(yù)分離，能夠提升分離效率。王尊策等[21]設(shè)計(jì)了等截面直線型雙入口和漸縮截面直線型雙入口兩種形式的旋流器，通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了漸縮截面直線型入口的良好性能。

2.3.3 雙渦殼式氣液旋流分離器

渦殼式旋流分離器由渦殼起旋，流體在渦殼內(nèi)進(jìn)行預(yù)分離，具有壓降小的特點(diǎn)。內(nèi)部流體的切向速度分布與入口結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在0°～180°間渦殼式流道空間逐漸縮小，切向速度增大，在180°～360°區(qū)間流道面積不變，氣量減少使得切向速度降低。與單切入口和雙切入口的氣液旋流分離器相同，渦殼式旋流器和雙渦殼式旋流器切向速度及徑向速度都有一定程度的不同。單渦殼式旋流器的流場(chǎng)呈現(xiàn)明顯非對(duì)稱性，徑向速度由于數(shù)值較小，所以對(duì)偏心距的變化很敏感，可能造成離心或數(shù)值變大的假象。梁容真等[22]的研究認(rèn)為，單渦殼旋風(fēng)分離器三維流場(chǎng)具有明顯的非軸對(duì)稱性，且氣流流動(dòng)不均。雙渦殼式旋流分離器的入口是由兩個(gè)單渦殼相對(duì)排列組合而成，雙渦殼入口的徑向力大大減小，流場(chǎng)呈現(xiàn)良好的對(duì)稱性。沈恒根等[23]采用五孔球探針對(duì)雙渦殼旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣流進(jìn)行研究，并分別對(duì)單、雙進(jìn)口兩種入口進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果得出雙渦殼的旋風(fēng)器性能優(yōu)于單渦殼旋風(fēng)器的結(jié)論。隨著入口含液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，雙渦殼分離器的分離效率有明顯升高，特別適合于高含液的工況。

2.4 帶有特殊結(jié)構(gòu)的旋流分離器

2.4.1 內(nèi)錐式氣液旋流分離器

為了得到更高效的氣液旋流分離器，最初在柱形旋流器的基礎(chǔ)上，人們嘗試在底流管中心增加1根細(xì)針，用來(lái)對(duì)分離后的氣體施加一個(gè)舉升力，從而促進(jìn)分離。但支撐細(xì)針的架子不可避免地會(huì)破壞附近的流場(chǎng)，并且針的直徑很小會(huì)受旋流場(chǎng)的影響而擺動(dòng)。隨后人們將細(xì)針的直徑增大，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在底流口設(shè)置圓錐，并擴(kuò)大其底邊直徑和高度會(huì)大大提高分離效率，并且不會(huì)破壞附近的流場(chǎng)。內(nèi)錐的存在使得流體在向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，垂直于軸線的截面積逐漸減小，從而增加了流速，尤其是切向速度增加，這對(duì)分離十分有利。

王震[5]對(duì)比研究了內(nèi)錐式、錐臺(tái)式和圓柱式3種結(jié)構(gòu)的旋流分離器，并與沒(méi)有內(nèi)部構(gòu)件的傳統(tǒng)旋流器進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)安裝有3種內(nèi)件的旋流器的壓降均不同程度地小于傳統(tǒng)式旋流器。其中，內(nèi)錐式的壓降最小，這在實(shí)際生產(chǎn)中能夠大大降低系統(tǒng)能耗。3種內(nèi)件相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，均對(duì)聚集在柱段中心的氣相有一個(gè)向上的托舉力，輔助壓力差的作用，使氣相能夠迅速向溢流口流動(dòng)，減少了氣相在柱段內(nèi)的停留時(shí)間，有效提升了分離效率。楊蕊等[24]模擬仿真了如圖6所示的帶有新型溢流口的內(nèi)錐式旋流器的流場(chǎng)，詳細(xì)分析了3個(gè)速度分量的分布及形成原因。

圖6 內(nèi)錐式旋流分離器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of inner cone type cyclone separator

2.4.2 管錐式氣液旋流分離器

將內(nèi)錐式旋流分離器的內(nèi)錐結(jié)構(gòu)去掉，將柱形的下端改為漸縮的倒錐形式，不僅得到與內(nèi)錐相同的效果，結(jié)構(gòu)也得到簡(jiǎn)化，分離后的氣體依然會(huì)受到倒錐壁面產(chǎn)生的向上的分力，這樣就形成了管錐式氣液旋流分離器。流量較小時(shí)，流速低，適宜選擇管錐式旋流器，此時(shí)的壓降和分離效率都優(yōu)于管柱式；而流速較高時(shí)則選擇管柱式旋流器。管錐式旋流器的錐形區(qū)域是氣液分離的關(guān)鍵區(qū)域，可以是單錐段結(jié)構(gòu)，也可以是多錐段的組合結(jié)構(gòu)。錐段的氣液兩相旋流類(lèi)似于氣固的旋流分離過(guò)程，不同的是增加了液滴的聚并和破碎，氣固兩相旋流分離的錐段結(jié)構(gòu)優(yōu)化有很大的參考價(jià)值。H.OSAMA等[25]發(fā)現(xiàn)，隨著錐段的長(zhǎng)度增大，分離時(shí)間延長(zhǎng)，顆粒的停留時(shí)間增多，分離效率提高。YE J.X.等[26]發(fā)現(xiàn)雙錐結(jié)構(gòu)可以增大流體的切向速度，達(dá)到更明顯的離心效果。不同的倒錐結(jié)構(gòu)能夠影響兩相的分布情況，隨著倒錐大徑的增大，錐頂角增大，錐體對(duì)氣體的托舉作用逐漸明顯。倒錐大徑的增大可以明顯增強(qiáng)對(duì)氣體的舉升作用，但倒錐直徑過(guò)大時(shí)則會(huì)影響氣相從排氣口排出。Y.HIDETO[27]將干式旋風(fēng)分離器的錐體改為可移動(dòng)形式，研究了錐的形狀和位置對(duì)分離器分離性能的影響。分離器分離后的重相經(jīng)過(guò)錐體下降，可以降低流體的速度分量，最佳錐頂角為70°，此時(shí)可以清楚地觀察到上行流和下行流的界面。WANG L.Z.等[28]在錐形旋流器內(nèi)增加了減阻桿，重點(diǎn)分析了壓降的影響因素，發(fā)現(xiàn)壓降隨減阻桿的周向位置變化不大，而受徑向位置影響較大，但減阻桿在一定程度上削弱了切向流動(dòng)的速度。因此，分配好各參數(shù)的值在一定程度上能夠起到降低旋流器壓降的效果，并且能保持較高的分離效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)氣液旋流器的分離原理、種類(lèi)以及影響效率和壓降的因素進(jìn)行了歸類(lèi)總結(jié)。氣液旋流器結(jié)構(gòu)是影響內(nèi)部流場(chǎng)的直接因素，不同結(jié)構(gòu)會(huì)形成不同的旋流場(chǎng)，影響旋流器的分離效率。除了本文介紹的結(jié)構(gòu)形式外，近年來(lái)學(xué)者們致力于各類(lèi)構(gòu)件組合的新型旋流器研究。吉雷等[29]利用旋風(fēng)子、穩(wěn)流原件、葉柵式分離元件和折流板式分離元件組合成新型天然氣分離器。該分離器對(duì)氣流中霧狀液滴有較高的分離作用，可以減小分離器出口氣體中液滴的平均粒徑。流量、壓降和液位等參數(shù)由工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中人為操作改變，每一種旋流分離器都有適宜的流量范圍，并能夠產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的壓力損耗。對(duì)于氣液兩相流體的分離，流體黏度和兩相流量比等均影響分離效果。流體的物性參數(shù)也是影響分離效率的重要因素。陳曉慧[30]發(fā)現(xiàn)離心式分離器的分離效率隨流量的增大而平緩下降，隨介質(zhì)黏度的增大而呈線性下降，與氣液比成正比關(guān)系；當(dāng)介質(zhì)密度超過(guò)一定限度后，密度的變化對(duì)效率的影響開(kāi)始不顯著。針對(duì)不同物性參數(shù)的流體和不同操作壓力的場(chǎng)合，可以選用不同結(jié)構(gòu)的旋流器，從而達(dá)到更佳的分離效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的研究和生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用表明，氣液旋流分離器的應(yīng)用廣泛，但對(duì)于旋流場(chǎng)的理論研究落后于實(shí)際應(yīng)用。大多數(shù)學(xué)者在旋流設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面做出了很多優(yōu)化措施，改進(jìn)旋流器入口的結(jié)構(gòu)形式、旋流腔的高度和直徑、內(nèi)錐的形狀參數(shù)、導(dǎo)葉的數(shù)量和形狀等均使分離效率得到一定提升。而兩相流及湍流的理論研究相對(duì)不夠完善，關(guān)于分離效率和壓降與內(nèi)部流場(chǎng)之間的關(guān)系研究不透徹。周聞等[2]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量總結(jié)出總壓降與旋流臂出口氣速呈現(xiàn)良好的平方關(guān)系。陳曉慧[30]通過(guò)分析得到旋流器溢流口壓降的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。YANG L.L.等[6]通過(guò)數(shù)值模擬采用DPM的方法，探究了不同的入口條件下氣液兩相在旋流器內(nèi)的分布情況。關(guān)于內(nèi)部流場(chǎng)方面的定量研究目前還不完善，旋流器的流量和壓降的數(shù)值關(guān)系目前還未總結(jié)出一個(gè)明確關(guān)聯(lián)式，軸流式旋流器中的導(dǎo)葉葉片流道中的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分析還無(wú)法得出相對(duì)精確的理論解，值得深入研究。后續(xù)研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)的定量理論分析，使氣液旋流分離設(shè)備能夠更高效地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。