汽水分離器的研究現(xiàn)狀與展望

杜云川

蒸汽作為熱載體在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。蒸汽干度是蒸汽品質(zhì)的核心評(píng)定因素，在一些行業(yè)應(yīng)用規(guī)范中有具體的數(shù)值要求[1][2]。在蒸汽輸送系統(tǒng)中，蒸汽帶水過(guò)多將會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的水錘現(xiàn)象。在食品飲料行業(yè)，蒸汽直接跟物料混合，帶水嚴(yán)重將會(huì)導(dǎo)致食品的口感和品質(zhì)下降。在制藥行業(yè)，蒸汽干度過(guò)低將導(dǎo)致滅菌失敗、產(chǎn)品不合格。因此，必須要對(duì)濕蒸汽除濕，提升蒸汽干度，加裝汽水分離器是典型且普遍的應(yīng)用技術(shù)。

本文概括總結(jié)常用的汽水分離器，剖析現(xiàn)狀，分析遇到的問(wèn)題、發(fā)展中存在的瓶頸，為以后的研究提供建議。

1.絲網(wǎng)式汽水分離器

1.1 原理及結(jié)構(gòu)

絲狀材料組成的網(wǎng)格式材料阻擋或吸收汽水混合物中的水分，如圖1 和圖2 所示。當(dāng)液滴直徑大于絲網(wǎng)之間的間隙時(shí)，便不能通過(guò)絲網(wǎng)而被攔截下來(lái)，對(duì)于小直徑的液滴，而由于水具有一定的粘度和液滴在高速下的不規(guī)則形狀，其在經(jīng)過(guò)絲網(wǎng)組成的間隙時(shí)會(huì)發(fā)生“橋接”的現(xiàn)象，從而被攔截下來(lái)[3][4]。

圖1 絲網(wǎng)分離器微觀結(jié)構(gòu)圖

圖2 絲網(wǎng)式汽水分離器結(jié)構(gòu)圖

1.2 應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

絲網(wǎng)式在石化行業(yè)的塔氣分離中應(yīng)用廣泛，其分離效果主要受絲網(wǎng)材質(zhì)、來(lái)流速度、液滴顆粒大小等因素的影響。對(duì)于材質(zhì)的選擇上，一些研究比較了氣液過(guò)濾分離時(shí)玻璃纖維、聚酯纖維、芳綸纖維3 種過(guò)濾材料對(duì)壓降的影響，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維濾材的持液量較大，但是壓降也相對(duì)較大，并提出了對(duì)纖維的選材建議，即可以分散液滴和更高效排水的材料更適合[5]。

對(duì)絲網(wǎng)分離器的分離效率有顯著影響的是二相流的來(lái)流速度。圖3 顯示了在不同來(lái)流速度情況下絲網(wǎng)分離器的主要作用原理，在氣流速度比較小時(shí)，擴(kuò)散機(jī)理起到主要的分離作用，隨著氣流速度的提升，攔截滯留開(kāi)始起作用，隨著氣流速度的進(jìn)一步提升，慣性沖擊機(jī)理起主要分離作用。其它條件一致時(shí)，低流速和高流速的分離效率高于中等流速，在來(lái)流速度較大的情況下，可能會(huì)發(fā)生液滴的二次夾帶[6～8]。

圖3 絲網(wǎng)式汽水分離效率與氣流速度關(guān)系

1.3 難點(diǎn)和展望

研究表明，汽液相密度、液滴粒徑、除沫器比表面積及汽體流速是影響分離效率的主要因素，已經(jīng)有比較多的研究且形成了相對(duì)成熟的方法理論。但是，對(duì)于分離器容易造成的二次夾帶后，分離效率的變化規(guī)律以及模型預(yù)測(cè)缺乏研究。另外，分對(duì)實(shí)際應(yīng)用中具備重大指導(dǎo)意義的問(wèn)題，離器塔體及內(nèi)部見(jiàn)的布置方式對(duì)于分離效率影響的研究，也是需要研究的重要方向之一。

2.旋風(fēng)式汽水分離器

2.1 分離原理

把汽水混合物從進(jìn)氣管切向引入分離器，由于引入的汽流動(dòng)能較大，形成在切向上具有很大速度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液滴在慣性力和離心力的作用下，碰撞到旋風(fēng)分離器殼體內(nèi)表面上與汽流分離。被分離出的液滴在重力作用下，沿殼體內(nèi)表面從排液口流出分離器[9～11]。工作原理如圖4。

圖4 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

旋風(fēng)式汽水分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)可運(yùn)動(dòng)零部件，制造容易，結(jié)實(shí)耐用，應(yīng)用廣泛。但是內(nèi)部氣體的流動(dòng)比較復(fù)雜，液滴在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)不僅受到離心力，還有液滴與液滴之間的碰撞、凝聚，與壁面撞擊的破碎等其他因素的影響。模擬研究顯示，不同大小的液滴在分離器內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)軌跡有所不同，小液滴受氣流脈動(dòng)和大液滴攜帶的作用較為顯著，對(duì)分離性能影響較大，因此，液滴粒徑越大，分離效率也越高[12]。

切向的氣流入口是常用的一種結(jié)構(gòu)，其造價(jià)低，易加工且具有較好的分離效果。但是這種構(gòu)造使得分離器內(nèi)部存在壓力分布不均衡的情況，壓力損失較大。目前有切向式、蝸殼式、螺旋面、軸向葉片、徑向入口、螺旋線等氣流入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5[13～15]，優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表1。

圖5 入口結(jié)構(gòu)圖

表1 入口結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

入口結(jié)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)軸向葉片 壓力損失小，流量大，體積較小 分離效率相對(duì)較低徑向入口 切向速度分布較對(duì)稱(chēng)，分離效率更高 加工困難螺旋線 壓力損失小，分離效率高 加工困難

隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外諸多研究者改進(jìn)方法研究?jī)?nèi)部流動(dòng)特性，為提高效率提供理論支持。如S.Bernardo 等模擬并研究了分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)渦流的影響，并假設(shè)了幾種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；柯柄正、劉妍等建立了兩級(jí)汽水分離器內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)值模型，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，對(duì)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)、懸臂寬度和高度、以及出口直徑等分離性能影響因素進(jìn)行了分析，并提出了設(shè)計(jì)優(yōu)化建議[16～18]。

2.3 難點(diǎn)和展望

旋風(fēng)分離器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是流動(dòng)特性復(fù)雜，細(xì)微的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)變化對(duì)分離效果就可能產(chǎn)生較大的影響。在分離的過(guò)程中，液滴會(huì)在分離器內(nèi)部形成液膜，液膜在切向力的作用下很容易產(chǎn)生破裂，從而形成二次液滴。目前，對(duì)于液膜的運(yùn)動(dòng)特性、破裂機(jī)理的研究較少，有望成為今后重點(diǎn)方向。

3.波形板式汽水分離器

3.1 分離原理

來(lái)流氣體通過(guò)曲折的流道空間來(lái)回進(jìn)行Z 字型運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)過(guò)彎道時(shí)氣體的流動(dòng)方向發(fā)生改變，液滴因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)慣性會(huì)直接撞擊在波形板上，在波形板的表面形成一層水膜，并在重力的作用下被收集起來(lái)。常用作汽水分離器的末級(jí)分離，圖6 展示了波形板汽水分離器內(nèi)部的構(gòu)造以及分離原理[19]。

圖6 波形板分離器原理圖

3.2 應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

波形板汽水分離器的經(jīng)歷了無(wú)勾、單勾、雙勾、吸附等發(fā)展階段。食品、飲料等行業(yè)應(yīng)用較多。近十多年，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性能穩(wěn)定，其小口徑的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。隨著數(shù)值模擬和高速攝像技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究取得許多進(jìn)展。

影響分離效率的因素主要有液滴尺寸、汽流特性、波紋板結(jié)構(gòu)等。數(shù)值研究方面，通過(guò)建立這些因素在波紋板內(nèi)運(yùn)行特性的數(shù)值模擬，模擬其運(yùn)動(dòng)特性。依據(jù)板內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)量方程和能量方程，建立了液膜平衡的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算和分析液膜厚度、流速等流動(dòng)參數(shù)[20～21]；拉格朗日離散模擬研究，在分析大渦模擬、湍流脈動(dòng)對(duì)分離效果的影響方面取得了較好的驗(yàn)證結(jié)果[22]；Fluent 軟件模擬表明，當(dāng)入口速度不同時(shí)，波形板的汽流都會(huì)有一個(gè)臨界破膜速度，它隨著入口速度的增大而逐漸減少[23]。在試驗(yàn)研究方面，主要通過(guò)高速攝影的觀察手段，分析液滴和汽流的行為特性。研究表明，當(dāng)波形板裝有疏水勾時(shí)，其分離效率要比無(wú)勾時(shí)要大很多[23]；流的湍動(dòng)度對(duì)液滴的破碎和聚合有很大影響，并且波形板的分離效率與液滴直徑有關(guān)[24]。

3.3 難點(diǎn)和展望

液滴分離后，液膜的破裂會(huì)產(chǎn)生二次攜帶，深入研究其機(jī)理的數(shù)學(xué)模型以及影響因素，有望成為以后的重要研究方向。

4.結(jié)論和展望

本文通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上運(yùn)行的主要類(lèi)型的汽水分離器的研究和現(xiàn)狀分析，對(duì)于主要的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和展望：數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展對(duì)于汽水分離器的發(fā)展有著巨大的貢獻(xiàn)。無(wú)論哪種分離形式，二次攜帶都是共同存在的難點(diǎn)，至今沒(méi)有非常好的解決方法，今后的研究中，將是一個(gè)重點(diǎn)方向。多種分離方式的組合來(lái)解決現(xiàn)有問(wèn)題實(shí)現(xiàn)高效汽水分離，是值得探索和研究的方向。