基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)分析旋風(fēng)分離器的研究進(jìn)展及趨勢(shì)

葉芳芳 李天使 梁家豪 謝文玉 李長(zhǎng)剛

（1.廣東石油化工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；2.麗水市供排水有限責(zé)任公司；3.廣東省石油化工污染過(guò)程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

旋風(fēng)分離器是一種利用旋風(fēng)氣流產(chǎn)生的強(qiáng)大離心力將氣體中的固體顆粒和液體顆粒甩脫，實(shí)現(xiàn)氣固或液固分離的裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定及運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在高溫、高壓等極端環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，被廣泛應(yīng)用于制藥、煉油和環(huán)境修復(fù)等行業(yè)［1，2］。目前，關(guān)于旋風(fēng)分離器的研究文獻(xiàn)發(fā)文量逐漸增多，但從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)角度系統(tǒng)分析其研究進(jìn)展的文獻(xiàn)較少，因此對(duì)于未來(lái)的研究重點(diǎn)和方向指向不明。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)是以文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，采用定量化的方式梳理文獻(xiàn)脈絡(luò)獲得數(shù)據(jù)，然后通過(guò)分析和總結(jié)找出變化規(guī)律，進(jìn)而得到未來(lái)研究的發(fā)展趨勢(shì)［3］。文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)所得結(jié)果具有客觀性，被越來(lái)越多的研究領(lǐng)域所認(rèn)同［4～6］。

筆者以CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)和Web of Science（WOS）核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，檢索近五年旋風(fēng)分離器國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，并對(duì)文獻(xiàn)年發(fā)文量、作者、研究機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞和國(guó)家進(jìn)行較為系統(tǒng)的文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)統(tǒng)計(jì)分析［7］?？偨Y(jié)和凝練旋風(fēng)分離器的研究狀況，為旋風(fēng)分離器的整體研究情況提供數(shù)據(jù)支撐，明確未來(lái)的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

中文文獻(xiàn)來(lái)源于CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索詞選定“旋風(fēng)分離器”，檢索條件為主題：旋風(fēng)分離器or篇名：旋風(fēng)分離器or 關(guān)鍵詞：旋風(fēng)分離器，檢索時(shí)間為2018 年1 月1 日～2022 年5 月25 日，共檢索出631 篇中文文獻(xiàn)。其中主要主題選“旋風(fēng)分離器”，去除與主題無(wú)關(guān)的和重復(fù)發(fā)表的文獻(xiàn)后，最終納入有效文獻(xiàn)159 篇。

英文文獻(xiàn)來(lái)源于WOS 核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，按主題詞“cyclone separator”進(jìn)行檢索，檢索時(shí)間為2018 年1 月1 日～2022 年5 月25 日，共檢索出英文文獻(xiàn)347 篇，選擇文獻(xiàn)類(lèi)型article 和review，除重后最終納入有效文獻(xiàn)331 篇。

1.2 研究方法

將納入的中、英文文獻(xiàn)題錄分別以“Refworks”和“純文本”格式導(dǎo)出，并通過(guò)CiteSpace 6.1.R1 進(jìn)行轉(zhuǎn)化、分析。時(shí)間跨度（time slicing）：均為2018～2022 年；時(shí)間切片（years per slice）：1年；主題詞來(lái)源（term source）：默認(rèn)全選；節(jié)點(diǎn)類(lèi)型中作者、機(jī)構(gòu)、關(guān)鍵詞：閾值（top N per slice）＝50，并對(duì)關(guān)鍵詞采用“pathfinder”、“pruning sliced networks”圖譜修剪算法進(jìn)行修剪使圖譜更加清晰，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置生成相應(yīng)的可視化知識(shí)圖譜［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 歷年發(fā)文量分析

發(fā)文量直接體現(xiàn)了人們對(duì)某一領(lǐng)域的關(guān)注程度，可在一定程度上表征該領(lǐng)域的發(fā)展歷程和速度［9］。如圖1 所示，2018～2022 年，主題中包含旋風(fēng)分離器的文獻(xiàn)共490 篇，其中中文文獻(xiàn)159篇，英文文獻(xiàn)331 篇。英文文獻(xiàn)中研究型論文（article）318 篇，占比96.07%，綜述類(lèi)論文（review）13 篇，占比3.93%。年發(fā)文量均大于99 篇，其中2020 年達(dá)到126 篇，這表明近五年旋風(fēng)分離器一直是研究的熱點(diǎn)。

圖1 2018～2022 年發(fā)文量變化

2.2 作者和發(fā)文機(jī)構(gòu)分析

分析研究旋風(fēng)分離器的作者和發(fā)文機(jī)構(gòu)，有助于了解該領(lǐng)域的主要科研人員和單位，掌握他們的研究方向，為學(xué)術(shù)交流和合作提供參考［10］。研究基于CiteSpace 分析軟件，以CNKI 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“Author”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)作者進(jìn)行可視化處理。結(jié)果顯示 “N=156，E=124 （Density=0.0103）”，表明國(guó)內(nèi)研究旋風(fēng)分離器的關(guān)鍵作者156 名，作者間合作124 次。以WOS 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“Author”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)作者進(jìn)行可視化處理。結(jié)果顯示 “N=208，E=412 （Density=0.0191）”，表明國(guó)內(nèi)外研究旋風(fēng)分離器的關(guān)鍵作者208 名，作者間合作412 次，如圖2 所示。

圖2 核心作者及其合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

表1 列舉了發(fā)文量排名前五的作者，其中魏耀東是國(guó)內(nèi)旋風(fēng)分離器研究的核心作者，近五年發(fā)表文獻(xiàn)13 篇［11］。SUN G G 是國(guó)內(nèi)外旋風(fēng)分離器研究的核心作者，近五年發(fā)表文獻(xiàn)10 篇［12］。從CNKI 和WOS 所顯示的數(shù)據(jù)表明，國(guó)內(nèi)對(duì)于旋風(fēng)分離器的研究處于主導(dǎo)地位，投入了大量的科研時(shí)間和精力，取得了豐碩的研究成果。

表1 不同作者發(fā)文量統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步掌握國(guó)內(nèi)外關(guān)于旋風(fēng)分離器的研究機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)間合作關(guān)系，基于CiteSpace 分析軟件，以CNKI 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“institution”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化處理，結(jié)果顯示“N=122，E=47（Density=0.0064）”，表明國(guó)內(nèi)旋風(fēng)分離器研究機(jī)構(gòu)共122 個(gè)，機(jī)構(gòu)間的合作47次。以WOS 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“institution”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化處理。結(jié)果顯示“N=143，E=77（Density=0.0076）”，表明國(guó)內(nèi)外旋風(fēng)分離器研究機(jī)構(gòu)共143 個(gè)，機(jī)構(gòu)間的合作77次，如圖3 所示。

圖3 研究機(jī)構(gòu)及其合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

CNKI 數(shù)據(jù)定量分析結(jié)果表明中國(guó)石油大學(xué)（北京）近五年來(lái)發(fā)文量位居第一，共128 篇，占比75.29%。WOS 數(shù)據(jù)定量分析也得出相同的結(jié)論，說(shuō)明中國(guó)石油大學(xué)（北京）是旋風(fēng)分離器的核心研究機(jī)構(gòu)。根據(jù)發(fā)文量的結(jié)果可以得出中國(guó)石油大學(xué)（北京）仍在繼續(xù)深入開(kāi)展旋風(fēng)分離器相關(guān)研究工作。

2.3 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞反映文獻(xiàn)研究主題，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵詞的分析，能夠有助于研究人員了解研究?jī)?nèi)容之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，聚焦研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)主題，尋找未來(lái)研究的方向。研究基于CiteSpace 分析軟件，以CNKI 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“keyword”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化處理。結(jié)果顯示 “N=161，E=203（Density=0.0158）”，表明國(guó)內(nèi)旋風(fēng)分離器研究關(guān)鍵詞共161 個(gè)。以WOS 的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“keyword”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化處理，結(jié)果顯示 “N=257，E=666 （Density=0.0203）”，表明國(guó)內(nèi)外旋風(fēng)分離器研究關(guān)鍵詞共257 個(gè)，如圖4 所示。

圖4 文獻(xiàn)中高頻關(guān)鍵詞

關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次的差別揭示了旋風(fēng)分離器研究過(guò)程中相關(guān)研究?jī)?nèi)容的關(guān)注程度。因此根據(jù)關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次來(lái)進(jìn)行排名，CNKI 數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)頻次排名前五的是分離效率、數(shù)值模擬、壓降、分離性能和流場(chǎng)。WOS 數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)頻次排名前五的是Cyclone separator、Pressure drop、Performance、Collection efficiency 和CFD，具體出現(xiàn)頻次見(jiàn)表2。

表2 高頻關(guān)鍵詞及其出現(xiàn)頻次

基于CiteSpace 分析軟件，對(duì)關(guān)鍵詞聚類(lèi)進(jìn)行分析，可直觀反映近五年旋風(fēng)分離器研究關(guān)注的重點(diǎn)和未來(lái)研究趨勢(shì)。對(duì)圖4 中的CNKI 和WOS高頻關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類(lèi)，得出旋風(fēng)分離器研究的六大聚類(lèi)，將各聚類(lèi)中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞細(xì)化，所得結(jié)果見(jiàn)表3、4。

表3 CNKI 關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析結(jié)果

表4 WOS 關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析結(jié)果

CNKI 數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析表明國(guó)內(nèi)旋風(fēng)分離器研究工作集中于兩點(diǎn)：

a.通過(guò)數(shù)值模擬的方式，調(diào)控流體流場(chǎng)，關(guān)注過(guò)程參數(shù)，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高分離效率。解凱等通過(guò)RSM 和DPM 兩種模型模擬計(jì)算旋風(fēng)分離器內(nèi)的氣-固兩相流，并系統(tǒng)比較了不同外導(dǎo)流管的旋風(fēng)分離器內(nèi)流場(chǎng)、壓降和分離效率［13］。陳思敏等通過(guò)CFD-DEM 耦合模擬計(jì)算旋風(fēng)分離器運(yùn)行時(shí)內(nèi)部流程參數(shù)和粒徑分布，研究其在不同粒徑、不同進(jìn)口速度下與分離效率和壓降的關(guān)系,并給出了分離效率與各參數(shù)的擬合關(guān)系式［14］。

b.通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究?jī)?yōu)化運(yùn)行參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高分離效率。李曉曼等在入口氣流顆粒濃度為5～550 g/m3時(shí)，對(duì)蝸殼式旋風(fēng)分離器的壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了入口氣流顆粒濃度對(duì)旋風(fēng)分離器壓降影響的計(jì)算方法［15］。劉秀林等優(yōu)化旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型旋風(fēng)分離器，并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出新型旋風(fēng)分離器的平均壓降降低了21.91%，分離效率基本保持不變［16］。

需要指出的是聚類(lèi)#2 給出的信息表明旋風(fēng)分離器的研究主要集中在石油煉廠的催化裂化裝置中的再生器。催化裂化是煉油工業(yè)重要的二次加工過(guò)程，能夠?qū)崿F(xiàn)重油的輕質(zhì)化。裝置的反應(yīng)-再生系統(tǒng)是核心組件，其中再生器由多級(jí)旋風(fēng)分離器組成，其運(yùn)行狀況良好直接關(guān)系到整套裝置的生產(chǎn)能力［17］。

WOS 數(shù)據(jù)關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析表明旋風(fēng)分離器的研究基于機(jī)械設(shè)計(jì)和流體力學(xué)，通過(guò)設(shè)備內(nèi)流體流動(dòng)的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化旋風(fēng)分離器及核心部件結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高設(shè)備分離效率的研究目的。WAN G J 等使用CFD 軟件平臺(tái)對(duì)渦旋旋風(fēng)分離器內(nèi)不同粒徑顆粒的固體濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用雙向耦合的方法研究固體顆粒對(duì)氣體流場(chǎng)的影響［12］。WANG S Y 等使用CFDDEM 軟件對(duì)旋風(fēng)分離器的流體力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)改變進(jìn)口角來(lái)模擬不同條件，捕捉過(guò)程中氣體湍流，所得模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致［18］。ZHOU F Q 等使用模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式研究旋風(fēng)分離器表面粗糙度對(duì)于流場(chǎng)分布和分離性能的影響，所得結(jié)果對(duì)于設(shè)備優(yōu)化有借鑒意義［19］。另外，聚類(lèi)#4 表明旋風(fēng)分離器研究集中于氣固分離過(guò)程［20］。

綜上所述，關(guān)鍵詞聚類(lèi)分析結(jié)果顯示調(diào)控不同的運(yùn)行條件，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，提高旋風(fēng)分離器的分離效率和分離性能是未來(lái)的研究趨勢(shì)。

2.4 文獻(xiàn)來(lái)源國(guó)家分析

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)來(lái)源國(guó)家進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以直觀地判斷出國(guó)家對(duì)于某一領(lǐng)域的的科研投入力度和影響力。研究基于CiteSpace 分析軟件，以WOS的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以“country”為節(jié)點(diǎn)類(lèi)型，對(duì)文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行可視化處理。結(jié)果顯示“N=44，E=53（Density=0.056）”，表明國(guó)內(nèi)外旋風(fēng)分離器研究國(guó)家共44 個(gè)，國(guó)家間的合作為53 次，如圖5 所示。

圖5 國(guó)家及其合作關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

表5 使用WOS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)了發(fā)文量排名前五的國(guó)家，本次納入中英文文獻(xiàn)共331 篇，其中國(guó)內(nèi)發(fā)表文獻(xiàn)共159 篇，占比48.04%，美國(guó)發(fā)表文獻(xiàn)32 篇，占比9.67%，印度發(fā)表文獻(xiàn)28 篇，占比8.46%。中國(guó)對(duì)于旋風(fēng)分離器的研究極為重視并且在該領(lǐng)域投入了大量的科研力量，科研能力強(qiáng)，研究成果眾多，在全球范圍內(nèi)有著一定的影響力。

表5 不同國(guó)家的發(fā)文量

3 結(jié)論與啟示

近年來(lái)，旋風(fēng)分離器的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，除了以上提及的催化裂化裝置的再生器，環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用也較多，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。基于CiteSpace 分析軟件，從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的角度系統(tǒng)定量分析得出：旋風(fēng)分離器是近五年該領(lǐng)域一直關(guān)注的重點(diǎn)，年發(fā)文量均超過(guò)99篇；孫耀東和孫國(guó)剛兩位老師是旋風(fēng)分離器研究領(lǐng)域的核心作者，兩位老師帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在旋風(fēng)分離器研究領(lǐng)域有自己的獨(dú)到見(jiàn)解，研究水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位；中國(guó)石油大學(xué)（北京）是旋風(fēng)分離器研究的核心單位；國(guó)內(nèi)對(duì)于旋風(fēng)分離器的關(guān)注度高，發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)量位居第一，說(shuō)明國(guó)內(nèi)對(duì)于旋風(fēng)分離器的研究和認(rèn)知有一定的深度和廣度。

關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次和聚類(lèi)分析結(jié)果表明，旋風(fēng)分離器近五年的研究重點(diǎn)是提高設(shè)備的分離效率。以數(shù)值模擬為主，實(shí)驗(yàn)研究為輔，通過(guò)調(diào)控運(yùn)行參數(shù)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，模擬設(shè)備內(nèi)部流體流場(chǎng)，提高設(shè)備的分離效率，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和修正模型，提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。這將是今后的研究趨勢(shì)和發(fā)展方向。值得關(guān)注的是旋風(fēng)分離器在大氣污染治理和土壤污染治理過(guò)程中的應(yīng)用將是潛在的研究熱點(diǎn)。