電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離研究進(jìn)展

周龍大，趙立新，徐保蕊，張爽，劉琳

（1 東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318；2 黑龍江省石油石化多相介質(zhì)處理及污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318）

電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化非均多相介質(zhì)分離是指外加電場(chǎng)將分散相極化而使其受附加靜電力，并在靜電力和離心力作用下分散相粒徑增大或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變而直接增強(qiáng)相分離、提高分離效率的技術(shù)。電場(chǎng)通過(guò)旋流裝置部分結(jié)構(gòu)（電極）產(chǎn)生并施加到旋流場(chǎng)中不需要額外電場(chǎng)發(fā)生裝置，因其具有體積小、效率高、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于石油化工[1-3]、環(huán)境工程[4-6]、食品行業(yè)[7-8]、顆粒分級(jí)[9-10]等多個(gè)領(lǐng)域。而根據(jù)電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域不同又能概述為強(qiáng)化液-液分離（主要為油水乳狀液）[2]、氣-固分離（主要為亞微米顆粒與空氣）[5]、氣-液分離（主要為微霧滴與空氣）[6]、固-液分離（主要為微顆粒與弱電導(dǎo)率液體）[9]等，與之對(duì)應(yīng)典型分離設(shè)備為動(dòng)態(tài)/靜態(tài)靜電旋流脫水裝置、靜電旋風(fēng)除塵器/摩擦旋風(fēng)分離器、靜電旋風(fēng)除霧器及電動(dòng)旋液分離器如圖1所示。目前，電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離多相介質(zhì)的研究方法主要包括數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)研究，如圖2所示：雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化固-液、固-固分離的數(shù)值模擬內(nèi)容相對(duì)較少，應(yīng)加強(qiáng)數(shù)值模擬條件及方法的研究，以更好地指導(dǎo)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究。此外，針對(duì)多相介質(zhì)分離效果不理想的情形（如黏度大、密度差小等），需要耦合其他物理場(chǎng)（如溫度場(chǎng)[11]、重力場(chǎng)[12]等）提升分離效率，但整體結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、成本增加、工作穩(wěn)定性變差。為了優(yōu)化電場(chǎng)-旋流耦合裝置以提高氣、液、固等多相介質(zhì)分離性能，本文通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外關(guān)于電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離技術(shù)的研究，總結(jié)耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法，為電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究提供借鑒。

圖1 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離類別

圖2 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離方法

1 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化液-液分離

液-液混合現(xiàn)象廣泛存在于化工冶金[2]、潤(rùn)滑油凈化[3]、采油[13]、廢油回收[14]等行業(yè)，且易形成穩(wěn)定性強(qiáng)、難分離的油水乳狀液。為了保護(hù)自然環(huán)境和節(jié)約石油資源需對(duì)乳狀液進(jìn)行油水分離（破乳），與其他處理方法（過(guò)濾、吸附、加熱、萃取、加破乳劑等）相比，電破乳通常能耗相對(duì)較低[3,14]且結(jié)合運(yùn)行可靠、高效節(jié)能的旋流裝置能獲得較好的破乳脫水性能。電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化液-液分離是指利用外加電場(chǎng)促使液滴極化并在靜電力作用下聚結(jié)，且聚結(jié)后依靠離心慣性力分離具有一定密度差的兩相，與之對(duì)應(yīng)的典型分離設(shè)備主要是動(dòng)態(tài)靜電旋流脫水裝置和靜態(tài)靜電旋流脫水裝置。

1.1 動(dòng)態(tài)靜電旋流脫水裝置

靜電旋流脫水裝置是一種依靠離心力與靜電力實(shí)現(xiàn)液-液分離的設(shè)備，其分離原理是通過(guò)改變裝置部分結(jié)構(gòu)嵌入電極（產(chǎn)生電場(chǎng)促進(jìn)液滴聚結(jié)），并大幅增加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度和離心力差而強(qiáng)化兩相分離。含有外部動(dòng)力部件的動(dòng)態(tài)靜電旋流裝置應(yīng)用較早，如英國(guó)布拉德福德大學(xué)Bailes教授[15]在1985年完成靜電聚結(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并于1992 年提出了旋轉(zhuǎn)靜電聚結(jié)器[見(jiàn)圖3(a)]，其脫水效率能達(dá)到98%而重力沉降在24h后僅為94.6%，工作原理為：有機(jī)溶液從筒1入口流入聚結(jié)器并在動(dòng)力部件作用下轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚傩D(zhuǎn)流；分散相液滴在電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)中加速聚結(jié)并螺旋向上從筒2出口流出，而連續(xù)相則從筒3出口流出[19]。Eow等[20]和毛宗強(qiáng)等[16]則對(duì)旋轉(zhuǎn)靜電聚結(jié)器進(jìn)行優(yōu)化并得到緊湊型離心電凝聚分離器[見(jiàn)圖3(b)]，其能處理更大流量的乳狀液且便于安裝在水處理管道上。Lesaint等[17]基于科研需求再次簡(jiǎn)化離心電凝聚分離器[見(jiàn)圖3(c)]，結(jié)果表明增加電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間或場(chǎng)強(qiáng)都能顯著改善脫水性能[21]。為了更好地適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)需求，王永偉等[18]對(duì)動(dòng)力部件進(jìn)行改進(jìn)并開(kāi)發(fā)了新型旋轉(zhuǎn)電聚結(jié)器[見(jiàn)圖3(d)]，結(jié)合脈沖電場(chǎng)破乳和離心沉降分離的優(yōu)點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)就能完成破乳分離過(guò)程。

圖3 動(dòng)態(tài)靜電旋流脫水裝置結(jié)構(gòu)示意圖[15-18]

1.2 靜態(tài)靜電旋流脫水裝置

由于動(dòng)力部件在臟污、空間狹小、拆裝不便等場(chǎng)合中運(yùn)行可靠性顯著降低，使得動(dòng)態(tài)靜電旋流裝置無(wú)法滿足工業(yè)化發(fā)展需求[22]。如No?k等[23]基于同心圓柱電極得到單錐耦合旋流器[見(jiàn)圖4(a)]，相比新型旋轉(zhuǎn)電聚結(jié)器其結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化且便于安裝；Kwon 等[24]則依據(jù)旋轉(zhuǎn)靜電聚結(jié)器設(shè)計(jì)了靜止式耦合裝置[見(jiàn)圖4(b)]，其錐形結(jié)構(gòu)為陽(yáng)極、同心圓柱銅棒和外側(cè)筒壁接地而形成兩個(gè)高壓電場(chǎng)區(qū)域能產(chǎn)生二次強(qiáng)化分離。而胡康等[25]借鑒單錐耦合旋流器的優(yōu)良特性提出處理含水率高于30%乳狀液的緊湊形柱狀耦合旋流器[見(jiàn)圖4(c)]，且場(chǎng)強(qiáng)為356.44kV/m 時(shí)分離效率達(dá)75%是單電場(chǎng)的2.75 倍。為了進(jìn)一步提高破乳脫水效率，邱值等[26]研究發(fā)現(xiàn)變徑結(jié)構(gòu)對(duì)破乳性能有重要影響并設(shè)計(jì)了復(fù)合曲錐型耦合裝置，相比于直面雙錐型、雙球面相切型和雙橢圓相切型耦合裝置其能耗更低且脫水率可達(dá)97%；Gong 等[27-28]則優(yōu)化復(fù)合曲錐型耦合裝置的錐段結(jié)構(gòu)并得到雙錐耦合旋流器（溢流管為陽(yáng)極、旋流腔為陰極）[見(jiàn)圖4(d)]，并針對(duì)耦合場(chǎng)中液滴復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)碰撞行為利用群體平衡模型構(gòu)建液滴聚結(jié)破碎過(guò)程[27]，且發(fā)現(xiàn)液滴在耦合場(chǎng)中會(huì)發(fā)生共振、共振頻率與電場(chǎng)頻率相關(guān)[29-30]。

圖4 靜態(tài)靜電旋流脫水裝置結(jié)構(gòu)示意圖[23-25,27,31]

分散相在電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)中的停留時(shí)間和速度幅值是強(qiáng)化分離的關(guān)鍵因素之一[13]，對(duì)于雙錐耦合旋流器當(dāng)入口流速為10m/s才具有較高分離效率但能耗很高[26-28]。為此，高波[31]發(fā)現(xiàn)伸長(zhǎng)雙錐耦合旋流器的電極[錐段和底流管內(nèi)插入第二根電極見(jiàn)圖4(e)]能顯著增加停留時(shí)間而改善破乳性能并提高脫水效率，但越靠近底流口陰、陽(yáng)極（中心圓柱體為陽(yáng)極，錐段為陰極）間距越小，且一旦電壓或局部含水量過(guò)高容易引發(fā)電分散（形成細(xì)小微液滴造成二次乳化）則不利于油水分離[32-33]?；诖耍疚淖髡咭罁?jù)Sulev[34]提出的螺旋電極裝置[見(jiàn)圖5(a)，處理油水混合物]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)流式耦合旋流器流體域模型[見(jiàn)圖5(b)]：螺旋流道結(jié)構(gòu)（電極）既能加速流體而補(bǔ)充流場(chǎng)能量損失、極大增加液滴停留時(shí)間，又因極板間距較小能施加較低的工作電壓而降低整體能耗；數(shù)值模擬初步表明導(dǎo)流式耦合旋流器具有優(yōu)異的分離性能但螺旋通道電極制造困難及電場(chǎng)干涉會(huì)影響脫水效率而需進(jìn)一步優(yōu)化研究。

圖5 新型耦合脫水裝置[34]

除了研究耦合裝置的分離特性，蒲亞?wèn)|等[35-36]還利用加電三維螺旋微通道裝置耦合微旋流與電場(chǎng)處理油包水（water in oil，W/O）乳狀液，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)、電場(chǎng)強(qiáng)度、流速等對(duì)脫水性能的影響，如增加微通道的片數(shù)和角度、降低流速、增加電壓幅值（增加乳液在靜電力和微通道作用力共同作用下的停留時(shí)間）來(lái)大幅提升破乳率，并發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)與微通道的雙重耦合作用能強(qiáng)化乳液的破乳過(guò)程。

綜合分析學(xué)者們對(duì)電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化液-液分離的研究?jī)?nèi)容，可知：①在耦合場(chǎng)中，當(dāng)靜電力和離心力的方向一致時(shí)（水平面上由圓心指向外壁面，主要受電場(chǎng)頻率及占空比的影響）乳液的分離性能最好（分散相受力最大、聚結(jié)性能更好）[19]；②相比于他人，Gong 等[27]設(shè)計(jì)的電場(chǎng)-旋流耦合分離裝置綜合性能最好且在實(shí)際工況中應(yīng)用良好，而高波[31]和本文作者所設(shè)計(jì)的耦合裝置（優(yōu)化后）也具有很高的分離效率，但需通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)；③入口流速是雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化分離最重要的因素之一，如離心分離性能主要受運(yùn)動(dòng)速度的影響，而速度又極大影響液滴在電場(chǎng)中的停留時(shí)間（速度越大，離心力越大，旋流分離效果越好；但停留時(shí)間越短，電場(chǎng)對(duì)液滴的極化作用越弱）[21]；④需要利用電壓幅值（場(chǎng)強(qiáng)，也是影響分離性能的重要因素）適應(yīng)液體流速以達(dá)到較高的分離效率（流速較小時(shí)，選用較低的工作電壓、減少能耗；流速較大時(shí)，選用較高的工作電壓、增強(qiáng)液滴的極化作用）[32,35]；⑤電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)主要應(yīng)用在處理W/O乳狀液，且與單旋流場(chǎng)或單電場(chǎng)相比耦合場(chǎng)能大幅提高乳液破乳脫水性能[25]。

1.3 電參數(shù)、操作及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為了更好地發(fā)展和應(yīng)用靜電旋流裝置，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者著重研究了結(jié)構(gòu)、操作等參數(shù)對(duì)靜態(tài)靜電旋流脫水裝置分離性能的影響。根據(jù)研究方向不同可分為電參數(shù)（電場(chǎng)類型、布置形式、電極結(jié)構(gòu)與材料等）、操作參數(shù)（電壓、頻率、流量、含水率等）及結(jié)構(gòu)參數(shù)（響應(yīng)面法、單因素法等）優(yōu)化設(shè)計(jì)。如Lesaint[17]、Zhang[37]和Li[38]等研究發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)波形、交流電場(chǎng)（alternating current electric field，ACE）強(qiáng)度、頻率等會(huì)顯著影響W/O乳液的脫水性能。其中：Lesaint 等重點(diǎn)優(yōu)化了電場(chǎng)波形發(fā)現(xiàn)方波好于正弦波和三角形波；Zhang 等側(cè)重尋找ACE最佳脫水頻率認(rèn)為分散相尺寸分布較大時(shí)具有較小的最佳頻率；Li等則研究電壓和頻率對(duì)油水分離的影響并發(fā)現(xiàn)脫水效率隨頻率及電壓的增加而增大，且電壓為4.5kV、頻率為2kHz 時(shí)具有最佳脫水性能。而Gadhave[39]和Li[40]等基于直流電場(chǎng)（direct current electric field，DCE）研究電壓幅值對(duì)油水分離性能的影響，其中Gadhave等側(cè)重于研究超低硫柴油中含水量的變化對(duì)脫水效率的影響，而Li 等重點(diǎn)研究單個(gè)水滴在DCE 中聚結(jié)與破碎，且兩者的結(jié)論都是隨電壓幅值增加水滴運(yùn)動(dòng)聚結(jié)能力顯著增強(qiáng)。盡管ACE、DCE 在電脫水中應(yīng)用較早、技術(shù)成熟，但同等條件下脈沖電場(chǎng)（pulsed electric field，PEF）破乳所消耗能量是ACE 和DCE 的1/29及1/18 且不易發(fā)生電分散[32]，因而應(yīng)用PEF 強(qiáng)化液-液分離具有更大優(yōu)勢(shì)。如Peng 等[41-43]綜述了聚結(jié)形式、操作參數(shù)（電壓、頻率、流量等）及介質(zhì)參數(shù)（黏度、介電常數(shù)、表面張力等）對(duì)液滴在PEF中運(yùn)動(dòng)聚結(jié)的影響，認(rèn)為乳液中主要存在偶極聚結(jié)和振蕩聚結(jié)，并提出一種混沌脈沖群電場(chǎng)且該電場(chǎng)能促進(jìn)液滴流動(dòng)及產(chǎn)生非線性共振而提高破乳效率[30]；而葉學(xué)民等[44]則基于實(shí)驗(yàn)和模擬分析了液-液交界面張力變化對(duì)微液滴動(dòng)力學(xué)行為的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用高頻PEF具有能耗低、效率高等顯著優(yōu)勢(shì)。

此外電場(chǎng)布置形式（產(chǎn)生均勻、非均勻電場(chǎng)）也能顯著影響電聚結(jié)性能[16]，一定范圍內(nèi)非均勻系數(shù)越大破乳脫水速度越快[33]，而非/均勻性具體體現(xiàn)在電極形態(tài)上。最常見(jiàn)的電極結(jié)構(gòu)有平行板型（均勻電場(chǎng)）[40,45-46]和同軸圓柱型（非均勻電場(chǎng)）[18,27,31,47]，其他電極類型見(jiàn)表1?？芍寒?dāng)乳液中的連續(xù)相黏度、密度較小且與分散相相差較大時(shí)，油水分離性能最好，反之則更難分離；分散相的電導(dǎo)率對(duì)乳液破乳過(guò)程有著顯著的影響（當(dāng)電導(dǎo)率過(guò)小時(shí)，分散相不容易被極化而影響聚結(jié)性能；當(dāng)電導(dǎo)率過(guò)大時(shí)，極化作用產(chǎn)生的電荷會(huì)在分散相內(nèi)遷移、中和及損耗從而影響液滴的聚結(jié)）。相比于均勻電場(chǎng)，學(xué)者們更重視對(duì)非均勻電場(chǎng)的研究，如Luo 等[48]基于平行板、同軸圓柱和針板電極研究非/均勻電場(chǎng)對(duì)破乳性能的影響，發(fā)現(xiàn)同軸圓柱電極相比另外兩個(gè)能提供中等模式的非均勻電場(chǎng)而促進(jìn)水滴聚結(jié)。除電參數(shù)和操作參數(shù)優(yōu)化外，Gong等[49]還利用響應(yīng)面法優(yōu)化雙錐耦合旋流器的公稱直徑和大、小錐角，建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與脫水效率的擬合回歸模型并得到最優(yōu)參數(shù)，即22mm、20°及5.1°。而胡康[50]則借助單因素法對(duì)柱狀耦合旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)（入口段、聚結(jié)段、附屬構(gòu)件等）和操作參數(shù)（流量、含水率、溫度等）進(jìn)行優(yōu)化[51]，且優(yōu)化后與Gong等[27]一樣脫水效率均能達(dá)到95%以上。

表1 不同電極類型強(qiáng)化液-液分離對(duì)比

根據(jù)上述參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容，可以得到結(jié)構(gòu)參數(shù)、電參數(shù)及操作參數(shù)對(duì)乳液破乳脫水性能的影響，如圖6所示，可知：①應(yīng)用DCE破乳所施加的工作電壓遠(yuǎn)小于ACE 和PEF（DCE 能持續(xù)作用、同等電壓下能耗更高）；②均勻電場(chǎng)（H 型）和非均勻電場(chǎng)（同軸圓柱型）都能達(dá)到較好的破乳性能，但綜合分析可知非均勻電場(chǎng)在未來(lái)更具有研究?jī)r(jià)值；③電壓幅值對(duì)乳液分離效率的影響最大[電壓（場(chǎng)強(qiáng)）能極大影響液滴在電場(chǎng)中的極化作用]；④流速和含水率對(duì)提高乳液脫水效率具有較大的影響（流速影響液滴在電場(chǎng)中的停留時(shí)間，而含水率影響液滴在耦合場(chǎng)中的聚結(jié)能力）；⑤當(dāng)連續(xù)相黏度較小時(shí)有較高的分離效率（分散相的運(yùn)動(dòng)阻力較小且更容易聚結(jié)），應(yīng)加強(qiáng)對(duì)雙場(chǎng)耦合強(qiáng)化高黏乳液分離的研究（如稠油乳狀液）。

圖6 不同參數(shù)對(duì)乳液分離效率的影響

2 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-固分離

氣-固混合物屬于一種難分離的兩相介質(zhì)，且主要出現(xiàn)在環(huán)境工程中[58-59]。電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-固分離是指借助外加電場(chǎng)將固體顆粒物極化并對(duì)其施加靜電力，且靜電力和離心力會(huì)改變固體在耦合場(chǎng)內(nèi)受力及排布方式進(jìn)而改變兩相流態(tài)促進(jìn)氣-固分離。如今電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-固分離技術(shù)被廣泛應(yīng)用在空氣凈化等領(lǐng)域[60-61]，具有代表性的研究設(shè)備為靜電旋風(fēng)除塵器和摩擦旋風(fēng)分離器。

2.1 靜電旋風(fēng)除塵器

靜電旋風(fēng)除塵器[62-63]是靜電除塵器和旋風(fēng)分離器的結(jié)合體，依靠離心力差實(shí)現(xiàn)氣-固兩相分離。早在1911年，Cottrell就利用靜電除塵器從氣流中除去灰塵顆粒[64]，隨著工業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)對(duì)操作環(huán)境的空氣質(zhì)量要求也越來(lái)越高，其中就包括處理亞微米級(jí)粉塵顆粒[58]，而典型除塵設(shè)備（旋風(fēng)分離器）對(duì)微顆粒的分離效率很低[59]。為了提高微小顆粒分離性能需綜合考慮靜電除塵器和旋風(fēng)分離器的優(yōu)勢(shì)，陳開(kāi)考等[60]結(jié)合S195型柴油機(jī)的外形、尺寸及靜電發(fā)生裝置設(shè)計(jì)了一款離心-靜電式除塵器[見(jiàn)圖7(a)]，該裝置對(duì)去除顆粒粒徑為20～30μm的效果良好且功率及耗油率都較低，但處理粒徑小于1μm時(shí)效果并不理想。而Lim[65]和Zhang[5]等提出分離顆粒粒徑小于1μm的單錐旋風(fēng)除塵器[見(jiàn)圖7(b)、(c)]，兩者都在除塵器中心軸線上安裝一根極細(xì)的電暈電極（使氣體產(chǎn)生電暈放電，并在內(nèi)部產(chǎn)生橫向非均勻電場(chǎng)），其中：Lim等采用實(shí)驗(yàn)方法探索離心力和靜電力對(duì)顆粒分離的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒粒徑較小和流速較低時(shí)電壓增加或電極絲直徑減小都能顯著提高收集效率[66]；Zhang等則利用數(shù)值方法研究電壓、流速、溫度等對(duì)氣-固分離特性的影響，且工作電壓為30kV（DCE）、入口流速為4m/s 及溫度為200℃時(shí)分離效率最高但能耗極大。為了降能提效，胡朝峰[67]基于無(wú)底流管單錐旋風(fēng)除塵器設(shè)計(jì)了雙切向入口旋風(fēng)除塵器[見(jiàn)圖7(d)]，并借助正交實(shí)驗(yàn)方法優(yōu)化排氣管直徑和深度、圓柱筒體長(zhǎng)度、進(jìn)氣口寬度等，優(yōu)化后分離粒徑為1.5～4.5μm和大于5μm的效率可達(dá)70%及90%以上，且能耗顯著降低。

圖7 靜電旋風(fēng)除塵器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 摩擦旋風(fēng)分離器

摩擦旋風(fēng)分離器的工作方式不同于靜電旋風(fēng)除塵器：微顆粒進(jìn)入旋流器并與內(nèi)壁面摩擦而使顆粒表面產(chǎn)生電荷，且靜電力與離心力改變顆粒間受力及運(yùn)動(dòng)軌跡而強(qiáng)化氣-固分離或在出口處增設(shè)電場(chǎng)輔助裝置從而實(shí)現(xiàn)不同種類固體的分離[68]。除了氣-固分離，摩擦旋風(fēng)分離器主要應(yīng)用在強(qiáng)化氣-固-固、氣-固-固-固等非均多相分離。如Dodbiba等[69-70]借助摩擦旋風(fēng)分離器和電收集箱分離空氣中兩種人造塑料（聚乙烯和聚對(duì)苯二甲酸，粒徑為1～3.5mm）和空氣中三種人造塑料（聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯及聚氯乙烯，粒徑為0.75～2.38mm），其工作原理：如圖8 所示不同材質(zhì)的塑料在除塵器內(nèi)運(yùn)動(dòng)并與壁面摩擦而帶有異種電荷，且在除塵器固相出口落到開(kāi)口箱（帶有電場(chǎng)）的過(guò)程中由于顆粒物受到不同方向/大小的靜電力而異向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)分離。Dodbiba 等[70-71]還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明控制空氣相對(duì)濕度和溫度對(duì)塑料薄片表面電勢(shì)的變化有顯著影響，且在最優(yōu)參數(shù)下聚乙烯和聚對(duì)苯二甲酸的分離效率可達(dá)95%以上。相比于靜電旋風(fēng)除塵器（具有一定電導(dǎo)率的固體顆粒被電場(chǎng)極化而產(chǎn)生極化電荷，且分離時(shí)受離心力和靜電力共同作用），摩擦旋風(fēng)分離器分離性能更依賴多相介質(zhì)的物理/化學(xué)屬性而使其適應(yīng)性變差、應(yīng)用面變窄（弱/無(wú)導(dǎo)電性的顆粒物經(jīng)旋流器表面摩擦后產(chǎn)生自由移動(dòng)的電荷、分離時(shí)先受離心力作用、后受靜電力作用，且旋流器內(nèi)部顆粒產(chǎn)生的電荷也會(huì)激發(fā)電場(chǎng)而影響顆粒之間的運(yùn)動(dòng)軌跡）。

圖8 氣-固-固三相分離原理[69]

3 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-液分離

電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-液分離與液-液分離的作用原理類似：其外加電場(chǎng)將分散相液滴極化并在氣體中聚結(jié)以增大液滴粒徑，能大幅增加離心力差而實(shí)現(xiàn)氣-液高效分離。電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-液分離主要應(yīng)用在去除空氣中微小液滴，與之對(duì)應(yīng)的主要研究設(shè)備是靜電旋風(fēng)除霧器。

3.1 靜電旋風(fēng)除霧器

近年來(lái)，化工、冶金、電鍍等行業(yè)產(chǎn)生極細(xì)小的酸霧、油霧、水霧等污染物（粒徑小于2.5μm），嚴(yán)重污染環(huán)境和影響人體健康[72]。旋風(fēng)除霧器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、性能良好而得到廣泛應(yīng)用，其捕獲或分離液滴直徑為5～10μm 及以上的效率很高，但分離粒徑小于5μm的效率極低[73-74]，而靜電除霧器對(duì)于直徑小于5μm 的液滴具有良好的捕集效果且分離效率可達(dá)99%但能耗相對(duì)較高[75]。為了更好地分離微小霧滴，整合旋風(fēng)除霧器和靜電除霧器的優(yōu)點(diǎn)得到靜電旋風(fēng)除霧器。靜電旋風(fēng)除霧器是一種耦合離心力場(chǎng)與靜電力場(chǎng)的分離裝置，且液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受靜電力和離心力方向相同，能增強(qiáng)液滴向旋風(fēng)壁面運(yùn)動(dòng)而促進(jìn)氣-液分離。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)靜電旋風(fēng)除霧器的研究較多，如Jiang[6]、袁惠新[76-77]和王靜靜[78]等研究了電參數(shù)、物性參數(shù)、操作及結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)除霧器分離性能的影響，其中：Jiang等重點(diǎn)優(yōu)化靜電旋風(fēng)除塵器[65]的電場(chǎng)布置使其能高效分離粒徑為1～6μm 的液滴，發(fā)現(xiàn)增加電壓和電極絲直徑、減小流速能顯著提高液滴的分離效率（鋁制除霧器的分離性能好于丙烯材質(zhì)）[79]；袁惠新等則利用主直徑為100mm 的靜電-旋流除霧器分離粒徑小于3μm的霧滴，且入口流速為8～12m/s、工作電壓為60kV時(shí)有最佳分離性能；而王靜靜等主要研究復(fù)合除霧器內(nèi)氣流流場(chǎng)、電暈電場(chǎng)與液滴速度場(chǎng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著液滴直徑和工作電壓的增加，除霧效率及液滴運(yùn)動(dòng)軌跡的偏移量都逐漸增大，除霧效率隨氣流流速的增加而減小，且氣流流速極大影響小粒徑液滴（2～6μm）的分離（對(duì)大粒徑液滴的影響不顯著）。

3.2 靜電旋風(fēng)除霧器與除塵器組合

靜電旋風(fēng)除霧器既能單獨(dú)使用[6,76-78]，也可串聯(lián)除塵器對(duì)氣、液、固等多相污染霧進(jìn)行二次凈化分離。如郝雅潔等[80-81]針對(duì)燃煤電廠產(chǎn)生的微顆?；旌侠淠任廴疚锾岢隼脻穹姵F器分離煙氣中的微液滴[61]，并運(yùn)用流場(chǎng)調(diào)節(jié)常規(guī)方法對(duì)除霧器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如增加入口煙道寬度、在入口煙道轉(zhuǎn)彎處增設(shè)圓弧導(dǎo)流板、在聯(lián)箱內(nèi)設(shè)置斜導(dǎo)流板等），使入口流量分配均勻而大幅提高氣-液兩相分離效率。而韓博[82]則結(jié)合旋流噴霧煙氣脫硫技術(shù)和旋流管束除塵技術(shù)處理煤炭燃燒形成的霧霾、酸雨等污染物，且設(shè)計(jì)得到濕式靜電除塵器和旋流噴霧器能實(shí)現(xiàn)霧滴、煙塵、二氧化硫等多種雜質(zhì)的高效分離。

通過(guò)上述耦合強(qiáng)化氣-液分離的內(nèi)容可知，靜電旋風(fēng)除霧器盡管對(duì)微小液滴具有良好的分離效果，但除霧器內(nèi)流體流速大、液滴受電場(chǎng)作用時(shí)間短，而想達(dá)到較好的除霧性能則要很高的工作電壓（能耗很大），為此需進(jìn)一步研究電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化氣-液分離機(jī)理并依此優(yōu)化靜電旋風(fēng)除霧器的結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)。

4 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化固-液分離

固-液混合現(xiàn)象在我國(guó)工業(yè)發(fā)展中比較常見(jiàn)[83-84]，傳統(tǒng)分離方法（如離心、過(guò)濾、沉降、吸附等）對(duì)較大顆粒的分離具有良好效果但難處理微米級(jí)甚至納米級(jí)顆粒[85-86]，因此一些學(xué)者在現(xiàn)有分離方法基礎(chǔ)上通過(guò)添加外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)微顆粒的有效分離（如將電場(chǎng)耦合到離心分離法中）[87-89]。電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化固-液分離是指依靠外加電場(chǎng)將顆粒物極化使其受靜電力，靜電力和離心力可改變顆粒受力方式及運(yùn)動(dòng)軌跡從而實(shí)現(xiàn)固-液分離。為了更好地耦合電場(chǎng)和旋流場(chǎng)并實(shí)現(xiàn)微顆粒的高效分離，開(kāi)發(fā)了與之對(duì)應(yīng)的主要分離設(shè)備——電動(dòng)旋液分離器。

4.1 電動(dòng)旋液分離器

電動(dòng)旋液分離器與靜電旋風(fēng)除塵器的分離原理相似，都是利用離心力及靜電力強(qiáng)化分離固體與其他不互溶介質(zhì)，但液體的介電常數(shù)比氣體大得多，分離時(shí)可施加較小的工作電壓而減少能耗，目前該分離設(shè)備已應(yīng)用在顆粒分級(jí)、食品加工等領(lǐng)域[87]。如Tue 等[88-89]研究入口流速、電壓等操作參數(shù)對(duì)電動(dòng)旋液分離器分離性能的影響，如圖9所示：施加電場(chǎng)后，二氧化硅（粒徑為0.2μm）明顯向分離器邊壁擴(kuò)散且溢流口排出的顆粒量顯著減少，且入口流量減小、工作電壓增加時(shí)分離性能顯著提升。為了提高固-液分離粒級(jí)效率，Yoshida[9]和Pratarn[10]等則借助靜電旋風(fēng)除塵器分離粒徑小[65]和水力旋流器能耗低、效率高[90]的特點(diǎn)，對(duì)電動(dòng)旋液分離器的入口段及收集箱等結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)、電參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中：Yoshida等側(cè)重研究電極形態(tài)對(duì)顆粒分割尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)分割尺寸隨著電極直徑的增加而減小，且在大電極直徑和長(zhǎng)電極長(zhǎng)度條件下分割尺寸變得最?。籔ratarn等則重點(diǎn)研究入口段結(jié)構(gòu)和懸浮液pH 對(duì)顆粒分割尺寸的影響，發(fā)現(xiàn)分割尺寸隨進(jìn)料流量或pH 的增加而減小，并在最大中心桿直徑、最高pH 及最長(zhǎng)收集箱條件下分割尺寸變得最小。如圖10所示，電動(dòng)旋液分離器優(yōu)化后具有多種工作模式（模式A～C，通過(guò)改變電極與電源正負(fù)極的接線而產(chǎn)生不同的分離電場(chǎng)），且能夠分離或分選納米級(jí)顆粒物（粒徑為754nm）[9-10]。

圖9 電動(dòng)旋液分離器中顆粒收集機(jī)制[88]

圖10 不同工作模式電動(dòng)旋液分離器的分離特性[9-10]

除了從液體中分離固體顆粒物，電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)還被用于分離固體中的液體，如Amami 等[7,91]應(yīng)用脈沖電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化胡蘿卜和蘋(píng)果組織離心滲透脫水，與單旋流場(chǎng)或單電場(chǎng)相比耦合場(chǎng)有利于增加兩種組織脫水量和減少滲透脫水持續(xù)時(shí)間。電導(dǎo)率較大的液體在固-液分離過(guò)程中雖能降低能耗，但固體在電場(chǎng)中產(chǎn)生的極化電荷易被液體遷移、中和及損耗而減弱強(qiáng)化分離作用[92]。因此為改善電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化固-液分離特性并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，需深入研究電動(dòng)旋液分離器的結(jié)構(gòu)參數(shù)及制造材料以適應(yīng)分離介質(zhì)的電特性，從而達(dá)到良好的分離效果。

5 耦合場(chǎng)數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，有限元仿真商業(yè)軟件分析及處理問(wèn)題的能力也隨著提高，而利用有限元軟件分析復(fù)雜的電場(chǎng)-旋流場(chǎng)耦合問(wèn)題能為實(shí)驗(yàn)研究提供參考（如簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程、節(jié)約器材等），是研究電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離是一種借助電場(chǎng)提高多相分離效率的技術(shù)，與常規(guī)流場(chǎng)數(shù)值分析方法相比引入電場(chǎng)加劇了分析難度。為提高電場(chǎng)-旋流耦合數(shù)值模擬的適應(yīng)性與準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外研究人員做了大量相關(guān)工作，而本文將其歸納為電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化液-液分離、氣-液分離和氣-固分離的數(shù)值研究見(jiàn)表2，可知：①相比于固體顆粒，液滴在電場(chǎng)中更容易發(fā)生極化，分離效果更好；②當(dāng)研究單個(gè)或一對(duì)液滴的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，多采用二維數(shù)值模型，而研究乳液的破乳性能時(shí)多采用三維數(shù)值模型；③在軟件中耦合電場(chǎng)和流場(chǎng)多應(yīng)用用戶自定義標(biāo)量（user defined scalar，UDS）函數(shù)方法，也可以直接調(diào)用電場(chǎng)模塊、設(shè)定電參數(shù)后進(jìn)行耦合模擬（具有一定的局限性）；④目前針對(duì)固-液和固-固分離的數(shù)值模擬內(nèi)容相對(duì)較少，應(yīng)加大對(duì)難分離多相介質(zhì)數(shù)值模擬方法的研究力度。目前數(shù)值模擬分析電場(chǎng)、流場(chǎng)分布及流體流動(dòng)特性的軟件種類繁多，其中具有代表性的有ANSYS、COMSOL等。

表2 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離數(shù)值模擬方法對(duì)比

5.1 電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化多相介質(zhì)分離的數(shù)值模擬

利用數(shù)值模擬方法研究電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化非均多相介質(zhì)分離得到了廣泛應(yīng)用，且合理運(yùn)用數(shù)值分析手段能大幅減少實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)及材料而提高研究效率。如Gong 等[27-28,49,93]通過(guò)UDS 描述動(dòng)量方程和電場(chǎng)控制方程并導(dǎo)入ANSYS Fluent 模塊[1,26]，且基于歐拉-歐拉方法研究了水滴在電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)聚結(jié)特性，如圖11 所示可知：當(dāng)電壓幅值為0 時(shí)單元結(jié)構(gòu)段之間具有較高的油相體積分?jǐn)?shù)（＞90%），而在10kV、11kV、12kV 和13kV（PEF）中旋流腔與大錐段截面處具有高含油流體（＞90%），表明旋流場(chǎng)中引入電場(chǎng)能促進(jìn)水滴聚結(jié)而強(qiáng)化油水分離。與Gong 等一樣利用雙錐耦合旋流器模型[26]，Peng 等[41]則利用ANSYS Fluent 模擬了電場(chǎng)、旋流場(chǎng)、溫度場(chǎng)三場(chǎng)聯(lián)合作用對(duì)水滴運(yùn)動(dòng)聚結(jié)的影響，發(fā)現(xiàn)電壓幅值和溫度變化對(duì)旋流器內(nèi)部流場(chǎng)有顯著影響，且溫度為70℃、電壓為11kV 時(shí)脫水效率可達(dá)94%以上。除了應(yīng)用在液-液分離，Jiang 等[6]還利用ANSYS Fluent 研究操作及物性參數(shù)對(duì)靜電旋風(fēng)除霧器內(nèi)氣-液兩相分離特性的影響（通過(guò)UDS編寫(xiě)程序耦合電場(chǎng)與旋流場(chǎng)）[76]，如圖12 所示可知：當(dāng)入口速度為10m/s、液滴直徑為1～6μm時(shí)耦合場(chǎng)中的液滴明顯向壁面集中[44]，且分離效率隨入口速度或筒長(zhǎng)徑比的增加而增大[95]。而王靜靜[78]則利用Comsol Multiphysics 對(duì)復(fù)合除霧器進(jìn)行二維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣流混和通道長(zhǎng)度為1.5m 時(shí)除霧效果最佳而當(dāng)入口流體流速為1.5～2.5m/s時(shí)通道長(zhǎng)度宜選擇0.8m。

圖11 油相體積分?jǐn)?shù)分布（A、B、C、D、E分別為0、10kV、11kV、12kV及13kV）[28]

圖12 液滴濃度分布 [6]

與液-液、氣-液耦合數(shù)值模擬研究相比（如Gong 和Peng 等為了更好地研究液滴在油相中的遷移、聚結(jié)及破碎行為，數(shù)值模擬時(shí)多采用Euler-Euler 模型和PBM 模型[27-28,41]；而氣-液分離的數(shù)值模擬多采用RSM和k-ε湍流模型，當(dāng)需要研究液滴在空氣中的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)會(huì)添加DPM 模型[6,78]），氣-固和固-液分離是一個(gè)更加復(fù)雜的非線性問(wèn)題而需借助電場(chǎng)-旋流場(chǎng)理論模型[9]（固體顆粒在耦合場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)通常不考慮聚結(jié)和破碎，一般不采用PBM模型，多采用DPM 模型，利用一個(gè)或多個(gè)自定義顆粒研究分散相在耦合場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，并得到各個(gè)出口的捕集效率[94]）。如Zhang 等[5,94]同樣利用ANSYS Fluent 模擬了亞微米顆粒在內(nèi)/外渦旋靜電旋風(fēng)除塵器中的逃逸過(guò)程[4]，發(fā)現(xiàn)在旋流場(chǎng)中引入電場(chǎng)能極大減小從分離器溢流口逸出的顆粒數(shù)量，且為了提高顆粒捕集效率建立機(jī)-電-磁耦合理論模型驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的可靠性；而Tue 等[89]則通過(guò)數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出了一種基于電旋流器錐形截面擴(kuò)散傳質(zhì)方程的新模型，且該模型能很好地預(yù)測(cè)亞微米顆粒的分離效率。

綜合學(xué)者們對(duì)電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化非均多相介質(zhì)分離的數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明：耦合場(chǎng)的數(shù)值模擬在液-液分離（特別是針對(duì)油水乳狀液）領(lǐng)域應(yīng)用最廣而在固體與流體分離方面應(yīng)用較少，且電場(chǎng)、旋流場(chǎng)的操作參數(shù)和耦合裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多相介質(zhì)分離性能有著顯著影響；而通過(guò)研究電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)的數(shù)值模擬方法不僅能完善電場(chǎng)-旋流場(chǎng)的分析手段，還能更好地輔助和指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究。

6 結(jié)語(yǔ)

電場(chǎng)-旋流耦合作為一種外加復(fù)合力場(chǎng)常常需要特定裝置以強(qiáng)化非均多相介質(zhì)分離，如今在石油化工、環(huán)境工程、食品行業(yè)、顆粒分級(jí)等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。與單電場(chǎng)或單旋流場(chǎng)相比，電場(chǎng)-旋流耦合場(chǎng)能高效分離微米級(jí)多相介質(zhì)及穩(wěn)定性強(qiáng)的油水乳狀液，具有廣闊的應(yīng)用前景。為充分發(fā)揮電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離多相介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，在今后的研究中仍有以下問(wèn)題有待解決。

（1）為驗(yàn)證多種電場(chǎng)-旋流耦合數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性與適用性，需深入開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。

（2）電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離多相介質(zhì)的性能與裝置形態(tài)密切相關(guān)，應(yīng)綜合考慮電場(chǎng)分布、結(jié)構(gòu)尺寸、操作參數(shù)等因素的影響。

（3）電場(chǎng)-旋流耦合強(qiáng)化分離介質(zhì)多為黏度小、密度差大，需進(jìn)一步研究耦合場(chǎng)與高黏度、密度接近及弱/無(wú)電導(dǎo)率介質(zhì)的作用關(guān)系而擴(kuò)大兩場(chǎng)耦合促進(jìn)多相介質(zhì)分離的應(yīng)用范圍。

（4）電場(chǎng)-旋流耦合設(shè)備應(yīng)用廣泛，需深入開(kāi)展理論分析，并加強(qiáng)對(duì)耦合裝置在實(shí)際工況中運(yùn)行可靠性的研究。