旋流板和螺旋導(dǎo)葉氣液分離性能對(duì)比研究

獨(dú) 巖，孫國(guó)剛，祖澤輝

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

氣液分離是一種從氣流中分離出霧滴或液滴的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)凈化煙氣、減少污染、回收水資源及降低成本等目標(biāo)[1-4]。軸流導(dǎo)葉式氣液分離器通過(guò)導(dǎo)流葉片（簡(jiǎn)稱導(dǎo)葉）形成旋轉(zhuǎn)氣流，與傳統(tǒng)的切向入口式分離器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資成本較低且不易發(fā)生堵塞[5]。導(dǎo)葉是此類分離器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，一般包括旋流板、折流板及各種形狀的導(dǎo)葉等，其設(shè)計(jì)與優(yōu)化一直備受重視。文獻(xiàn)[6-9]對(duì)比研究了旋流板與圓弧形導(dǎo)葉、單螺旋導(dǎo)葉與圓弧形導(dǎo)葉、旋流板與折流板、單螺旋導(dǎo)葉與傾斜平板的分離性能。文獻(xiàn)[10-14]對(duì)螺旋導(dǎo)葉、圓弧形導(dǎo)葉和旋流板等導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)參數(shù)（導(dǎo)葉個(gè)數(shù)、導(dǎo)葉出口角、螺距及螺旋個(gè)數(shù)等）進(jìn)行了試驗(yàn)和模擬研究。文獻(xiàn)[15-18]研究了處理氣量和液滴質(zhì)量濃度等操作參數(shù)對(duì)氣液分離器性能的影響。

目前，針對(duì)相同處理氣量與液滴質(zhì)量濃度條件下旋流板和螺旋導(dǎo)葉式氣液分離器的性能對(duì)比研究還鮮有報(bào)道。為此，本文建立了一套筒徑300 mm的軸流導(dǎo)葉式氣液分離器試驗(yàn)系統(tǒng)，采用試驗(yàn)方法，在相同氣液操作工況下，對(duì)比了旋流板和螺旋導(dǎo)葉這2種造旋結(jié)構(gòu)的氣液分離性能，以期為軸流導(dǎo)葉式氣液分離器造旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型提供支持。

1 導(dǎo)葉氣液分離性能試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及原理

建立的軸流導(dǎo)葉式氣液分離器試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 軸流導(dǎo)葉式氣液分離器試驗(yàn)系統(tǒng)

離心風(fēng)機(jī)提供試驗(yàn)所需負(fù)壓，微型隔膜液泵和空氣壓縮機(jī)為超聲波噴嘴提供帶壓液體和氣體，通過(guò)超聲波噴嘴產(chǎn)生均勻細(xì)微液滴，在進(jìn)氣室中與進(jìn)氣口主氣流混合，形成穩(wěn)定的帶液氣流。帶液氣流沿軸向進(jìn)入分離器環(huán)形入口，在離心力和重力的作用下，氣體中混合的液滴被甩到分離器邊壁，并沿邊壁向下運(yùn)動(dòng)至底部集液室，凈化后的氣體通過(guò)底部排氣管排出。

試驗(yàn)中采用超聲波雙流體霧化噴嘴，通過(guò)控制氣液流量來(lái)改變噴霧質(zhì)量濃度，使噴霧液滴直徑小于10 μm。氣體介質(zhì)為空氣。液體介質(zhì)選用癸二酸二辛酯（簡(jiǎn)稱 DOS），其分子式為C26H50O4，相對(duì)分子量為 426.66。DOS的揮發(fā)度極低，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為透明的淡黃色油狀液體，微溶于水。

1.2 分離器結(jié)構(gòu)及尺寸

參考現(xiàn)有造旋導(dǎo)葉的基本設(shè)計(jì)方法[19]，以及典型軸流式氣液分離器的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了旋流板和螺旋導(dǎo)葉式氣液分離器，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 2種軸流導(dǎo)葉式氣液分離器結(jié)構(gòu)示圖

除導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)外，2種軸流導(dǎo)葉式氣液分離器其他結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，直筒段高度1 150 mm，筒體外徑300 mm，筒體壁厚10 mm，排氣管外徑160 mm，排氣管壁厚1 mm，分離空間高度445 mm，集液段高度 250 mm。

旋流板和螺旋導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3。旋流板葉片數(shù)為8片，葉片傾角25°，徑向角15°。螺旋導(dǎo)葉螺距176 mm，螺旋角11.3°，葉片厚度3.5 mm。

圖3 旋流板和螺旋導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)及尺寸

1.3 分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

分離性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括壓降和分離效率，壓降通過(guò)U型管壓差計(jì)測(cè)量，分離效率采用稱重法測(cè)量確定。

2種導(dǎo)葉的氣液分離效率采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，η為分離效率；m1為儲(chǔ)液槽內(nèi)減少的液體質(zhì)量，m2為進(jìn)氣室滯留的液體質(zhì)量，m3為集液室收集的液體質(zhì)量，kg。

2 導(dǎo)葉氣液分離性能試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓降

2.1.1 處理氣量的影響

當(dāng)液滴質(zhì)量濃度為0 g/m3時(shí)，導(dǎo)葉氣相壓降隨處理氣量變化曲線見圖4。

圖4 2種導(dǎo)葉氣相壓降隨處理氣量變化曲線

從圖4可以看出，隨處理氣量的增大，2種導(dǎo)葉氣相壓降均呈線性增大趨勢(shì)，螺旋導(dǎo)葉氣相壓降比旋流板氣相壓降高13%～35%，即螺旋導(dǎo)葉的能耗較高。

2.1.2 液滴質(zhì)量濃度的影響

不同處理氣量下2種導(dǎo)葉壓降隨液滴質(zhì)量濃度變化曲線見圖5。

圖5 不同處理氣量下2種導(dǎo)葉壓降隨液滴質(zhì)量濃度變化曲線

從圖5中可以看出，隨著液滴質(zhì)量濃度的升高，對(duì)應(yīng)氣量下2種導(dǎo)葉的壓降均略有降低，降幅在5%～12%。相對(duì)而言，處理氣量對(duì)導(dǎo)葉壓降的影響較大，而液滴質(zhì)量濃度對(duì)導(dǎo)葉壓降的影響較小。

2.2 分離效率

2.2.1 處理氣量的影響

液滴質(zhì)量濃度為5 g/m3和36 g/m3時(shí)，2種導(dǎo)葉分離效率隨處理氣量變化曲線見圖6。

圖6 不同液滴質(zhì)量濃度下2種導(dǎo)葉分離效率隨處理氣量變化曲線

從圖6可以看出，隨著處理氣量的增大，2種導(dǎo)葉的分離效率均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。在對(duì)應(yīng)液滴質(zhì)量濃度下，旋流板的分離效率比螺旋導(dǎo)葉的高2%～10%，且變化幅度平緩，操作彈性更大。

2.2.2 液滴質(zhì)量濃度的影響

不同處理氣量下2種導(dǎo)葉分離效率隨液滴質(zhì)量濃度變化曲線見圖7。

圖7 不同處理氣量下2種導(dǎo)葉分離效率隨液滴質(zhì)量濃度變化曲線

從圖7看出，當(dāng)處理氣量為660 m3/h時(shí)，隨液滴質(zhì)量濃度的增大，旋流板的分離效率先增大后穩(wěn)定，而螺旋導(dǎo)葉的分離效率先增大后減小，液滴質(zhì)量濃度25 g/m3時(shí)其分離效率最高。從圖7還可以看出，當(dāng)處理氣量為1 110 m3/h時(shí)，隨著液滴質(zhì)量濃度的增大，2種導(dǎo)葉的分離效率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。在液滴質(zhì)量濃度達(dá)到25 g/m3時(shí)，旋流板的分離效率達(dá)到最大，并保持穩(wěn)定，而螺旋導(dǎo)葉的分離效率繼續(xù)保持增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诖髿饬俊⒏咭旱钨|(zhì)量濃度時(shí)，螺旋導(dǎo)葉造旋通道更長(zhǎng)，液滴停留時(shí)間更長(zhǎng)，被捕集的概率更大，所以螺旋導(dǎo)葉的分離效率保持上升趨勢(shì)。整體來(lái)看，在對(duì)應(yīng)處理氣量下，旋流板的分離效率比螺旋導(dǎo)葉的高 2%～10%。

2.3 最大分離效率與處理氣量變化規(guī)律

為進(jìn)一步研究最大分離效率與處理氣量之間的變化規(guī)律，在液滴質(zhì)量濃度5 g/m3和36 g/m3之間，再補(bǔ)充2～3組的質(zhì)量濃度梯度進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到的變化曲線見圖8。

圖8 增加液滴質(zhì)量濃度梯度后2種導(dǎo)葉分離效率隨處理氣量變化曲線

從圖8看出，隨著處理氣量的增大，不同液滴質(zhì)量濃度下2種導(dǎo)葉的分離效率均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，最大分離效率對(duì)應(yīng)的處理氣量在775～995 m3/h。隨著液滴質(zhì)量濃度的增大，最大分離效率對(duì)應(yīng)的處理氣量均呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢(shì)。

2.4 最大分離效率與液滴質(zhì)量濃度變化規(guī)律

增加液滴質(zhì)量濃度梯度后，在不同處理氣量下2種導(dǎo)葉的分離效率隨液滴質(zhì)量濃度變化曲線見圖9。

圖9 增加液滴質(zhì)量濃度梯度后不同處理氣量下2種導(dǎo)葉分離效率隨液滴質(zhì)量濃度變化曲線

從圖9可以看出，當(dāng)處理氣量小于775 m3/h或大于1 110 m3/h時(shí)，旋流板最大分離效率對(duì)應(yīng)的液滴質(zhì)量濃度在25 g/m3左右；當(dāng)處理氣量小于775 m3/h時(shí)，螺旋導(dǎo)葉最大分離效率對(duì)應(yīng)的液滴質(zhì)量濃度在20～25 g/m3。在其他處理氣量范圍內(nèi)，2種導(dǎo)葉的分離效率在液滴質(zhì)量濃度為36 g/m3時(shí)仍能保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著處理氣量的增大，旋流板最大分離效率對(duì)應(yīng)的液滴質(zhì)量濃度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，而螺旋導(dǎo)葉最大分離率對(duì)應(yīng)的液滴質(zhì)量濃度則呈現(xiàn)出先增大后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）在相同的氣液操作條件下，試驗(yàn)得到的旋流板壓降比螺旋導(dǎo)葉壓降低13%～35%，旋流板分離效率比螺旋導(dǎo)葉分離效率高2%～10%，且操作彈性大。所試驗(yàn)的旋流板氣液分離性能整體優(yōu)于螺旋導(dǎo)葉。

（2）在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，2種導(dǎo)葉最大分離效率對(duì)應(yīng)的處理氣量均在775～995 m3/h，且隨著液滴質(zhì)量濃度的增大，最大分離效率對(duì)應(yīng)的處理氣量均呈現(xiàn)先減小再增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)處理氣量小于775 m3/h或大于1 110 m3/h時(shí)，旋流板最大分離效率對(duì)應(yīng)的液滴質(zhì)量濃度在25 g/m3左右；當(dāng)處理氣量小于775 m3/h時(shí)，螺旋導(dǎo)葉最大分離效率對(duì)應(yīng)的液滴質(zhì)量濃度在20～25 g/m3。其他處理氣量范圍內(nèi)，2種導(dǎo)葉的分離效率在液滴質(zhì)量濃度為36 g/m3時(shí)仍能保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。