汽水分離器的研究現(xiàn)狀與展望

文/杜云川

工業(yè)上常見(jiàn)的汽水分離器種類(lèi)和原理總結(jié)——汽水分離器在工業(yè)應(yīng)用中非常普遍，比如食品、飲料、制藥和化工等。低干度的蒸汽不但會(huì)造成設(shè)備損傷，增加系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)，而且造成工藝生產(chǎn)效率的下降。因此，隨著各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)效率的提升，對(duì)于汽水分離器的性能要求也越來(lái)越高。本文旨在概要地總結(jié)工業(yè)上常見(jiàn)的汽水分離器種類(lèi)，其運(yùn)行特性以及所采用的汽水分離的原理，為分離器的設(shè)計(jì)以及分離技術(shù)的研究提供指導(dǎo)性的意見(jiàn)。

蒸汽作為熱載體在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(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。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，造成管道爆炸。在使用端，制藥行業(yè)滅菌應(yīng)用中，蒸汽干度過(guò)低將會(huì)導(dǎo)致滅菌失敗，從而引起藥品質(zhì)量不合格；在食品飲料行業(yè)的一些應(yīng)用中，蒸汽會(huì)直接跟物料混合，如果帶水嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致食品的口感和品質(zhì)下降。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)濕蒸汽除濕和提升蒸汽的干度，加裝汽水分離器是典型且普遍的應(yīng)用技術(shù)。

本文旨在概括總結(jié)工業(yè)企業(yè)中常用的汽水分離器，剖析現(xiàn)狀，明確其在應(yīng)用中遇到的問(wèn)題和發(fā)展中存在的瓶頸，為以后的研究指明方向。

絲網(wǎng)式汽水分離器

原理及結(jié)構(gòu)

絲網(wǎng)分離器的結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2 所示，其原理主要是利用絲狀材料組成的網(wǎng)格式材料阻擋或吸收汽水混合物中的水分。當(dāng)液滴的直徑大于相鄰絲網(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黏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)。

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

應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

絲網(wǎng)式汽水分離器在石化行業(yè)的塔氣分離中有著廣泛的應(yīng)用，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、聚酯纖維和芳綸纖維3 種過(guò)濾材料對(duì)過(guò)濾分離器壓降的影響，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，即選用可以分散液滴和可以更高效地將收集到的水排走的材料更適合用作過(guò)濾材料。

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)理開(kāi)始起到主要的分離作用。需要注意的是，在其他條件一致時(shí)，絲網(wǎng)式分離器的分離效率在低流速和高流速時(shí)的分離效率高于中等流速時(shí)的分離效率，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。

圖3 絲網(wǎng)式汽水分離效率與氣流速度關(guān)系

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蘇是影響絲網(wǎng)式汽水分離器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，分離器塔體及內(nèi)部件的布置方式對(duì)于分離效率影響的研究，也是需要研究的重要方向之一，是對(duì)實(shí)際應(yīng)用中具備重大指導(dǎo)意義的問(wèn)題。

旋風(fēng)式汽水分離器

分離原理

旋風(fēng)分離器式利用液滴在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于慣性力和離心力的作用，將液滴從主汽流中分離出設(shè)備，其詳細(xì)工作原理如圖4 所示。旋風(fēng)分離器是把汽水混合物從進(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)，使液滴具有較大慣性力和離心力。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。

圖4 旋風(fēng)分離器結(jié)構(gòu)示意圖

應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

旋風(fēng)式汽水分離器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、無(wú)可運(yùn)動(dòng)零部件以及結(jié)實(shí)耐用等優(yōu)勢(shì)，因此在石化、熱電、鋼鐵和輪胎等多個(gè)行業(yè)有非常多的應(yīng)用。旋風(fēng)式汽水分離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，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。

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，到目前為止，有不同的學(xué)者提出了不同的氣流入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是切向、蝸殼式、螺旋面、軸向葉片、徑向入口和螺旋線入口，它們的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)見(jiàn)表1。

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

圖5 入口結(jié)構(gòu)圖

隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外諸多研究者采用該方法研究旋風(fēng)分離器的內(nèi)部流動(dòng)特性，為提高其效率提供理論支持。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)值模擬和試驗(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。

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)于分離器內(nèi)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)的發(fā)展方向。

波形板式汽水分離器

分離原理

波紋板式汽水分離器的主要作用原理是來(lái)流氣體通過(guò)曲折的流道空間來(lái)回進(jìn)行Z 字形運(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，如圖6 所示展示了波形板汽水分離器內(nèi)部的構(gòu)造以及分離原理。

圖6 波形板分離器原理圖

應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

波形板汽水分離器在石化、鋼鐵、食品飲料等行業(yè)有著較多的應(yīng)用，最近10 多年來(lái)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，其小口徑的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展。波形板汽水分離器的發(fā)展經(jīng)歷了無(wú)勾、單勾、雙勾和吸附等階段。隨著數(shù)值模擬和高速攝像技術(shù)的發(fā)展，波形板式汽水分離器的研究得到了快速的發(fā)展。

影響波形板汽水分離器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)算和分析了液膜厚度、流速等流動(dòng)參數(shù)；拉格朗日離散例子模擬法也是數(shù)值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；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。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)波形板裝有疏水溝時(shí)，其分離效率要比無(wú)溝時(shí)要大很多；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)。

難點(diǎn)和展望

波形板汽水分離器在液滴分離后，液膜的破裂會(huì)產(chǎn)生二次攜帶，對(duì)二次攜帶產(chǎn)生機(jī)理的數(shù)學(xué)模型以及影響因素的深入研究，有望成為以后的重要研究方向。

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)有非常好的方法來(lái)解決，在今后的研究中，這將是一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。同時(shí)，通過(guò)多種分離方式的組合來(lái)解決現(xiàn)有問(wèn)題實(shí)現(xiàn)高效汽水分離是另外一個(gè)值得探索和研究的方向。 ●