海水淡化用汽液分離元件研究進展

張曉晨，張　銘，胡孔誠

(1.青島科技大學化學與分子工程學院，山東 青島，266042； 2.國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；3.國家海水利用工程技術研究中心，天津 300192)

世界人口的持續增加和經濟的不斷發展，使得水資源短缺成為全球性問題。海水淡化作為一種淡水資源增量技術，可以增加淡水供應量，已成為世界各國解決淡水短缺的重要途徑之一。截至2010年，全球淡化水裝機規模已達6 520萬t/d，解決了2億多人的飲水問題[1]。

目前，主流的商業化海水淡化技術包括：多級閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)和反滲透(RO)3種。前2種均為熱法海水淡化技術，其本質是在一定條件下使海水蒸發產生蒸汽，蒸汽冷凝得到淡水的過程。海水蒸發時由于沸騰和液滴碰撞會使蒸汽中夾帶有一定量的海水液滴，這些液滴如不能有效去除將會影響產水水質。為了去除蒸汽中夾帶的海水小液滴，保證淡化水水質，在熱法海水淡化裝置中通常會設置汽液分離元件，用于分離蒸汽中夾帶的海水液滴。圖1a)和圖1b)分別給出了多級閃蒸和低溫多效2種主流熱法海水淡化系統中汽液分離元件的示意圖。

圖1　海水淡化裝置中的汽液分離元件Fig.1　Gas-liquid separation in desalination plant

目前用于熱法海水淡化工程中的汽液分離元件主要可分為折流板式(也稱葉片式)和絲網式2大類，其分離性能主要受操作工況和元件結構的影響，操作工況主要包括：操作氣速、液滴粒徑、液滴夾帶量等。折板式汽液分離元件的結構參數包括：折板間距、折板形式、角度、長度、安裝方式及折鉤設置情況等；絲網式汽液分離元件的結構參數則包括絲網層數、厚度、編制方式、網絲直徑等。本論文將就這兩類廣泛使用的汽液分離元件的相關研究進展和案例進行綜述，以期對相關研究和工程應用提供借鑒。

1　折流板式汽液分離元件

折流板式汽液分離元件是熱法海水淡化工程中應用最為廣泛的1種汽液分離元件，其具有分離效率高、流動阻力小、結構簡單、抗污堵能力強、操作彈性大等特點[2]。

1.1　分離原理

折流板式汽液分離元件由大量平行的金屬折流板組成，氣流在彎折流道中急速轉向，夾帶液滴在較大慣性力作用下與折流板碰撞被分離[3]。不同形式的折流板結構如圖2所示。

圖2　折流板式汽液分離元件結構圖Fig.2　Structure of wave-plate mist eliminator

1.2　研究進展

折流板式汽液分離元件的性能主要受折流板形式、操作氣速、板間距等因素的影響。為了獲得最適宜的折流板式汽液分離元件結構，國內外研究者采用試驗和數值模擬的方法對折流板汽液分離過程開展了眾多研究工作。

1.2.1試驗研究

早在1939年Houghton等[4]就對折流板式汽液分離元件進行了研究，他們指出，折流板式汽液分離元件的分離效率隨氣速的增加呈現先增大后減小的趨勢，并且認為產生這一現象的主要原因是二次夾帶。

顏學升[5]和楊柳等[6]對V形折流板進行了研究，考察了操作條件和結構參數對分離效率的影響，結果表明，液滴粒徑增加使液滴弛豫時間增加，有利于液滴分離；而折板角度增加，使氣流流線趨于直線形；板間距增加，則增加了液滴顆粒的流通面積，都不利于液滴分離。

進一步的研究發現，在折流板上設置折鉤(見圖2e)可起到導流的作用，能有效降低二次夾帶的發生，提高分離效率[9-10]。

李嘉等[11]對帶鉤折流板和普通折流板的性能進行了對比試驗，研究結果表明，在相同的氣速、折流板板間距和角度的情況下，帶鉤折流板的分離性能要優于普通折流板，原因是折鉤處液膜的在表面張力作用下厚度變薄，減少了因氣流對液膜剪切作用引起的二次夾帶；另一方面，折鉤處產生的旋渦會對小粒徑的液滴產生吸引作用，使之進入折鉤被分離，從而提高了分離效率。

王為術等[12]也針對帶鉤折流板式汽液分離元件進行了試驗研究，結果表明，氣速是影響分離效率的主要因素，分離效率隨氣速的增加呈先增大后減小的趨勢，氣速超過5 m/s后分離效率急劇降低，這主要是由于氣速越大，氣流對液滴的攜帶力越強，在折流板上來不及排出而被氣流攜帶走的液體就越多。此外，試驗結果還表明相同氣速條件下，提高載液量可以增加氣流中液滴相互碰撞的幾率，進而提高分離效率。

肖立春等[13]的研究認為，折角為72 °，板間距為20 mm時，帶鉤折流板分離性能最佳，而折流板的長度對分離效率影響并不明顯。

在大量試驗研究基礎上，人們也設計了一系列不同結構形式的流板。

鐘利春[14]設計了一種表面具有凹槽的波紋型折流板，這種結構一方面可以增加液滴同折流板壁碰撞的幾率和強度，使液滴易于被折流板攔截；另一方面被攔截的液滴可在凹槽內匯聚，并沿凹槽流出，極大的減少了二次夾帶的發生，從而提高了分離效率。

李明慧[15]設計了一種兩級折流板元件，第1級主要起分離作用，而第2級除了分離作用外，還可以起到部分導流的作用，減少葉片下游的二次夾帶，從而達到提高分離效率和降低壓降的效果。

徐月等[16]通過優化多層折流板的布置，使流體在通道內交錯流動，實現了折流板出口處氣流的均勻分布，提高了裝置的分離效率。

阮國嶺等[17]針對海水淡化設備規模大，不易清洗的特點，開發了一種用于熱法海水淡化的汽液分離元件，折流板被固定于開口槽架上，這種結構使折流板便于拆卸，易于更換和清理。

1.2.2數值模擬研究

近年來，計算流體力學(CFD)的方法開始應用于汽液分離元件的研究，研究者借助于數值模擬的方法，對汽液分離過程進行了一系列的模擬研究。

Bürkholz[18]在1989年提出分離效率會受到液滴粒徑、折流板間距和角度等因素的影響，之后的研究者們對這些影響因素的作用機理進行了大量的研究。

徐淑君等[19]基于RNGk-ε模型，采用汽液兩相雙向耦合方法對單級V形折流板式汽液分離元件進行了研究。研究顯示液滴粒徑對分離效率的影響非常大，進氣速度為3 m/s時，粒徑為50 μm液滴的去除率可達100%，而粒徑小于20 μm的液滴去除率還不到35%。這主要是由于小粒徑液滴受Saffman升力作用明顯，顆粒運動軌跡不穩定，不易被去除。

趙毅等[20]采用k-ε湍流模型對折線形折流板式汽液分離元件[見圖2c)]的分離性能進行了研究，板間距為20 mm、氣速到達6 m/s時，折流板對粒徑20 μm以上液滴的分離效率近100%。同時，模擬結果顯示，分離效率還隨折流板偏轉角增加而增加，偏轉角在51°左右時，折流板對大于30 μm的液滴分離效率可以達到100%。

孫志春等[21]采用雷諾應力模型，氣-液雙向耦合算法，研究了V型折流板的分離性能，結果同樣顯示，折流板間距為20 mm時對應的分離效率最高。

人們通過對STDk-ε模型(標準k-ε湍流模型)、低Rek-ε模型、RSM(Reynolds Stress Model，雷諾應力模型)、SSTk-ω(剪應力傳遞湍流模型)和RNGk-ε(修正的k-ε雙方程模型)5種常用湍流模型的對比研究[19, 22-25]，并且與試驗數據進行比較，研究結果表明RNGk-ε湍流模型能較好地處理強旋及彎曲流動的情況，而低Rek-ε模型則較適于對近壁面流動情況進行模擬。

對如圖2d)所示的折流板內流場分布的模擬研究結果顯示[26]：液滴主要在第1折彎處的左壁面和第2拐彎處的右壁面被分離。這主要是由于離心力的作用，液滴由內彎側向外彎側聚集，大顆粒液滴主要集中在外彎側，尤其在第1個拐彎處，液滴的聚集現象更加明顯。

孫志春等[21]將冷態試驗結果與CFD模擬結果進行了對比，發現液滴粒徑分布為10 μm，氣速在5～7 m/s時的數值模擬結果與試驗結果非常接近，作者認為這是由于10 μm液滴粒徑接近亞微觀粒子，與計算模型中的粒子吻合度較好所致。

2　絲網式汽液分離元件

絲網是另外一種應用較廣的汽液分離元件，具有體積小、分離效率高、質量輕及安裝操作維修方便等優點。

2.1　分離原理

絲網式汽液分離元件的結構如圖3所示，其分離原理主要有3種：直接攔截、慣性撞擊和擴散攔截。直接攔截就是氣體流過絲網結構時，氣流中大于絲網孔徑的液滴被攔截下來；慣性撞擊是利用液滴慣性比氣流大的特點，當夾帶有液滴的氣流流經絲網時，氣體順著絲網結構改變方向，而液滴由于慣性作用撞擊到絲網上被分離出來；擴散攔截是針對粒徑小于0.1 μm的小液滴，這種液滴以不規則形式沿著流體流線運動，碰到絲網被富集分離下來[27]。

2.2　研究進展

絲網式汽液分離元件廣泛應用于化工、食品、制冷和海水淡化等領域，影響其分離效率和壓降的因素主要包括：絲網厚度、操作氣速和編制方式等。

圖3　絲網式汽液分離元件結構圖Fig.3　Structure of wire mesh eliminator

2.2.1試驗研究

19世紀50和60年代，York和Poppele[28-29]的論文中對絲網式汽液分離元件進行了研究，并且歸納了一個計算最高操作氣速的半經驗公式，用以對絲網的設計進行指導。之后，Carpenter等[30]對絲網式汽液分離元件進行了較為系統的研究，并對絲網的層數、網絲直徑及比表面積等結構參數進行考察，得到分離效率的計算公式。

Hisham等[31]在研究中對操作氣速、絲網厚度和編制方式等影響因素進行了全面的考察，結果顯示：絲網式汽液分離元件的壓降隨氣速增加呈線性上升的趨勢；分離效率在氣速為1～6 m/s的范圍內隨氣速的增大而增加，高氣速下分離效率變化趨于平緩；網絲的厚度對分離效率影響不大，但容易造成壓降的增加；密織的絲網雖然有利于液滴的分離但同時也容易引發二次夾帶。

李柏松等[32]以水-空氣體系為研究對象，對水平安裝的絲網式汽液分離元件進行了研究，考察了液滴粒徑和液滴濃度對絲網分離效率的影響。研究結果表明：分離效率隨液滴粒徑的增大而增大，液滴粒徑為10 μm時，對應的分離效率為90%，而粒徑增大到70 μm時，分離效率接近100%；分離效率也隨液滴濃度的增大而增大，這主要是由于液滴濃度的增大，使得液滴之間容易發生碰撞而凝集成較大液滴，從而容易被分離。

Capps[33]對絲網式汽液分離元件的結構參數進行了研究。結果表明，網絲直徑80～280 μm、厚度65～150 mm，比表面積為250～650 m2/m3，空隙率在97～99%之間的絲網對10 μm左右液滴的分離效率可達到99%。

Bürkholz[34]針對絲網液滴二次夾帶問題行了研究，認為氣速控制在4～5 m/s可以減少夾帶造成的效率下降。同時還根據試驗結果推導出了一個簡單的近似公式，通過絲網結構來確定可分離的液滴粒徑范圍。

Lerner[35]開發了一種用于多級閃蒸(MSF)海水淡化裝置中的絲網式汽液分離元件，其體積較小，但有效通量可以達到傳統絲網的2～3倍。

基于試驗研究結果，人們也設計開發出了一系列新型的絲網式汽液分離元件。洪放[36]發明了一種可調的絲網式汽液分離元件，在進氣側安裝了可調節風門，使用過程中可根據需要對風門面積進行調節，使系統在最適宜氣速下工作，以保證其達到最高的分離效率。唐曉東等[37]則發明了一種汽液分離裝置，利用特殊絲網使液滴速度降低以提高絲網對液滴的捕捉收集能力，并通過氣體和液滴透過絲網柔性層的多次折流提高其分離效率。陳長林[38]設計了一種波形絲網除沫器，其由經模壓后的絲網和絲網格柵組成，這種結構可以使分離下來的液滴迅速匯流到低處，聚集成大液滴后排出，可有效減少液滴在絲網上的滯留時間，避免發生二次夾帶降低分離效率。王玉潔等[39]將絲網與板式聚結填料相結合，先通過板式聚結填料進行初步分離，再經由絲網進行二次分離，不僅減少了二次夾帶的發生，提高了分離效率，還可以有效減少對設備的腐蝕，延長其使用壽命。

2.2.2數值模擬研究

研究者同樣利用CFD模擬的方法對絲網式汽液分離元件進行了研究。

Rahimi等[40]利用FLUENT對絲網式汽液分離元件的分離性能進行了計算。結果顯示：當氣速為6 m/s時，分離效率接近100%，但當氣速繼續增加時，本已凝結在網絲上的液滴又重新被高速氣流夾帶，造成分離效率的下降。絲網網格的密度同樣會影響分離效率，較大的網格使液滴不能很好的和網絲接觸，以致無法凝聚在絲網上，導致分離效率較低。

張李偉等[41]選取20層隨機交錯排列的絲網組成的絲網汽液分離器模型進行數值模擬，并利用經驗公式的計算結果進行驗證。結果表明，在分離效率大于80%情況下的擬合情況較好，而對于分離效率較低的情況，計算值與試驗值仍存在較大的偏差。

由于絲網式汽液分離元件的內部結構復雜，流動情況多變，CFD模擬過程中對其流場進行的簡化，會對模擬結果的準確性造成很大的影響，所以對于絲網式汽液分離元件的CFD模擬研究尚不成熟，仍需研究者對數值模型進行進一步的優化。

3　工程實例

折流板式和絲網式汽液分離元件各有優缺，前者具有通量大、壓降小、易清洗、不宜堵塞等優點，但成本較高；后者分離效率高、安裝簡單、成本較低，但操作彈性小，易被堵塞。因此在實際工程中需綜合考慮海水淡化工藝流程、操作溫度、原水水質等情況進行選擇。表1給出了部分國內外熱法海水淡化工程中所用汽液分離元件。

表1　國內外部分多效蒸餾海水淡化裝置用汽液分離元件Table 1　Application of gas-liquid separation to MSF

4　發展方向

折流板和絲網作為兩種主要海水淡化工程用汽液分離元件形式，已有多年的應用，今后仍將是主要應用形式。未來海水淡化用汽液分離元件的研究將主要集中在以下幾方面：

1)開發新型汽液分離元件，在保證裝置分離效率的前提下，不斷降低操作壓降。

2)將玻璃鋼、工程塑料、鋁板和新型新材料應用于折板流式和絲網式汽液分離元件，以不斷降低汽液分離元件成本。

3)完善數值模擬模型，提高CFD模擬結果的準確性。

4)通過研究建立不同形式汽液分離元件的數學模型，用于指導工程設計。

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