汽水分離器的研究現狀與展望

文/杜云川

工業上常見的汽水分離器種類和原理總結——汽水分離器在工業應用中非常普遍，比如食品、飲料、制藥和化工等。低干度的蒸汽不但會造成設備損傷，增加系統安全風險，而且造成工藝生產效率的下降。因此，隨著各個行業生產效率的提升，對于汽水分離器的性能要求也越來越高。本文旨在概要地總結工業上常見的汽水分離器種類，其運行特性以及所采用的汽水分離的原理，為分離器的設計以及分離技術的研究提供指導性的意見。

蒸汽作為熱載體在工業生產中有著非常廣泛的應用，蒸汽干度是蒸汽品質的核心評定因素，在一些行業應用規范中有具體的數值要求。在蒸汽輸送系統中，蒸汽帶水過多將會引發強烈的水錘，造成管道爆炸。在使用端，制藥行業滅菌應用中，蒸汽干度過低將會導致滅菌失敗，從而引起藥品質量不合格；在食品飲料行業的一些應用中，蒸汽會直接跟物料混合，如果帶水嚴重，將會導致食品的口感和品質下降。因此，要實現對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用技術。

本文旨在概括總結工業企業中常用的汽水分離器，剖析現狀，明確其在應用中遇到的問題和發展中存在的瓶頸，為以后的研究指明方向。

絲網式汽水分離器

原理及結構

絲網分離器的結構如圖1 和圖2 所示，其原理主要是利用絲狀材料組成的網格式材料阻擋或吸收汽水混合物中的水分。當液滴的直徑大于相鄰絲網之間的間隙時，便不能通過絲網而被攔截下來；對于小直徑的液滴，而由于水具有一定的黏度和液滴在高速下的不規則形狀，其在經過絲網組成的間隙時會發生“橋接”的現象，從而被攔截下來。

圖1 絲網分離器微觀結構圖

圖2 絲網式汽水分離器結構圖

應用及研究現狀

絲網式汽水分離器在石化行業的塔氣分離中有著廣泛的應用，其分離效果主要受絲網材質、來流速度、液滴顆粒大小等因素的影響。對于材質的選擇上，一些研究比較了氣液過濾分離時玻璃纖維、聚酯纖維和芳綸纖維3 種過濾材料對過濾分離器壓降的影響，發現玻璃纖維濾材的持液量較大，但是壓降也相對較大，并提出了對纖維的選材建議，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濾材料。

對絲網分離器的分離效率有顯著影響的是二相流的來流速度，圖3 顯示了在不同來流速度情況下絲網分離器的主要作用原理：在氣流速度比較小時，擴散機理起到主要的分離作用，隨著氣流速度的提升，攔截滯留開始起作用，隨著氣流速度的進一步提升，慣性沖擊機理開始起到主要的分離作用。需要注意的是，在其他條件一致時，絲網式分離器的分離效率在低流速和高流速時的分離效率高于中等流速時的分離效率，在來流速度較大的情況下，可能會發生液滴的二次夾帶。

圖3 絲網式汽水分離效率與氣流速度關系

難點和展望

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式汽水分離器分離效率的主要因素，已經有比較多的研究且形成了相對成熟的方法理論。但是，對于分離器容易造成的二次夾帶后分離效率的變化規律以及模型預測缺乏研究。另外，分離器塔體及內部件的布置方式對于分離效率影響的研究，也是需要研究的重要方向之一，是對實際應用中具備重大指導意義的問題。

旋風式汽水分離器

分離原理

旋風分離器式利用液滴在旋轉運動過程中，由于慣性力和離心力的作用，將液滴從主汽流中分離出設備，其詳細工作原理如圖4 所示。旋風分離器是把汽水混合物從進氣管切向引入分離器，由于引入的汽流動能較大，形成在切向上具有很大速度的旋轉運動，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，碰撞到旋風分離器殼體內表面上與汽流分離。被分離出的液滴在重力作用下，沿殼體內表面從排液口流出分離器。

圖4 旋風分離器結構示意圖

應用及研究現狀

旋風式汽水分離器具有結構簡單、制造容易、無可運動零部件以及結實耐用等優勢，因此在石化、熱電、鋼鐵和輪胎等多個行業有非常多的應用。旋風式汽水分離器的結構簡單，但是內部氣體的流動比較復雜，液滴在旋轉運動時不僅受到離心力，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部的運動軌跡有所不同，小液滴受氣流脈動和大液滴攜帶的作用較為顯著，對分離性能影響較大，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構，其造價低，易加工且具有較好的分離效果。但是這種構造使得分離器內部存在壓力分布不均衡的情況，壓力損失較大，到目前為止，有不同的學者提出了不同的氣流入口結構設計，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，它們的結構如圖5 所示，優缺點總結見表1。

表1 入口結構優缺點對比

圖5 入口結構圖

隨著CFD 技術的發展，國內外諸多研究者采用該方法研究旋風分離器的內部流動特性，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部結構對渦流的影響，并假設了幾種優化的結構設計；柯柄正、劉妍等建立了兩級汽水分離器內流體流動的數值模型，通過數值模擬和試驗數據的比對，對導葉個數、懸臂寬度和高度以及出口直徑等分離性能影響因素進行了分析，并提出了設計優化建議。

難點和展望

旋風分離器雖然結構簡單，但是流動特性復雜，細微的設計結構變化對分離效果就可能產生較大的影響。在分離的過程中，液滴會在分離器內部形成液膜，液膜在切向力的作用下很容易產生破裂，從而形成二次液滴。目前，對于分離器內液膜的運動特性、破裂機理的研究較少，有望成為今后重點的發展方向。

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流氣體通過曲折的流道空間來回進行Z 字形運動，在經過彎道時氣體的流動方向發生改變，液滴因為運動慣性會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。常用作汽水分離器的末級分離，如圖6 所示展示了波形板汽水分離器內部的構造以及分離原理。

圖6 波形板分離器原理圖

應用及研究現狀

波形板汽水分離器在石化、鋼鐵、食品飲料等行業有著較多的應用，最近10 多年來，由于其結構簡單、性能穩定等優勢，其小口徑的應用得到了快速的發展。波形板汽水分離器的發展經歷了無勾、單勾、雙勾和吸附等階段。隨著數值模擬和高速攝像技術的發展，波形板式汽水分離器的研究得到了快速的發展。

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、波紋板結構等。數值研究方面，通過建立這些因素在波紋板內運行特性的數值模擬，模擬其運動特性。依據板內流動的動量方程和能量方程，建立了液膜平衡的數學模型，計算和分析了液膜厚度、流速等流動參數；拉格朗日離散例子模擬法也是數值模擬研究在分析大渦模擬、湍流脈動對分離效果的影響方面取得了較好的驗證結果；Fluent 軟件模擬表明，當入口速度不同時，波形板的汽流都會有一個臨界破膜速度，它隨著入口速度的增大而逐漸減少。在試驗研究方面，主要通過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，當波形板裝有疏水溝時，其分離效率要比無溝時要大很多；流的湍動度對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。

難點和展望

波形板汽水分離器在液滴分離后，液膜的破裂會產生二次攜帶，對二次攜帶產生機理的數學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。

結論和展望

本文通過對市場上運行的主要類型的汽水分離器的研究和現狀分析，對于主要的研究成果進行了總結和展望：數值模擬技術的發展對于汽水分離器的發展有著巨大的貢獻，無論哪種分離形式，二次攜帶都是共同存在的難點，至今沒有非常好的方法來解決，在今后的研究中，這將是一個重點的研究方向。同時，通過多種分離方式的組合來解決現有問題實現高效汽水分離是另外一個值得探索和研究的方向。 ●