基于文獻計量學分析旋風分離器的研究進展及趨勢

葉芳芳 李天使 梁家豪 謝文玉 李長剛

（1.廣東石油化工學院環境科學與工程學院；2.麗水市供排水有限責任公司；3.廣東省石油化工污染過程與控制重點實驗室）

旋風分離器是一種利用旋風氣流產生的強大離心力將氣體中的固體顆粒和液體顆粒甩脫，實現氣固或液固分離的裝置，具有結構簡單、性能穩定及運行成本低等優點，并且能夠在高溫、高壓等極端環境下穩定運行，被廣泛應用于制藥、煉油和環境修復等行業［1，2］。目前，關于旋風分離器的研究文獻發文量逐漸增多，但從文獻計量學角度系統分析其研究進展的文獻較少，因此對于未來的研究重點和方向指向不明。文獻計量學是以文獻為基礎，采用定量化的方式梳理文獻脈絡獲得數據，然后通過分析和總結找出變化規律，進而得到未來研究的發展趨勢［3］。文獻計量學所得結果具有客觀性，被越來越多的研究領域所認同［4～6］。

筆者以CNKI 數據庫和Web of Science（WOS）核心合集數據庫為基礎，檢索近五年旋風分離器國內外相關文獻，并對文獻年發文量、作者、研究機構、關鍵詞和國家進行較為系統的文獻計量學統計分析［7］。總結和凝練旋風分離器的研究狀況，為旋風分離器的整體研究情況提供數據支撐，明確未來的研究趨勢和發展方向。

1 材料與方法

1.1 數據來源

中文文獻來源于CNKI 數據庫，檢索詞選定“旋風分離器”，檢索條件為主題：旋風分離器or篇名：旋風分離器or 關鍵詞：旋風分離器，檢索時間為2018 年1 月1 日～2022 年5 月25 日，共檢索出631 篇中文文獻。其中主要主題選“旋風分離器”，去除與主題無關的和重復發表的文獻后，最終納入有效文獻159 篇。

英文文獻來源于WOS 核心合集數據庫，按主題詞“cyclone separator”進行檢索，檢索時間為2018 年1 月1 日～2022 年5 月25 日，共檢索出英文文獻347 篇，選擇文獻類型article 和review，除重后最終納入有效文獻331 篇。

1.2 研究方法

將納入的中、英文文獻題錄分別以“Refworks”和“純文本”格式導出，并通過CiteSpace 6.1.R1 進行轉化、分析。時間跨度（time slicing）：均為2018～2022 年；時間切片（years per slice）：1年；主題詞來源（term source）：默認全選；節點類型中作者、機構、關鍵詞：閾值（top N per slice）＝50，并對關鍵詞采用“pathfinder”、“pruning sliced networks”圖譜修剪算法進行修剪使圖譜更加清晰，根據各節點參數設置生成相應的可視化知識圖譜［8］。

2 結果與分析

2.1 歷年發文量分析

發文量直接體現了人們對某一領域的關注程度，可在一定程度上表征該領域的發展歷程和速度［9］。如圖1 所示，2018～2022 年，主題中包含旋風分離器的文獻共490 篇，其中中文文獻159篇，英文文獻331 篇。英文文獻中研究型論文（article）318 篇，占比96.07%，綜述類論文（review）13 篇，占比3.93%。年發文量均大于99 篇，其中2020 年達到126 篇，這表明近五年旋風分離器一直是研究的熱點。

圖1 2018～2022 年發文量變化

2.2 作者和發文機構分析

分析研究旋風分離器的作者和發文機構，有助于了解該領域的主要科研人員和單位，掌握他們的研究方向，為學術交流和合作提供參考［10］。研究基于CiteSpace 分析軟件，以CNKI 的數據為基礎，以“Author”為節點類型，對文獻作者進行可視化處理。結果顯示 “N=156，E=124 （Density=0.0103）”，表明國內研究旋風分離器的關鍵作者156 名，作者間合作124 次。以WOS 的數據為基礎，以“Author”為節點類型，對文獻作者進行可視化處理。結果顯示 “N=208，E=412 （Density=0.0191）”，表明國內外研究旋風分離器的關鍵作者208 名，作者間合作412 次，如圖2 所示。

圖2 核心作者及其合作關系網絡

表1 列舉了發文量排名前五的作者，其中魏耀東是國內旋風分離器研究的核心作者，近五年發表文獻13 篇［11］。SUN G G 是國內外旋風分離器研究的核心作者，近五年發表文獻10 篇［12］。從CNKI 和WOS 所顯示的數據表明，國內對于旋風分離器的研究處于主導地位，投入了大量的科研時間和精力，取得了豐碩的研究成果。

表1 不同作者發文量統計

為進一步掌握國內外關于旋風分離器的研究機構和機構間合作關系，基于CiteSpace 分析軟件，以CNKI 的數據為基礎，以“institution”為節點類型，對文獻研究機構進行可視化處理，結果顯示“N=122，E=47（Density=0.0064）”，表明國內旋風分離器研究機構共122 個，機構間的合作47次。以WOS 的數據為基礎，以“institution”為節點類型，對文獻研究機構進行可視化處理。結果顯示“N=143，E=77（Density=0.0076）”，表明國內外旋風分離器研究機構共143 個，機構間的合作77次，如圖3 所示。

圖3 研究機構及其合作關系網絡

CNKI 數據定量分析結果表明中國石油大學（北京）近五年來發文量位居第一，共128 篇，占比75.29%。WOS 數據定量分析也得出相同的結論，說明中國石油大學（北京）是旋風分離器的核心研究機構。根據發文量的結果可以得出中國石油大學（北京）仍在繼續深入開展旋風分離器相關研究工作。

2.3 關鍵詞分析

關鍵詞反映文獻研究主題，通過對關鍵詞的分析，能夠有助于研究人員了解研究內容之間的網絡關系，聚焦研究領域的熱點主題，尋找未來研究的方向。研究基于CiteSpace 分析軟件，以CNKI 的數據為基礎，以“keyword”為節點類型，對文獻研究機構進行可視化處理。結果顯示 “N=161，E=203（Density=0.0158）”，表明國內旋風分離器研究關鍵詞共161 個。以WOS 的數據為基礎，以“keyword”為節點類型，對文獻研究機構進行可視化處理，結果顯示 “N=257，E=666 （Density=0.0203）”，表明國內外旋風分離器研究關鍵詞共257 個，如圖4 所示。

圖4 文獻中高頻關鍵詞

關鍵詞出現頻次的差別揭示了旋風分離器研究過程中相關研究內容的關注程度。因此根據關鍵詞出現頻次來進行排名，CNKI 數據顯示出現頻次排名前五的是分離效率、數值模擬、壓降、分離性能和流場。WOS 數據顯示出現頻次排名前五的是Cyclone separator、Pressure drop、Performance、Collection efficiency 和CFD，具體出現頻次見表2。

表2 高頻關鍵詞及其出現頻次

基于CiteSpace 分析軟件，對關鍵詞聚類進行分析，可直觀反映近五年旋風分離器研究關注的重點和未來研究趨勢。對圖4 中的CNKI 和WOS高頻關鍵詞進行聚類，得出旋風分離器研究的六大聚類，將各聚類中出現的關鍵詞細化，所得結果見表3、4。

表3 CNKI 關鍵詞聚類分析結果

表4 WOS 關鍵詞聚類分析結果

CNKI 數據關鍵詞聚類分析表明國內旋風分離器研究工作集中于兩點：

a.通過數值模擬的方式，調控流體流場，關注過程參數，優化設備結構，提高分離效率。解凱等通過RSM 和DPM 兩種模型模擬計算旋風分離器內的氣-固兩相流，并系統比較了不同外導流管的旋風分離器內流場、壓降和分離效率［13］。陳思敏等通過CFD-DEM 耦合模擬計算旋風分離器運行時內部流程參數和粒徑分布，研究其在不同粒徑、不同進口速度下與分離效率和壓降的關系,并給出了分離效率與各參數的擬合關系式［14］。

b.通過實驗研究優化運行參數和結構參數，提高分離效率。李曉曼等在入口氣流顆粒濃度為5～550 g/m3時，對蝸殼式旋風分離器的壓降進行了實驗分析，并通過實驗結果給出了入口氣流顆粒濃度對旋風分離器壓降影響的計算方法［15］。劉秀林等優化旋風分離器結構，設計了一種新型旋風分離器，并通過對比實驗得出新型旋風分離器的平均壓降降低了21.91%，分離效率基本保持不變［16］。

需要指出的是聚類#2 給出的信息表明旋風分離器的研究主要集中在石油煉廠的催化裂化裝置中的再生器。催化裂化是煉油工業重要的二次加工過程，能夠實現重油的輕質化。裝置的反應-再生系統是核心組件，其中再生器由多級旋風分離器組成，其運行狀況良好直接關系到整套裝置的生產能力［17］。

WOS 數據關鍵詞聚類分析表明旋風分離器的研究基于機械設計和流體力學，通過設備內流體流動的模擬計算和實驗驗證，優化旋風分離器及核心部件結構，達到提高設備分離效率的研究目的。WAN G J 等使用CFD 軟件平臺對渦旋旋風分離器內不同粒徑顆粒的固體濃度進行了數值模擬，并采用雙向耦合的方法研究固體顆粒對氣體流場的影響［12］。WANG S Y 等使用CFDDEM 軟件對旋風分離器的流體力學特性進行數值模擬研究，通過改變進口角來模擬不同條件，捕捉過程中氣體湍流，所得模擬結果與實驗結果基本一致［18］。ZHOU F Q 等使用模擬和實驗相結合的方式研究旋風分離器表面粗糙度對于流場分布和分離性能的影響，所得結果對于設備優化有借鑒意義［19］。另外，聚類#4 表明旋風分離器研究集中于氣固分離過程［20］。

綜上所述，關鍵詞聚類分析結果顯示調控不同的運行條件，采用數值模擬和實驗研究相結合的方法，提高旋風分離器的分離效率和分離性能是未來的研究趨勢。

2.4 文獻來源國家分析

通過對文獻來源國家進行統計分析，可以直觀地判斷出國家對于某一領域的的科研投入力度和影響力。研究基于CiteSpace 分析軟件，以WOS的數據為基礎，以“country”為節點類型，對文獻研究機構進行可視化處理。結果顯示“N=44，E=53（Density=0.056）”，表明國內外旋風分離器研究國家共44 個，國家間的合作為53 次，如圖5 所示。

圖5 國家及其合作關系網絡

表5 使用WOS 數據統計了發文量排名前五的國家，本次納入中英文文獻共331 篇，其中國內發表文獻共159 篇，占比48.04%，美國發表文獻32 篇，占比9.67%，印度發表文獻28 篇，占比8.46%。中國對于旋風分離器的研究極為重視并且在該領域投入了大量的科研力量，科研能力強，研究成果眾多，在全球范圍內有著一定的影響力。

表5 不同國家的發文量

3 結論與啟示

近年來，旋風分離器的應用領域越來越廣泛，除了以上提及的催化裂化裝置的再生器，環境修復領域應用也較多，受到了越來越多的關注?；贑iteSpace 分析軟件，從文獻計量學的角度系統定量分析得出：旋風分離器是近五年該領域一直關注的重點，年發文量均超過99篇；孫耀東和孫國剛兩位老師是旋風分離器研究領域的核心作者，兩位老師帶領的團隊在旋風分離器研究領域有自己的獨到見解，研究水平處于國際領先地位；中國石油大學（北京）是旋風分離器研究的核心單位；國內對于旋風分離器的關注度高，發表的文獻數量位居第一，說明國內對于旋風分離器的研究和認知有一定的深度和廣度。

關鍵詞的出現頻次和聚類分析結果表明，旋風分離器近五年的研究重點是提高設備的分離效率。以數值模擬為主，實驗研究為輔，通過調控運行參數和優化結構參數，模擬設備內部流體流場，提高設備的分離效率，并通過實驗數據驗證和修正模型，提高模型的準確性和實用性。這將是今后的研究趨勢和發展方向。值得關注的是旋風分離器在大氣污染治理和土壤污染治理過程中的應用將是潛在的研究熱點。