周聞，鄂承林，李永祺，郭玉嬌，李子軒，盧春喜

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

引言

費(fèi)-托合成工藝是緩解石油短缺的重要技術(shù)途徑之一[1]。由費(fèi)-托合成反應(yīng)器生成的烴類(lèi)混合物經(jīng)過(guò)換熱后，受溫度壓力變化的影響，重質(zhì)烴類(lèi)會(huì)以液滴的形態(tài)析出并游離在氣態(tài)輕質(zhì)烴中，形成環(huán)狀流或霧狀流的氣液兩相混合流動(dòng)形態(tài)[2-3]。下游的氣液分離器需要完成對(duì)上述氣液混合物的精細(xì)分離，精準(zhǔn)分割輕質(zhì)烴和重質(zhì)烴產(chǎn)品。對(duì)氣液兩相混合物中液滴的粒徑特征，通常采用Sauter 平均粒徑(SMD)來(lái)進(jìn)行描述。通常費(fèi)-托合成工藝所需分離的氣液混合物中液滴SMD 約為20～30 μm，液滴的濃度約為50～100 g/m3。面對(duì)嚴(yán)苛的分離要求，Zhou 等[4]開(kāi)發(fā)了一種新型多旋臂式氣液分離器。主要利用離心分離原理對(duì)氣液兩相進(jìn)行分離，在前期工作中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)分離器的性能基本滿足分離要求，但依舊存在上行氣速快，液滴夾帶量大等問(wèn)題，初步判斷是因入口結(jié)構(gòu)引起的。

采用離心分離原理分離器的入口結(jié)構(gòu)是分離器最重要的組成部件之一[5-6]。入口結(jié)構(gòu)可迫使混合相在分離器筒體內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而完成分離。Xiong 等[7]發(fā)現(xiàn)在軸流式旋流分離器的入口結(jié)構(gòu)上增設(shè)窄縫后，可以提高分離器的分離性能。Ali 等[8]在一個(gè)大型的組合式分離器中同時(shí)設(shè)置了入口分配器和多組旋流葉片作為入口結(jié)構(gòu)用以增強(qiáng)分離性能。Fu 等[9]在切流反轉(zhuǎn)式旋風(fēng)分離器的入口前設(shè)置一組輔助結(jié)構(gòu)，顆粒在該結(jié)構(gòu)的作用下按照粒徑大小重新分配，有序地進(jìn)入分離器主體完成離心運(yùn)動(dòng)，從而提高分離器的分離性能。楊維旺等[10]發(fā)現(xiàn)在軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器中增大入口葉片圈數(shù)可使分離效率總體增大，但同時(shí)壓降也相應(yīng)增大。Tang等[11]在分離器入口設(shè)置了二組導(dǎo)流式葉片用于分離CO2與水。羅小明等[12]發(fā)現(xiàn)減小導(dǎo)流葉片出口角可以增加軸流式氣液分離器的分離效率。

在離心分離器中，液滴的粒徑分布是分離器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一[13-14]。然而在氣液分離體系中，液滴很難在氣流中保持自身的完整性，存在破碎或聚結(jié)，粒徑分布通常在液滴運(yùn)動(dòng)中會(huì)發(fā)生變化[15-16]。雖然一般用于霧化液滴的噴嘴性能是容易測(cè)量的，但在管路中實(shí)際液滴群的粒徑分布測(cè)量難度大，給分離器的設(shè)計(jì)和理論分析帶來(lái)挑戰(zhàn)[17-18]。Ma 等[19-21]在分離器的進(jìn)出口的穩(wěn)定區(qū)域?qū)⒐苈分械幕旌舷嘁鲋量諝庵校酶咚贁z像機(jī)拍攝液滴群，而后通過(guò)圖像處理軟件完成對(duì)粒徑分布的測(cè)量。Song等[22]利用等動(dòng)采樣的原理將分離器出入口的液滴引出至Promo 3000 粒度測(cè)量設(shè)備，對(duì)液滴的粒徑分布進(jìn)行測(cè)試。然而，管路中的液滴在引出測(cè)量過(guò)程中，受取樣管管壁的作用，有可能使被測(cè)液滴的粒徑分布進(jìn)行二次分配，這種測(cè)量方式給液滴粒徑分布的測(cè)量帶來(lái)了不可避免的誤差。李東芳等[23]使用Winner 318B 噴霧激光粒度儀在線對(duì)分離器入口透明管路中的液滴粒徑進(jìn)行測(cè)量，這種在線非引出式的方法可以降低粒徑測(cè)量的誤差。但是在此方法中，測(cè)量光線在經(jīng)過(guò)有機(jī)玻璃圓管后會(huì)發(fā)生折射，當(dāng)測(cè)試管徑較大、管壁較厚時(shí)，測(cè)量光路的偏折會(huì)對(duì)液滴粒徑的測(cè)試引起誤差。

在前期實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變?nèi)肟谥惫芏蔚拈L(zhǎng)度和旋流臂的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了新型多旋臂氣液分離器入口結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計(jì)了一種液滴粒徑在線測(cè)試的新方法，通過(guò)馬爾文Spraytec 粒度儀實(shí)時(shí)測(cè)試液滴群流經(jīng)入口旋流頭的粒徑變化特征，旨在掌握入口旋流頭的預(yù)分離特性，為后續(xù)混合相離心分離模型的建立提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

新型多旋臂氣液旋流分離器入口旋流頭的相關(guān)實(shí)驗(yàn)在大型冷模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置及流程如圖1 所示，圖中H表示測(cè)量截面與噴嘴所處截面的距離，D表示入口管內(nèi)徑。分離器筒體部分采用有機(jī)玻璃制成，筒體直徑為500 mm。分離器的入口結(jié)構(gòu)命名為旋流頭，它是由304不銹鋼制成，旋流頭包括入口直管段和4個(gè)旋流臂。入口直管段直徑D為283 mm，每個(gè)旋流臂的出口尺寸均為192 mm×64 mm。氣液分離實(shí)驗(yàn)氣相主體使用常溫常壓狀態(tài)的空氣。實(shí)驗(yàn)中用于生成微小霧滴的霧化噴嘴采用東莞市長(zhǎng)原噴霧技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ADG-SV980超聲波霧化噴嘴，該超聲波霧化噴嘴類(lèi)型為流體力學(xué)式霧化噴嘴。噴嘴口噴出的高速氣流的沖力激發(fā)噴嘴前段的共振腔體振動(dòng)，從而產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲波，在液體流經(jīng)區(qū)域提供氣體聲振動(dòng)，使液體霧化。實(shí)驗(yàn)選擇自來(lái)水作為液體物料，雖然水易蒸發(fā)且物性參數(shù)與工業(yè)原料有所差別，但是以水作為原料所做的相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)際工業(yè)同樣具有重要參考價(jià)值[24]。根據(jù)費(fèi)-托合成工藝中液滴濃度范圍，設(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)液量。受?chē)娮煺９ぷ鲿r(shí)液體流量和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流量的限制，此次試驗(yàn)須采用8 個(gè)相同的噴嘴。噴嘴所用的壓縮氣和水均經(jīng)緩沖罐后分別流入8個(gè)噴嘴。這些噴嘴在入口直管段穩(wěn)定區(qū)域的同一截面沿周向均布。為了使液滴與氣流混合更均勻，噴嘴斜向下方傾斜20°設(shè)置。

圖1 多旋臂氣液旋流分離器實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)采用正壓操作，即利用鼓風(fēng)機(jī)提供主風(fēng)，在調(diào)節(jié)閥和放空閥共同調(diào)節(jié)下，氣體經(jīng)過(guò)渦街流量計(jì)計(jì)量后與液滴充分混合，共同進(jìn)入旋流頭。受到旋流臂對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑的限制作用，混合相在經(jīng)過(guò)旋流臂進(jìn)入筒體后做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繼而利用離心原理完成氣液兩相分離。液滴被分離后由底部的收集罐A收集，收集質(zhì)量流率為mA(kg/h)，氣體由上部設(shè)置的水平排氣管排空。當(dāng)單獨(dú)測(cè)試旋流頭的分離特性時(shí)，去掉外部的筒體，其余部件不變化，如圖1所示。此時(shí)，氣體經(jīng)過(guò)渦街流量計(jì)后攜帶液滴進(jìn)入旋流頭，而后它們共同排空。被旋流頭分離下來(lái)的液滴會(huì)呈水流狀，滴落在下方直徑為800 mm 的漏斗中，并由收集罐B完成收集，收集質(zhì)量流率為mB(kg/h)。mA和mB的測(cè)量方法相同，即在設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后，分別利用秒表和電子秤計(jì)量時(shí)間t(h)內(nèi)收集的液體質(zhì)量G(kg)，則收集質(zhì)量速率可由式(1)進(jìn)行計(jì)算

蒸發(fā)的水量me(kg/h)由出入口的溫濕度計(jì)測(cè)量并計(jì)算得出[4]。在確定進(jìn)液質(zhì)量流率mL(kg/h)后，其中總分離效率Et的計(jì)算公式為

旋流頭的分離效率Ev的計(jì)算公式為

設(shè)備壓降由高精度數(shù)顯壓差計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，壓差計(jì)量程為10 kPa，精度為0.3%滿量程(25℃)。在噴嘴下方500 mm 的入口直管段中心設(shè)置一個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在旋臂出口中心處和排氣管中心處分別設(shè)置一個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)，它們與入口直管段中的壓力差表示旋流頭的壓降和設(shè)備總壓降。

氣速作為分離器的重要操作參數(shù)之一，在本實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)固定，為了敘述方便，均以旋流臂出口對(duì)應(yīng)氣量下的速度值作為代表。

本實(shí)驗(yàn)利用馬爾文Spraytec 粒度儀來(lái)在線測(cè)試液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的粒徑分布特征。粒度儀采用激光衍射法和完全米氏光散射理論，對(duì)光路上的液滴進(jìn)行粒度分布測(cè)量。使用這種測(cè)量原理可以對(duì)實(shí)驗(yàn)管路中液滴粒徑信息進(jìn)行非引出式測(cè)量，最大限度地保證了液滴粒徑測(cè)量的準(zhǔn)確性。粒度儀的測(cè)量范圍是0.1～1000 μm，精確度為0.01 μm。

因本實(shí)驗(yàn)管路中采用正壓操作且管內(nèi)液滴濃度大，在管路上開(kāi)貫穿孔或在管路上安裝平行鏡片等常規(guī)測(cè)量方式無(wú)法適用本裝置。為了更準(zhǔn)確的描述液滴群在管路中運(yùn)動(dòng)時(shí)的粒徑信息，將旋流頭各測(cè)量截面整體截?cái)啵够旌舷嘣诹鹘?jīng)測(cè)量截面后直接經(jīng)過(guò)粒度儀完成測(cè)量，如圖2 所示（H、D同圖1）。當(dāng)測(cè)量光線貼近測(cè)量截面時(shí)，其在空氣中所測(cè)粒徑信息就可以代表液滴群在管內(nèi)呈現(xiàn)的粒徑信息。面對(duì)復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境，這種將管內(nèi)混合相全部引出至空氣中的測(cè)量方式，突破了傳統(tǒng)意義的“非介入式測(cè)量”，既不干擾混合相在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式，又最大限度地保證了液滴粒徑的分布信息。實(shí)驗(yàn)在入口直管段部分設(shè)置了4 個(gè)測(cè)量截面，分別為H/D=2.47，4.95，6.71和8.48，在旋流臂的中心位置設(shè)置了1個(gè)測(cè)量截面。其中H/D=8.48的位置是入口直管段的末端，即與旋流臂相接處的直管段位置。

圖2 旋流頭內(nèi)液滴粒徑測(cè)點(diǎn)截面圖Fig.2 Droplet size distribution measuring points in vortex head

1.2 液滴的初始粒徑分布

液滴的初始粒徑分布是指經(jīng)過(guò)噴嘴的霧化作用，液滴在空氣中自然形成的液滴粒徑分布。為了避免因各個(gè)噴嘴進(jìn)液或進(jìn)氣不均導(dǎo)致液滴初始粒徑相差較大，影響后續(xù)分離實(shí)驗(yàn)，需要在預(yù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)比各個(gè)噴嘴的霧化性能。

預(yù)實(shí)驗(yàn)中，在總進(jìn)液量為174.7 kg/h 的操作條件下，分別對(duì)8個(gè)噴嘴在空氣中進(jìn)行粒度分布測(cè)試，測(cè)試位置為距離噴嘴水平距離200 mm處。各個(gè)噴嘴的SMD 如圖3所示，這8個(gè)噴嘴的平均粒徑為28.8 μm，標(biāo)準(zhǔn)差僅為2.8 μm，噴嘴的總體霧化性能差異不明顯。

圖3 各個(gè)噴嘴的SMDFig.3 The SMD of nozzles

為了更細(xì)致地考察噴嘴的霧化性能，預(yù)實(shí)驗(yàn)還考察了各個(gè)噴嘴產(chǎn)生液滴的粒徑分布規(guī)律。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這些噴嘴的粒徑分布規(guī)律相似，以6號(hào)噴嘴為例，粒徑分布規(guī)律如圖4 所示。以體積占比作為衡量指標(biāo)，液滴的初始粒徑分布類(lèi)似正態(tài)分布，符合氣液分離實(shí)驗(yàn)的進(jìn)液要求。

圖4 噴嘴處液滴的粒徑分布規(guī)律Fig.4 Droplet size distribution at nozzles

2 結(jié)果與討論

2.1 入口管直管段內(nèi)液滴的粒徑分布

水由噴嘴霧化后形成液滴進(jìn)入入口直管段后與主風(fēng)混合，混合過(guò)程中液滴與氣流間的速度差會(huì)對(duì)液滴產(chǎn)生剪切作用，使液滴發(fā)生形變直至破碎分裂成更小的液滴[25]。與此同時(shí)，在直管段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受管壁邊壁效應(yīng)影響，液滴在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)在管壁上形成一層薄液膜[26]。然而高速氣流會(huì)對(duì)液膜產(chǎn)生剪切作用，液膜發(fā)生破碎，產(chǎn)生大液滴游離在管內(nèi)。因此在入口直管段內(nèi)的液滴粒徑分布必將重新分布。掌握在直管段中的液滴粒徑分布的變化規(guī)律可為后續(xù)的分離實(shí)驗(yàn)提供重要的參考。

入口直管段內(nèi)的SMD隨運(yùn)動(dòng)距離的變化規(guī)律如圖5 所示。H/D=0 表示液滴的初始粒徑。由圖5 可知，在主風(fēng)氣流與初始液滴的混合過(guò)程中，氣液兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用顯著，剪切效應(yīng)作為液滴粒徑變化的主要因素。大部分液滴在與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中被剪切破碎成小液滴，SMD 大幅度下降，降幅為40.4%。而后在入口直管段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液滴SMD 隨著運(yùn)動(dòng)距離的增長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，但變化微弱。這是由于液滴被加速后，在跟隨氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，它們之間幾乎不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，氣流的剪切作用未發(fā)揮明顯作用。液滴在直管段運(yùn)動(dòng)時(shí)，邊壁效應(yīng)會(huì)使一部分液滴在管壁發(fā)生聚集，且液滴在管中運(yùn)動(dòng)路徑越長(zhǎng)，這種聚集作用就越明顯。因邊壁效應(yīng)聚集的大液滴在管壁上形成薄的液膜，高速氣流會(huì)對(duì)液膜發(fā)生剪切作用，將一部分液體以大液滴的形式從液膜中剝離出來(lái)，而后大液滴重新被氣流分散成小液滴在管中運(yùn)動(dòng)，從而完成對(duì)液滴粒徑的重新分布。因此混合相在入口直管段中穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)后，剪切效應(yīng)與邊壁效應(yīng)會(huì)共同作用在液滴上，使液滴粒徑呈動(dòng)態(tài)變化，且隨著運(yùn)動(dòng)距離的增大，SMD呈增大趨勢(shì)，但增大程度在H/D=2.47～8.48區(qū)間內(nèi)比較微弱，增幅僅為1.8%。

圖5 入口直管段的液滴SMD變化規(guī)律Fig.5 Variation of SMD in straight inlet pipe

對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的液滴粒徑分布情況進(jìn)行測(cè)量，如圖6 所示。液滴在直管段中初加速時(shí)，粒徑小于20 μm 的小液滴明顯增多，粒徑超過(guò)200 μm 的大液滴在剪切效應(yīng)的影響下幾乎消失。直管段內(nèi)的粒徑分布與液滴初始粒徑分布相似，均為類(lèi)正態(tài)分布。在入口直管段中，隨著運(yùn)動(dòng)距離的增長(zhǎng)，液滴的粒徑分布規(guī)律幾乎未發(fā)生變化，這表示混合相在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定。也可以說(shuō)，混合相在一定長(zhǎng)度的垂直直管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液相可保持自身的特征性質(zhì)不變。

圖6 不同位置處的粒徑分布變化規(guī)律Fig.6 Variation of particle size distribution at different positions

在H/D=8.48 位置處，考察了氣速對(duì)液滴粒徑分布的影響規(guī)律。在描述液滴的粒徑時(shí)，除了SMD 能夠宏觀展現(xiàn)液滴群的特征外，D10、D50和D90三個(gè)粒徑指標(biāo)可以更詳細(xì)的展示液滴群的特點(diǎn)。它們的物理意義分別為，累計(jì)粒度分布分?jǐn)?shù)達(dá)到液滴群體積的10%、50%和90%時(shí)所對(duì)應(yīng)的粒徑值。也可以認(rèn)為，它們分別對(duì)應(yīng)著整個(gè)液滴群中的小、中和大液滴粒徑的含量。

在一段時(shí)間內(nèi)，固定進(jìn)液量，均勻的調(diào)整氣速，利用粒度儀持續(xù)記錄液滴粒徑群的信息，記錄頻率為1 Hz。如圖7 所示，圖中虛線旁標(biāo)注的數(shù)字為所在時(shí)刻的氣速。由圖7可知，當(dāng)液體量一定，隨著氣速的增大，SMD 直徑逐漸降低。D10反映了小粒徑的液滴特征，它隨著氣速的增大呈下降的趨勢(shì)，氣速在10.17 m/s 增加至20.34 m/s 過(guò)程中，D10由9.5 μm變化至8.2 μm，變化幅度為13.6%。D50反映了中粒徑的液滴，變化降幅約為12%。D90先隨著氣速的增加逐漸降低，然后呈上升趨勢(shì)。當(dāng)氣速逐漸升高過(guò)程中，剪切效應(yīng)首先作為影響粒徑分布的主導(dǎo)因素，使液滴破碎情況明顯，大液滴粉碎顯著。在氣速12.43～16.95 m/s 中，D90變化不大，邊壁效應(yīng)和剪切作用達(dá)到平衡。而后氣速再增大時(shí)，更多的液滴受邊壁效應(yīng)影響，形成更多的大液滴，此時(shí)邊壁效應(yīng)成為影響粒徑的主導(dǎo)因素。

圖7 不同氣速下入口直管段末端液滴的粒徑變化規(guī)律Fig.7 Variation of droplet size at the end of straight inlet pipe at different gas velocities

2.2 經(jīng)旋流臂后的液滴粒徑分布

四個(gè)下傾的旋流臂周向均勻設(shè)置在入口直管段的末端，它們主要的作用是強(qiáng)制將混合相由垂直向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛳路较虻男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使后續(xù)混合相可以在筒體內(nèi)做離心運(yùn)動(dòng)從而完成分離?；旌舷嗔鹘?jīng)旋流臂后，受到旋流臂的限制作用，氣流方向會(huì)發(fā)生明顯改變，此時(shí)液滴受慣性作用會(huì)形成部分分離，并且在劇烈的氣流變化中，液滴會(huì)改變其自身形態(tài)，或聚合，或破碎。液滴的粒徑分布情況相較于在入口直管段時(shí)，也會(huì)發(fā)生一些變化。掌握流經(jīng)旋流臂后的液滴粒徑分布規(guī)律，可對(duì)后續(xù)在筒體內(nèi)發(fā)生的離心分離理論分析提供參考。

混合相經(jīng)旋流臂向空氣中噴出，此時(shí)液滴飛濺情況明顯，因此只在正對(duì)旋臂出口中心方向200 mm處，粒度儀測(cè)量光路水平放置。對(duì)經(jīng)旋流臂噴出的液滴進(jìn)行粒度測(cè)試，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，混合相經(jīng)旋流臂噴射出來(lái)的路徑是與氣速密切相關(guān)的，氣速越大，混合相噴射方向更接近水平；氣速越小，混合相噴射方向向下傾斜的角度越大，如圖8所示。圖8中紅色光路為粒度儀的實(shí)際測(cè)量光路，粉紅色虛線所夾區(qū)域?yàn)橛^測(cè)到的高氣速下混合相運(yùn)動(dòng)的區(qū)域；藍(lán)色虛線所夾區(qū)域?yàn)橛^測(cè)到的低氣速下混合相的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。在高氣速下，測(cè)量光路所處位置約在路徑中心以下的部分；在低氣速下，測(cè)量光路經(jīng)過(guò)粒徑中心以上的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)還觀測(cè)到靠近液滴噴射面上方液滴濃度較稀，呈“霧蒙蒙”狀；靠近液滴噴射面下方的液滴粒徑較大且濃度較高。同時(shí)一部分水流會(huì)從旋流臂下沿流出。

圖8 旋流臂粒徑分布測(cè)試圖Fig.8 Schematic diagram of measuring points at vortex arm

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在不同氣速下，經(jīng)旋流臂噴出液滴群的相關(guān)表征信息，如圖9 所示。從圖9 中可以發(fā)現(xiàn)氣速為13.56 m/s 是液滴粒徑變化的特征氣速。最明顯的變化就是在高于特征氣速時(shí)，D90所代表的大液滴粒徑含量急劇增高，這也是使SMD 在特征氣速之后增大的原因。當(dāng)氣速小于特征氣速時(shí)，SMD值基本不變，D10呈增大趨勢(shì)，D50呈下降趨勢(shì)，但二者變化較小。且D90幾乎不變，只是在稍高氣速時(shí)，D90波動(dòng)稍顯劇烈。當(dāng)氣速高于特征氣速后，且在逐漸增大的過(guò)程中，液滴群的粒徑表征信息基本不發(fā)生變化。

圖9 不同氣速下經(jīng)旋流臂后液滴的變化規(guī)律Fig.9 Variation of droplets passing through vortex arms at different gas velocities

實(shí)驗(yàn)還考察了液滴群在旋流臂的前端即入口直管段的末端的粒徑分布特征規(guī)律。結(jié)合上述液滴粒徑在高氣速下和低氣速下呈現(xiàn)不同的規(guī)律，分別考察了高低兩個(gè)代表性氣速下液滴粒徑分布情況，如圖10 所示。在不同氣速范圍內(nèi)，在旋流臂前端，粒徑分布規(guī)律相似，結(jié)合前文在入口直管段末端的討論，可以認(rèn)為二者的分布狀態(tài)是一致的，只是數(shù)值上略有差別。在旋流臂末端，發(fā)現(xiàn)了不同的分布規(guī)律。在高氣速下，旋流臂末端出現(xiàn)了雙峰，且第二個(gè)峰粒徑數(shù)值較大，約為600 μm，這與圖9中D90所呈現(xiàn)的規(guī)律相似。同時(shí)，第一個(gè)峰形與旋流臂前端峰形相似，只不過(guò)體積分率降低，一方面是由于受到慣性分離的影響，已有部分液滴形成水流從旋流臂流出；另一方面，液滴群中混有大量的大粒徑液滴，使小粒徑液滴體積占比降低。然而在低氣速下，流經(jīng)旋流臂的液滴粒徑分布只出現(xiàn)單峰，峰形與旋流臂前端相似，且液滴濃度明顯升高。在高氣速下能夠發(fā)現(xiàn)雙峰，即表示在高氣速下，雖然氣流轉(zhuǎn)折時(shí)強(qiáng)烈的剪切力會(huì)使液滴發(fā)生破碎，但受旋流臂的限制影響，液滴也會(huì)發(fā)生聚集，一部分小液滴會(huì)形成大液滴游離在混合相中。由此推測(cè)，在低氣速下，氣流轉(zhuǎn)折時(shí)剪切力更小，使液滴破碎的概率更小，而旋流臂對(duì)混合相發(fā)揮同樣的限制效果，此時(shí)也應(yīng)會(huì)有一部分小液滴在旋流臂的作用下聚集形成大液滴，形成雙峰特征。那么在低氣速下，旋流臂的末端也應(yīng)呈現(xiàn)雙峰特征，并且第一個(gè)峰的體積分率降低。也就是說(shuō)，在低氣速下，代表大液滴的第二個(gè)峰雖然形成了，但是受測(cè)量位置影響而未被檢測(cè)到，這也是在低氣速下經(jīng)旋流臂后液體粒徑分布形成單峰特征的原因。

圖10 液滴群在旋流臂前端和末端的粒徑分布Fig.10 Particle size distribution of droplets in front and end of vortex arm

根據(jù)以上分析，結(jié)合圖8 管路的實(shí)際測(cè)量位置及上述所得的粒徑信息，對(duì)旋流臂末端液滴群的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行推測(cè)，如圖11所示。圖中灰色區(qū)域?yàn)樾鄢隹?，紅色線段為測(cè)量光路，它相對(duì)于旋流臂出口位置固定。

圖11展示了在不同氣速下，流經(jīng)旋流臂后的液滴群均會(huì)形成以下三種特征。

圖11 旋流臂末端不同氣速下的液滴群特征Fig.11 Droplet characteristics at different gas velocities in the end of vortex arm

(1)在旋流臂的限制作用下，液滴受慣性分離影響匯聚成小水流，從旋臂的下沿流出，且氣速越大，小水流噴射的角度越接近水平。

(2)在旋流臂的上方區(qū)域，液滴群會(huì)保持入口直管段中的液滴粒徑分布不變，但體積分率有所降低。

(3)在旋流臂的下方區(qū)域，部分小液滴會(huì)聚集形成大液滴游離在混合相之中，且這些大液滴只在路徑的中下方出現(xiàn)。

只有當(dāng)流經(jīng)旋臂后的液滴群具有以上的分布特征時(shí)，才能觀測(cè)到圖9 和圖10 展示的測(cè)量規(guī)律。即：低氣速時(shí)，旋流臂末端會(huì)形成大粒徑分布，只是由于混合相噴射角度向下傾斜，大粒徑分布更靠近運(yùn)動(dòng)區(qū)域的下方，沒(méi)有被測(cè)量光路檢測(cè)到，此時(shí)測(cè)量光路測(cè)量的是在運(yùn)動(dòng)區(qū)域的上方，即經(jīng)過(guò)旋流臂上方流出的液滴群。此時(shí)小粒徑液滴作為主體，無(wú)大液滴的影響，相對(duì)的體積占比就會(huì)比旋流臂前端處高。在高氣速下，液滴的流動(dòng)更接近水平噴射，此時(shí)形成的大粒徑分布就會(huì)出現(xiàn)在光路中，從而被檢測(cè)出雙峰特征。也就是說(shuō)上文所提到的特征氣速13.56 m/s 可能是聚集形成的大粒徑液滴通過(guò)測(cè)量光路處的臨界氣速。

由于液滴在流經(jīng)旋流臂后，液滴粒徑分布形成雙峰，分布規(guī)律發(fā)生明顯改變。因大粒徑的存在會(huì)提升整個(gè)液滴群的SMD 值，并且大粒徑的粒徑值均超過(guò)100 μm，它們?cè)诤罄m(xù)的離心分離過(guò)程會(huì)非常容易被分離。因此小液滴的粒徑分布依舊是后續(xù)離心分離的關(guān)注對(duì)象。同時(shí)旋流臂中心以上部分流出的均是粒徑小的液滴，它們非常容易發(fā)生夾帶逃逸，這也應(yīng)該是后續(xù)分離中需要重點(diǎn)關(guān)注的部分。

2.3 入口結(jié)構(gòu)的氣液分離性能

實(shí)驗(yàn)從壓降和分離效率的角度在不同的操作條件下對(duì)旋流頭的預(yù)分離性能進(jìn)行了考察。圖12呈現(xiàn)旋流頭壓降和設(shè)備總壓降，隨著氣速的增大，發(fā)現(xiàn)壓降均有所增加，分離器的總阻力系數(shù)約為8.2，旋流頭壓降占比僅約3.2%～8.4%，且氣速越高，旋流頭壓降占比越小。常規(guī)旋風(fēng)分離器的阻力系數(shù)一般在10～20 之間[27]。一方面說(shuō)明入口結(jié)構(gòu)耗能較少，另一方面也說(shuō)明入口結(jié)構(gòu)壓降對(duì)分離器總壓降的影響不顯著。

圖12 旋流頭壓降和設(shè)備總壓降Fig.12 Pressure drop of vortex head and total

根據(jù)圖11所示的旋流臂末端液滴分布特征，旋流臂的預(yù)分離量指的是沿旋流臂下沿流出的水流量。圖13呈現(xiàn)了旋流頭和分離器總分離效率規(guī)律。隨著氣速的增加，總分離效率呈降低趨勢(shì)，但降幅微弱；旋流頭的預(yù)分離效率逐漸降低，占比約為42.8%～62.5%。雖然在慣性分離原理中，在轉(zhuǎn)折處混合相相對(duì)速度差異越大越容易分離，但是在氣液分離體系中，還應(yīng)考慮到液滴的形變問(wèn)題。當(dāng)氣速越大，氣流的剪切力也越大，不僅會(huì)作用在液滴本身，還會(huì)對(duì)已經(jīng)先聚結(jié)的液膜進(jìn)行撕裂，使呈水流狀態(tài)部分的水量減少，降低旋流頭的分離效率。同時(shí)液滴撞擊在旋流臂壁面的動(dòng)能越大，液滴破碎、彈濺的概率越大。當(dāng)液滴從液膜中剝離后，就會(huì)跟隨氣流共同進(jìn)入筒體內(nèi)部參與離心分離。

圖13 旋流頭和分離器的分離效率Fig.13 Separation efficiency of vortex head and total

在氣速增大過(guò)程中，慣性分離效率降低，離心分離效率增大，但總分離效率基本保持不變。進(jìn)一步說(shuō)明了入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，它不僅能夠迫使混合相發(fā)生旋轉(zhuǎn)，為混合相提供離心分離環(huán)境，所提供的慣性分離也能協(xié)同后續(xù)的離心分離，使分離器在寬氣速條件范圍內(nèi)依舊可以保持高水平的分離效果。

3 結(jié)論

入口結(jié)構(gòu)旋流頭是新型多旋臂氣液分離器的重要組件之一。通過(guò)大型冷模實(shí)驗(yàn)，測(cè)量液滴群在旋流頭中運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)粒徑分布，結(jié)合旋流頭的預(yù)分離性能，詳細(xì)地考察了入口旋流頭結(jié)構(gòu)各部位對(duì)混合相液滴群粒徑分布的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)初始液滴在進(jìn)入高速氣流的直管段后，粒徑會(huì)迅速重新分布，重新分布后的液滴粒徑分布呈類(lèi)正態(tài)分布，SMD 為16.8 μm。粒徑小于10 μm 的液滴大量增多，超過(guò)200 μm的液滴幾乎消失。

(2)液滴在剪切效應(yīng)和邊壁效應(yīng)的共同影響下，在H/D=2.47～8.48 長(zhǎng)度間的入口直管段運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，SMD 雖呈增大趨勢(shì)，但增幅微弱。在入口直管段末端，液滴粒徑分布和氣速密切相關(guān)。當(dāng)氣速超過(guò)16.95 m/s 后，D90增大明顯，從而使液滴群的SMD略有增大。

(3)液滴流經(jīng)旋流臂后，在慣性分離的作用機(jī)制下，液滴預(yù)分離后形成水流從旋流臂下沿流出?；旌舷嘀械囊旱稳毫綍?huì)重新分布，形成雙峰特征，旋流臂對(duì)液滴的聚結(jié)效果明顯。大粒徑液滴集中分布在旋流臂出口的下方區(qū)域，旋流臂出口的上方區(qū)域僅有小粒徑液滴，有可能在后續(xù)的離心分離過(guò)程中直接逃逸。

(4)旋流頭的壓降占比為3.2%～8.4%，分離效率占比為42.8%～62.5%。隨著氣速增大，旋流頭分離效率逐漸降低?；旌舷嘣谕ㄟ^(guò)旋流頭后可進(jìn)行離心分離，總分離效率滿足分離要求。入口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不僅可以為混合相創(chuàng)造強(qiáng)旋流的初始分離環(huán)境，同時(shí)也可利用自身結(jié)構(gòu)對(duì)混合相進(jìn)行預(yù)分離。