楊偉輝，李宗哲，王黎望，陳邇文，李茜晨，馬 良

（1. 華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237；2. 四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065）

氣液分離是保證能源化工行業(yè)安全、高效、環(huán)保生產(chǎn)的十分重要的環(huán)節(jié)，如在天然氣行業(yè)中，通過氣液分離除去氣流中混有的液體，以滿足工藝操作和運輸方面的氣體凈化度的要求［1］；海水淡化中閃蒸蒸汽需要去除含鹽水滴，減少制備水鹽度［2］；石化工廠需要對排放的尾氣進行凈化，保護大氣環(huán)境［3］；工業(yè)生產(chǎn)中切割金屬采用油作為冷卻劑和潤滑劑時，霧化的油滴對工人的身體產(chǎn)生危害，可導致支氣管炎、哮喘等呼吸道疾病［4］。因此，在能源化工行業(yè)中，有效去除氣流中混有的液滴，對生產(chǎn)制造和環(huán)境保護有著十分重要的意義。氣液聚結分離是將液體顆粒物從氣流中過濾分離開的一種有效的氣液分離方法。含有液滴的氣流經(jīng)過聚結纖維時，氣體中的液滴與聚結纖維碰撞，當部分附著在聚結纖維上的兩個或者以上液滴，達到一定能量足以克服液體表面張力，相互接觸時即發(fā)生了聚結合并［5］。聚結合并的液滴沿著纖維向下流至兩根或多根纖維接觸處，在接觸處縫隙的毛細作用和液體表面張力的共同作用下，液滴將不再往下流，當接觸處聚結的液滴不斷增多，體積變得更大，達到一定程度時，便在重力的作用下從聚結纖維中滴落排出［6］。近年來，國內(nèi)外學者對氣液旋流分離進行了大量深入的研究，但是針對氣液聚結分離的研究相對較少，且大多是對實際應用的聚結纖維的歸納及改性［7］，國內(nèi)外相關的研究主要集中在操作參數(shù)對氣液聚結分離性能的影響和氣液分離性能的測試方法上。Patel等［8-10］在以玻璃纖維為主要材料的濾料中，以不同角度插入引流通道來研究它對氣液分離特性和阻力特性的影響。虢國成等［11］通過對絲網(wǎng)氣液分離器各項機理的分析，發(fā)現(xiàn)分離二相混合流液滴的效率在運用不同的分離方法時是不同的。Contal等［6］用電低壓沖擊器測量氣溶膠濃度，研究了玻璃微纖維過濾器的壓降（?p）和滲透率的變化，以及過濾速率對兩者的影響。劉佳霖等［12］通過用光學粒子計數(shù)器測量氣溶膠濃度，了解到濾芯材料和濾芯層數(shù)對氣液分離性能的影響。Wilcock等［13］提出了一個數(shù)學模型來定量預測絲網(wǎng)的出口濃度和液滴尺寸分布，該模型預測分離效率（η）會隨著進料混合物中的液滴尺寸和氣體速率的降低而減小。聚結分離的過濾性能取決于聚結纖維床層特性、流況條件和分離相性能，流況條件包括溫度、氣流速率（u）等；分離相性能指所分離液體顆粒物分布特性等；聚纖維床層特性包含纖維的材料種類、纖維尺寸、纖維表面潤濕性、聚結濾芯層數(shù)和填充密度等［9，14］。

本工作設計搭建一套氣液聚結分離性能的測試裝置來研究u、初始霧滴濃度對纖維聚結分離器的影響，為今后高效的氣液聚結分離裝置的優(yōu)化、最佳操作工藝的制定等提供實驗依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

以現(xiàn)場使用的氣液分離裝置為依據(jù)，設計并搭建了一套裝有聚結纖維濾芯的實驗裝置，主體由有機玻璃制成，便于直接觀測裝置內(nèi)部氣液分離的過程，該裝置主要包含分離系統(tǒng)、霧化系統(tǒng)、引風及測量系統(tǒng)3個部分。圖1為氣液聚結分離測試系統(tǒng)實驗裝置示意圖。由圖1可知，流量計和霧化系統(tǒng)位于分離系統(tǒng)的下游。氣液聚結分離的過程中，氣體流量通過引風系統(tǒng)控制保持預先設定的值。該裝置由離心式風機提供動力，形成氣體流動將霧化器產(chǎn)生的霧化的小液滴送入分離器，含液氣流由下向上通過分離器，絕大多數(shù)的液滴會被聚結纖維濾芯捕獲，聚結合并成較大的液滴，然后直接滴落，少量微小的沒有被捕獲的液滴會由上方排氣管逸出。

圖1 氣液聚結分離測試系統(tǒng)實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental device of the gas-liquid coalescence separation test system.

1.1.1 分離系統(tǒng)

分離系統(tǒng)由進氣口、排氣口和聚結纖維濾芯3個部分組成。該系統(tǒng)是內(nèi)徑為110 m，長為160 m的有機玻璃筒體，筒體下端是進氣口，在筒體的中部設有3根支撐梁，起到支撐聚結纖維濾芯的作用，筒體的上端是排氣口。本工作中涉及的聚結濾芯材質為聚四氟乙烯（PTFE）纖維。

1.1.2 霧化系統(tǒng)

采用超聲波霧化器產(chǎn)生霧氣，霧化系統(tǒng)包含霧化池、超聲波霧化器等。超聲波霧化器利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)的水分子結構打散從而產(chǎn)生極其微小的液滴，霧滴粒徑絕大多數(shù)在35 μm以下。霧化池中放置單頭額定功率30 W的超聲波霧化板，單頭霧化量為0.3 kg/h。霧化池為直徑400 mm、高度500 mm的筒體。霧化液相選用自來水（密度1000 kg/m3、黏度1.02 mPa·s、表面張力69 mN/m）。按照霧化器的使用要求，液位高度介于35～40 mm，按照初始液位高度40 mm，初始儲液量為5.026×10-3L。當液位低于35 mm時需及時補償液相。

1.1.3 引風及測量系統(tǒng)

采用正壓進行實驗，引風系統(tǒng)采用離心式風機，選用量程為0～60 m3/h的轉子流量計，通過風機后的支路閥門可調(diào)節(jié)進入霧化池的氣量。實驗裝置的?p通過U型管壓力計算測出，再利用馬爾文Mastersize200型激光粒度分析儀對進氣口的液滴粒徑分布狀態(tài)和濃度進行在線檢測［15］。圖2為霧化顆粒的粒徑分布。利用霧化顆粒體積中徑（d50）和霧化顆粒體積90%時的粒徑（d90）來描述霧滴粒徑［16］。由圖2可知，液相為水時，液滴粒徑范圍是0～75 μm，d50為22 μm，d90為43 μm。

圖2 霧化顆粒的粒徑分布Fig.2 Atomized particle size distribution.

在實驗裝置分離系統(tǒng)進氣口和排氣口對氣體含霧滴濃度進行測量。取樣裝置包含采樣泵、質量流量控制器、電子分析天平、玻璃纖維濾膜（直徑47 mm，對粒徑大于0.1 μm顆粒截留效率不低于99%）、過濾器采樣夾等。

1.2 氣液聚結實驗

本工作對u和初始霧滴濃度對聚結模塊的η、?p和品質因數(shù)（γ）的影響進行了研究。水為液相。u的測量點為0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3 m/s；PTFE纖維的聚結纖維濾芯厚度為50 mm，孔隙率0.928，開啟的霧化器數(shù)量分別為2，3，4個，對應的霧化速率為0.6，0.9，1.2 kg/h。實驗中，事先在霧化池中加入液相介質，打開超聲波霧化器和風機，等待5 min，使霧化池中充滿霧滴并充分潤濕聚結纖維濾芯。取出聚結纖維濾芯，調(diào)節(jié)風機后的支路閥門，用風速儀檢測分離系統(tǒng)入口（即聚結濾芯入口處）的風速，通過多次測量取平均值，得出u的測量點0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3 m/s所對應的轉子流量計的流量，用于后續(xù)實驗通過控制流量來改變?yōu)V芯入口的u。

通過改變u、初始霧滴濃度，對η、?p進行檢測。每隔5 min對相應檢測參數(shù)進行測量，每組數(shù)據(jù)檢測3次，取平均數(shù)，每組實驗進行3次。若出現(xiàn)較大誤差情況，則額外進行3次實驗，剔除誤差較大數(shù)據(jù)，最終測量結果取多次實驗的平均值。在分離系統(tǒng)入口和出口對氣體含霧滴濃度進行測試，根據(jù)文獻［17］，并結合實驗的情況，采用濕法等動取樣法［18］。因為筒體的截面是對稱的，取樣點設置在筒體截面的直徑方向1/6，1/3，1/2處，先稱取過濾器采樣夾和濾膜的總質量，采樣泵采樣前調(diào)節(jié)抽氣泵流速，使采樣口內(nèi)流速與管道內(nèi)一致。設定采樣時長，待系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定后，開啟采樣泵，經(jīng)過采樣時間后采樣泵自動停止，稱取過濾器采樣夾和濾膜的總質量，采用式（1）計算氣體含霧滴濃度。

式中，Q為氣體含霧滴濃度，g/m3；mwet為過濾器采樣夾和濾膜的濕態(tài)質量，g；mdry為過濾器采樣夾和濾膜的干態(tài)質量，g；A為采樣口截面積，m2；u為流速，m/s；T為采樣時間，s。

η采用式（2）計算。

式中，Qin，Qout分別為聚結濾芯分離前和分離后測得的氣體含霧滴濃度，g/m3。

在測得氣液η和?p后，采用γ來反映氣液聚結分離模塊的整體性能指標［19］，見式（3）。

2 結果與討論

2.1 u對η的影響

圖3為u對氣液聚結分離器η的影響。由圖3可知，在不同的初始霧滴濃度的條件下，隨著u的增加，η先顯著增大，再趨于穩(wěn)定（保持較高水平）。在u介于0.7～1.0 m/s時，η接近或達到最高，其中當霧化速率為1.2 kg/h時，η在u=0.9 m/s時達到最高，為97.8%。但在u超過1.0 m/s后，η呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。這是因為u過小時，夾帶在氣體中的霧滴呈漂浮態(tài)，與纖維碰撞幾率小，此時布朗擴散起主要作用。隨著u逐漸增大，攔截作用逐漸增加，碰撞機率增大，η急劇提高。而u過大時，聚集的液滴不容易降落，液滴充滿纖維形成水滴層，氣相的實際流速增大，部分霧滴被二次夾帶，影響了分離效果，所以η出現(xiàn)緩慢下降趨勢。

圖3 u對η的影響Fig.3 Effect of gas velocity(u) on separation efficiency(η).

2.2 u對?p的影響

圖4為u對氣液聚結分離器阻力特性的影響。由圖4可知，在不同的初始霧滴濃度的條件下，隨著u的增加，?p隨u增大逐漸增大，相關性接近正相關。出現(xiàn)這種情況的原因主要是當u較低時，分離器的壓力損失由霧滴布朗擴散產(chǎn)生。當u繼續(xù)增大時，壓力損失不僅由霧滴布朗擴散產(chǎn)生還由纖維攔截作用產(chǎn)生，使得氣體通過濾芯的阻力增加，因此?p呈升高趨勢。當u增大到一定值時，形成的霧滴二次夾帶會更加加劇阻力的增大，導致?p的增加?？v向對比發(fā)現(xiàn)，相同u時，霧化速率越大，即初始霧滴濃度越大?p越大。當霧化速率為1.2 kg/h時，u增大到1.3 m/s時，?p達到最大（78.4 Pa）。這是因為當霧滴濃度增大時，在相同時間內(nèi)，聚結纖維表面可接觸到更多的霧滴，這就加快了霧滴在纖維上的聚結速率，使得濾芯內(nèi)部存儲的液相增加，對穿過濾芯的氣流產(chǎn)生更大的阻力，導致聚結纖維前后的?p增大。

圖4 u對?p的影響Fig.4 Effect of u on pressure drop(?p).

2.3 u對γ的影響

已知在上述工況條件下的η和?p，通過式（3）求出對應的γ，得到該工況下u與γ的關系，見圖5。由圖5可知，聚結濾芯的γ呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律。在u低于0.3 m/s時，霧化速率為0.6 kg/h時聚結模塊的γ最高。這是由于當u較低時，霧化速率為0.6 kg/h時聚結模塊能夠達到相對其他模塊更高的η，并具有最低的壓力消耗。而當u>0.3 m/s后，霧化速率為0.9 kg/h時聚結模塊比霧化速率為0.6 kg/h時具有更高的η。雖然0.6 kg/h時聚結模塊?p更低，但更高的η使0.9 kg/h時聚結模塊能達到更大的γ。雖然霧化速率為1.2 kg/h時聚結模塊具有類似的η，但?p遠大于另兩個模塊，所以它的品質因素始終處于最低狀態(tài)。在u介于0.7 ～0.9 m/s時，3種不同霧化速率的條件下，纖維聚結模塊的γ都達到較高水平，代表此時聚結纖維模塊的整體性能較高，在滿足較高分離性能的同時，維持較小的?p，所需的動力消耗較低。特別的，當霧化速率為0.9 kg/h時，u為0.7 m/s和0.8 m/s時對應的γ較高，分別為0.0682，0.0681。同時發(fā)現(xiàn)，當u≥1.1 m/s時，霧化速率不同時聚結纖維模塊的γ非常接近，說明高u時初始霧滴濃度對纖維聚結模塊整體性能的影響很小?？v向對比發(fā)現(xiàn)，在γ均較高的u區(qū)間內(nèi)，不同霧化速率時的γ由大到小順序為γ0.9kg/h>γ0.6kg/h>γ1.2kg/h。

圖5 u對γ的影響Fig.5 Effect of u on quality factor(γ).

2.4 初始霧滴濃度對η的影響

圖6為初始霧滴濃度對聚結纖維模塊η的影響。

圖6 初始霧滴濃度對η的影響Fig.6 The influence of initial concentration of droplets on η.

由圖6可知，不同u時，霧化速率對纖維模塊η的影響是不同的。u在0.2～0.6 m/s和1.2～1.3 m/s范圍時，霧化速率對η的影響沒有明顯規(guī)律。當u在0.7～1.1 m/s范圍時，η均隨著霧化速率的增大先較快提高，然后有小幅度下降趨勢，且都保持在較高的水平。

3 結論

1）在不同的初始霧滴濃度的條件下，隨著u的增加，η先顯著增大，再趨于穩(wěn)定（保持較高水平）。在u介于0.7～1.0 m/s時，η接近或達到最高，其中當霧化速率為1.2 kg/h時，η在u=0.9 m/s時達到最高，為97.8%。

2）隨著u的增加，?p隨u增大逐漸增大，相關性接近正相關。當霧化速率為1.2 kg/h、u為1.3 m/s時，?p達到最大（78.4 Pa）。

3）并非在所有u范圍內(nèi)，初始霧滴濃度都會對η有明顯影響規(guī)律。當u范圍為0.7～1.1 m/s時，η均隨著霧化速率的增大先較快提高，然后有小幅度下降趨勢，且都保持在較高的水平。