聚结分离器气液分离性能的实验研究

杨伟辉，李宗哲，王黎望，陈迩文，李茜晨，马 良

（1. 华东理工大学 机械与动力工程学院，上海 200237；2. 四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065）

气液分离是保证能源化工行业安全、高效、环保生产的十分重要的环节，如在天然气行业中，通过气液分离除去气流中混有的液体，以满足工艺操作和运输方面的气体净化度的要求［1］；海水淡化中闪蒸蒸汽需要去除含盐水滴，减少制备水盐度［2］；石化工厂需要对排放的尾气进行净化，保护大气环境［3］；工业生产中切割金属采用油作为冷却剂和润滑剂时，雾化的油滴对工人的身体产生危害，可导致支气管炎、哮喘等呼吸道疾病［4］。因此，在能源化工行业中，有效去除气流中混有的液滴，对生产制造和环境保护有着十分重要的意义。气液聚结分离是将液体颗粒物从气流中过滤分离开的一种有效的气液分离方法。含有液滴的气流经过聚结纤维时，气体中的液滴与聚结纤维碰撞，当部分附着在聚结纤维上的两个或者以上液滴，达到一定能量足以克服液体表面张力，相互接触时即发生了聚结合并［5］。聚结合并的液滴沿着纤维向下流至两根或多根纤维接触处，在接触处缝隙的毛细作用和液体表面张力的共同作用下，液滴将不再往下流，当接触处聚结的液滴不断增多，体积变得更大，达到一定程度时，便在重力的作用下从聚结纤维中滴落排出［6］。近年来，国内外学者对气液旋流分离进行了大量深入的研究，但是针对气液聚结分离的研究相对较少，且大多是对实际应用的聚结纤维的归纳及改性［7］，国内外相关的研究主要集中在操作参数对气液聚结分离性能的影响和气液分离性能的测试方法上。Patel等［8-10］在以玻璃纤维为主要材料的滤料中，以不同角度插入引流通道来研究它对气液分离特性和阻力特性的影响。虢国成等［11］通过对丝网气液分离器各项机理的分析，发现分离二相混合流液滴的效率在运用不同的分离方法时是不同的。Contal等［6］用电低压冲击器测量气溶胶浓度，研究了玻璃微纤维过滤器的压降（∆p）和渗透率的变化，以及过滤速率对两者的影响。刘佳霖等［12］通过用光学粒子计数器测量气溶胶浓度，了解到滤芯材料和滤芯层数对气液分离性能的影响。Wilcock等［13］提出了一个数学模型来定量预测丝网的出口浓度和液滴尺寸分布，该模型预测分离效率（η）会随着进料混合物中的液滴尺寸和气体速率的降低而减小。聚结分离的过滤性能取决于聚结纤维床层特性、流况条件和分离相性能，流况条件包括温度、气流速率（u）等；分离相性能指所分离液体颗粒物分布特性等；聚纤维床层特性包含纤维的材料种类、纤维尺寸、纤维表面润湿性、聚结滤芯层数和填充密度等［9，14］。

本工作设计搭建一套气液聚结分离性能的测试装置来研究u、初始雾滴浓度对纤维聚结分离器的影响，为今后高效的气液聚结分离装置的优化、最佳操作工艺的制定等提供实验依据。

1 实验部分

1.1 实验装置

以现场使用的气液分离装置为依据，设计并搭建了一套装有聚结纤维滤芯的实验装置，主体由有机玻璃制成，便于直接观测装置内部气液分离的过程，该装置主要包含分离系统、雾化系统、引风及测量系统3个部分。图1为气液聚结分离测试系统实验装置示意图。由图1可知，流量计和雾化系统位于分离系统的下游。气液聚结分离的过程中，气体流量通过引风系统控制保持预先设定的值。该装置由离心式风机提供动力，形成气体流动将雾化器产生的雾化的小液滴送入分离器，含液气流由下向上通过分离器，绝大多数的液滴会被聚结纤维滤芯捕获，聚结合并成较大的液滴，然后直接滴落，少量微小的没有被捕获的液滴会由上方排气管逸出。

图1 气液聚结分离测试系统实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental device of the gas-liquid coalescence separation test system.

1.1.1 分离系统

分离系统由进气口、排气口和聚结纤维滤芯3个部分组成。该系统是内径为110 m，长为160 m的有机玻璃筒体，筒体下端是进气口，在筒体的中部设有3根支撑梁，起到支撑聚结纤维滤芯的作用，筒体的上端是排气口。本工作中涉及的聚结滤芯材质为聚四氟乙烯（PTFE）纤维。

1.1.2 雾化系统

采用超声波雾化器产生雾气，雾化系统包含雾化池、超声波雾化器等。超声波雾化器利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态的水分子结构打散从而产生极其微小的液滴，雾滴粒径绝大多数在35 μm以下。雾化池中放置单头额定功率30 W的超声波雾化板，单头雾化量为0.3 kg/h。雾化池为直径400 mm、高度500 mm的筒体。雾化液相选用自来水（密度1000 kg/m3、黏度1.02 mPa·s、表面张力69 mN/m）。按照雾化器的使用要求，液位高度介于35～40 mm，按照初始液位高度40 mm，初始储液量为5.026×10-3L。当液位低于35 mm时需及时补偿液相。

1.1.3 引风及测量系统

采用正压进行实验，引风系统采用离心式风机，选用量程为0～60 m3/h的转子流量计，通过风机后的支路阀门可调节进入雾化池的气量。实验装置的∆p通过U型管压力计算测出，再利用马尔文Mastersize200型激光粒度分析仪对进气口的液滴粒径分布状态和浓度进行在线检测［15］。图2为雾化颗粒的粒径分布。利用雾化颗粒体积中径（d50）和雾化颗粒体积90%时的粒径（d90）来描述雾滴粒径［16］。由图2可知，液相为水时，液滴粒径范围是0～75 μm，d50为22 μm，d90为43 μm。

图2 雾化颗粒的粒径分布Fig.2 Atomized particle size distribution.

在实验装置分离系统进气口和排气口对气体含雾滴浓度进行测量。取样装置包含采样泵、质量流量控制器、电子分析天平、玻璃纤维滤膜（直径47 mm，对粒径大于0.1 μm颗粒截留效率不低于99%）、过滤器采样夹等。

1.2 气液聚结实验

本工作对u和初始雾滴浓度对聚结模块的η、∆p和品质因数（γ）的影响进行了研究。水为液相。u的测量点为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纤维的聚结纤维滤芯厚度为50 mm，孔隙率0.928，开启的雾化器数量分别为2，3，4个，对应的雾化速率为0.6，0.9，1.2 kg/h。实验中，事先在雾化池中加入液相介质，打开超声波雾化器和风机，等待5 min，使雾化池中充满雾滴并充分润湿聚结纤维滤芯。取出聚结纤维滤芯，调节风机后的支路阀门，用风速仪检测分离系统入口（即聚结滤芯入口处）的风速，通过多次测量取平均值，得出u的测量点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所对应的转子流量计的流量，用于后续实验通过控制流量来改变滤芯入口的u。

通过改变u、初始雾滴浓度，对η、∆p进行检测。每隔5 min对相应检测参数进行测量，每组数据检测3次，取平均数，每组实验进行3次。若出现较大误差情况，则额外进行3次实验，剔除误差较大数据，最终测量结果取多次实验的平均值。在分离系统入口和出口对气体含雾滴浓度进行测试，根据文献［17］，并结合实验的情况，采用湿法等动取样法［18］。因为筒体的截面是对称的，取样点设置在筒体截面的直径方向1/6，1/3，1/2处，先称取过滤器采样夹和滤膜的总质量，采样泵采样前调节抽气泵流速，使采样口内流速与管道内一致。设定采样时长，待系统运行状态稳定后，开启采样泵，经过采样时间后采样泵自动停止，称取过滤器采样夹和滤膜的总质量，采用式（1）计算气体含雾滴浓度。

式中，Q为气体含雾滴浓度，g/m3；mwet为过滤器采样夹和滤膜的湿态质量，g；mdry为过滤器采样夹和滤膜的干态质量，g；A为采样口截面积，m2；u为流速，m/s；T为采样时间，s。

η采用式（2）计算。

式中，Qin，Qout分别为聚结滤芯分离前和分离后测得的气体含雾滴浓度，g/m3。

在测得气液η和∆p后，采用γ来反映气液聚结分离模块的整体性能指标［19］，见式（3）。

2 结果与讨论

2.1 u对η的影响

图3为u对气液聚结分离器η的影响。由图3可知，在不同的初始雾滴浓度的条件下，随着u的增加，η先显著增大，再趋于稳定（保持较高水平）。在u介于0.7～1.0 m/s时，η接近或达到最高，其中当雾化速率为1.2 kg/h时，η在u=0.9 m/s时达到最高，为97.8%。但在u超过1.0 m/s后，η呈现缓慢下降趋势。这是因为u过小时，夹带在气体中的雾滴呈漂浮态，与纤维碰撞几率小，此时布朗扩散起主要作用。随着u逐渐增大，拦截作用逐渐增加，碰撞机率增大，η急剧提高。而u过大时，聚集的液滴不容易降落，液滴充满纤维形成水滴层，气相的实际流速增大，部分雾滴被二次夹带，影响了分离效果，所以η出现缓慢下降趋势。

图3 u对η的影响Fig.3 Effect of gas velocity(u) on separation efficiency(η).

2.2 u对∆p的影响

图4为u对气液聚结分离器阻力特性的影响。由图4可知，在不同的初始雾滴浓度的条件下，随着u的增加，∆p随u增大逐渐增大，相关性接近正相关。出现这种情况的原因主要是当u较低时，分离器的压力损失由雾滴布朗扩散产生。当u继续增大时，压力损失不仅由雾滴布朗扩散产生还由纤维拦截作用产生，使得气体通过滤芯的阻力增加，因此∆p呈升高趋势。当u增大到一定值时，形成的雾滴二次夹带会更加加剧阻力的增大，导致∆p的增加。纵向对比发现，相同u时，雾化速率越大，即初始雾滴浓度越大∆p越大。当雾化速率为1.2 kg/h时，u增大到1.3 m/s时，∆p达到最大（78.4 Pa）。这是因为当雾滴浓度增大时，在相同时间内，聚结纤维表面可接触到更多的雾滴，这就加快了雾滴在纤维上的聚结速率，使得滤芯内部存储的液相增加，对穿过滤芯的气流产生更大的阻力，导致聚结纤维前后的∆p增大。

图4 u对∆p的影响Fig.4 Effect of u on pressure drop(∆p).

2.3 u对γ的影响

已知在上述工况条件下的η和∆p，通过式（3）求出对应的γ，得到该工况下u与γ的关系，见图5。由图5可知，聚结滤芯的γ呈现先增后减的规律。在u低于0.3 m/s时，雾化速率为0.6 kg/h时聚结模块的γ最高。这是由于当u较低时，雾化速率为0.6 kg/h时聚结模块能够达到相对其他模块更高的η，并具有最低的压力消耗。而当u>0.3 m/s后，雾化速率为0.9 kg/h时聚结模块比雾化速率为0.6 kg/h时具有更高的η。虽然0.6 kg/h时聚结模块∆p更低，但更高的η使0.9 kg/h时聚结模块能达到更大的γ。虽然雾化速率为1.2 kg/h时聚结模块具有类似的η，但∆p远大于另两个模块，所以它的品质因素始终处于最低状态。在u介于0.7 ～0.9 m/s时，3种不同雾化速率的条件下，纤维聚结模块的γ都达到较高水平，代表此时聚结纤维模块的整体性能较高，在满足较高分离性能的同时，维持较小的∆p，所需的动力消耗较低。特别的，当雾化速率为0.9 kg/h时，u为0.7 m/s和0.8 m/s时对应的γ较高，分别为0.0682，0.0681。同时发现，当u≥1.1 m/s时，雾化速率不同时聚结纤维模块的γ非常接近，说明高u时初始雾滴浓度对纤维聚结模块整体性能的影响很小。纵向对比发现，在γ均较高的u区间内，不同雾化速率时的γ由大到小顺序为γ0.9kg/h>γ0.6kg/h>γ1.2kg/h。

图5 u对γ的影响Fig.5 Effect of u on quality factor(γ).

2.4 初始雾滴浓度对η的影响

图6为初始雾滴浓度对聚结纤维模块η的影响。

图6 初始雾滴浓度对η的影响Fig.6 The influence of initial concentration of droplets on η.

由图6可知，不同u时，雾化速率对纤维模块η的影响是不同的。u在0.2～0.6 m/s和1.2～1.3 m/s范围时，雾化速率对η的影响没有明显规律。当u在0.7～1.1 m/s范围时，η均随着雾化速率的增大先较快提高，然后有小幅度下降趋势，且都保持在较高的水平。

3 结论

1）在不同的初始雾滴浓度的条件下，随着u的增加，η先显著增大，再趋于稳定（保持较高水平）。在u介于0.7～1.0 m/s时，η接近或达到最高，其中当雾化速率为1.2 kg/h时，η在u=0.9 m/s时达到最高，为97.8%。

2）随着u的增加，∆p随u增大逐渐增大，相关性接近正相关。当雾化速率为1.2 kg/h、u为1.3 m/s时，∆p达到最大（78.4 Pa）。

3）并非在所有u范围内，初始雾滴浓度都会对η有明显影响规律。当u范围为0.7～1.1 m/s时，η均随着雾化速率的增大先较快提高，然后有小幅度下降趋势，且都保持在较高的水平。