張曉晨，張　銘，胡孔誠(chéng)

(1.青島科技大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，山東 青島，266042； 2.國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192；3.國(guó)家海水利用工程技術(shù)研究中心，天津 300192)

世界人口的持續(xù)增加和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使得水資源短缺成為全球性問(wèn)題。海水淡化作為一種淡水資源增量技術(shù)，可以增加淡水供應(yīng)量，已成為世界各國(guó)解決淡水短缺的重要途徑之一。截至2010年，全球淡化水裝機(jī)規(guī)模已達(dá)6 520萬(wàn)t/d，解決了2億多人的飲水問(wèn)題[1]。

目前，主流的商業(yè)化海水淡化技術(shù)包括：多級(jí)閃蒸(MSF)、低溫多效(MED)和反滲透(RO)3種。前2種均為熱法海水淡化技術(shù)，其本質(zhì)是在一定條件下使海水蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽冷凝得到淡水的過(guò)程。海水蒸發(fā)時(shí)由于沸騰和液滴碰撞會(huì)使蒸汽中夾帶有一定量的海水液滴，這些液滴如不能有效去除將會(huì)影響產(chǎn)水水質(zhì)。為了去除蒸汽中夾帶的海水小液滴，保證淡化水水質(zhì)，在熱法海水淡化裝置中通常會(huì)設(shè)置汽液分離元件，用于分離蒸汽中夾帶的海水液滴。圖1a)和圖1b)分別給出了多級(jí)閃蒸和低溫多效2種主流熱法海水淡化系統(tǒng)中汽液分離元件的示意圖。

圖1　海水淡化裝置中的汽液分離元件Fig.1　Gas-liquid separation in desalination plant

目前用于熱法海水淡化工程中的汽液分離元件主要可分為折流板式(也稱葉片式)和絲網(wǎng)式2大類，其分離性能主要受操作工況和元件結(jié)構(gòu)的影響，操作工況主要包括：操作氣速、液滴粒徑、液滴夾帶量等。折板式汽液分離元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：折板間距、折板形式、角度、長(zhǎng)度、安裝方式及折鉤設(shè)置情況等；絲網(wǎng)式汽液分離元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)則包括絲網(wǎng)層數(shù)、厚度、編制方式、網(wǎng)絲直徑等。本論文將就這兩類廣泛使用的汽液分離元件的相關(guān)研究進(jìn)展和案例進(jìn)行綜述，以期對(duì)相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供借鑒。

1　折流板式汽液分離元件

折流板式汽液分離元件是熱法海水淡化工程中應(yīng)用最為廣泛的1種汽液分離元件，其具有分離效率高、流動(dòng)阻力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗污堵能力強(qiáng)、操作彈性大等特點(diǎn)[2]。

1.1　分離原理

折流板式汽液分離元件由大量平行的金屬折流板組成，氣流在彎折流道中急速轉(zhuǎn)向，夾帶液滴在較大慣性力作用下與折流板碰撞被分離[3]。不同形式的折流板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　折流板式汽液分離元件結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of wave-plate mist eliminator

1.2　研究進(jìn)展

折流板式汽液分離元件的性能主要受折流板形式、操作氣速、板間距等因素的影響。為了獲得最適宜的折流板式汽液分離元件結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外研究者采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)折流板汽液分離過(guò)程開展了眾多研究工作。

1.2.1試驗(yàn)研究

早在1939年Houghton等[4]就對(duì)折流板式汽液分離元件進(jìn)行了研究，他們指出，折流板式汽液分離元件的分離效率隨氣速的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，并且認(rèn)為產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是二次夾帶。

顏學(xué)升[5]和楊柳等[6]對(duì)V形折流板進(jìn)行了研究，考察了操作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，結(jié)果表明，液滴粒徑增加使液滴弛豫時(shí)間增加，有利于液滴分離；而折板角度增加，使氣流流線趨于直線形；板間距增加，則增加了液滴顆粒的流通面積，都不利于液滴分離。

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在折流板上設(shè)置折鉤(見(jiàn)圖2e)可起到導(dǎo)流的作用，能有效降低二次夾帶的發(fā)生，提高分離效率[9-10]。

李嘉等[11]對(duì)帶鉤折流板和普通折流板的性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，在相同的氣速、折流板板間距和角度的情況下，帶鉤折流板的分離性能要優(yōu)于普通折流板，原因是折鉤處液膜的在表面張力作用下厚度變薄，減少了因氣流對(duì)液膜剪切作用引起的二次夾帶；另一方面，折鉤處產(chǎn)生的旋渦會(huì)對(duì)小粒徑的液滴產(chǎn)生吸引作用，使之進(jìn)入折鉤被分離，從而提高了分離效率。

王為術(shù)等[12]也針對(duì)帶鉤折流板式汽液分離元件進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，氣速是影響分離效率的主要因素，分離效率隨氣速的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)，氣速超過(guò)5 m/s后分離效率急劇降低，這主要是由于氣速越大，氣流對(duì)液滴的攜帶力越強(qiáng)，在折流板上來(lái)不及排出而被氣流攜帶走的液體就越多。此外，試驗(yàn)結(jié)果還表明相同氣速條件下，提高載液量可以增加氣流中液滴相互碰撞的幾率，進(jìn)而提高分離效率。

肖立春等[13]的研究認(rèn)為，折角為72 °，板間距為20 mm時(shí)，帶鉤折流板分離性能最佳，而折流板的長(zhǎng)度對(duì)分離效率影響并不明顯。

在大量試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，人們也設(shè)計(jì)了一系列不同結(jié)構(gòu)形式的流板。

鐘利春[14]設(shè)計(jì)了一種表面具有凹槽的波紋型折流板，這種結(jié)構(gòu)一方面可以增加液滴同折流板壁碰撞的幾率和強(qiáng)度，使液滴易于被折流板攔截；另一方面被攔截的液滴可在凹槽內(nèi)匯聚，并沿凹槽流出，極大的減少了二次夾帶的發(fā)生，從而提高了分離效率。

李明慧[15]設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)折流板元件，第1級(jí)主要起分離作用，而第2級(jí)除了分離作用外，還可以起到部分導(dǎo)流的作用，減少葉片下游的二次夾帶，從而達(dá)到提高分離效率和降低壓降的效果。

徐月等[16]通過(guò)優(yōu)化多層折流板的布置，使流體在通道內(nèi)交錯(cuò)流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了折流板出口處氣流的均勻分布，提高了裝置的分離效率。

阮國(guó)嶺等[17]針對(duì)海水淡化設(shè)備規(guī)模大，不易清洗的特點(diǎn)，開發(fā)了一種用于熱法海水淡化的汽液分離元件，折流板被固定于開口槽架上，這種結(jié)構(gòu)使折流板便于拆卸，易于更換和清理。

1.2.2數(shù)值模擬研究

近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法開始應(yīng)用于汽液分離元件的研究，研究者借助于數(shù)值模擬的方法，對(duì)汽液分離過(guò)程進(jìn)行了一系列的模擬研究。

Bürkholz[18]在1989年提出分離效率會(huì)受到液滴粒徑、折流板間距和角度等因素的影響，之后的研究者們對(duì)這些影響因素的作用機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。

徐淑君等[19]基于RNGk-ε模型，采用汽液兩相雙向耦合方法對(duì)單級(jí)V形折流板式汽液分離元件進(jìn)行了研究。研究顯示液滴粒徑對(duì)分離效率的影響非常大，進(jìn)氣速度為3 m/s時(shí)，粒徑為50 μm液滴的去除率可達(dá)100%，而粒徑小于20 μm的液滴去除率還不到35%。這主要是由于小粒徑液滴受Saffman升力作用明顯，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡不穩(wěn)定，不易被去除。

趙毅等[20]采用k-ε湍流模型對(duì)折線形折流板式汽液分離元件[見(jiàn)圖2c)]的分離性能進(jìn)行了研究，板間距為20 mm、氣速到達(dá)6 m/s時(shí)，折流板對(duì)粒徑20 μm以上液滴的分離效率近100%。同時(shí)，模擬結(jié)果顯示，分離效率還隨折流板偏轉(zhuǎn)角增加而增加，偏轉(zhuǎn)角在51°左右時(shí)，折流板對(duì)大于30 μm的液滴分離效率可以達(dá)到100%。

孫志春等[21]采用雷諾應(yīng)力模型，氣-液雙向耦合算法，研究了V型折流板的分離性能，結(jié)果同樣顯示，折流板間距為20 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的分離效率最高。

人們通過(guò)對(duì)STDk-ε模型(標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型)、低Rek-ε模型、RSM(Reynolds Stress Model，雷諾應(yīng)力模型)、SSTk-ω(剪應(yīng)力傳遞湍流模型)和RNGk-ε(修正的k-ε雙方程模型)5種常用湍流模型的對(duì)比研究[19, 22-25]，并且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，研究結(jié)果表明RNGk-ε湍流模型能較好地處理強(qiáng)旋及彎曲流動(dòng)的情況，而低Rek-ε模型則較適于對(duì)近壁面流動(dòng)情況進(jìn)行模擬。

對(duì)如圖2d)所示的折流板內(nèi)流場(chǎng)分布的模擬研究結(jié)果顯示[26]：液滴主要在第1折彎處的左壁面和第2拐彎處的右壁面被分離。這主要是由于離心力的作用，液滴由內(nèi)彎側(cè)向外彎側(cè)聚集，大顆粒液滴主要集中在外彎側(cè)，尤其在第1個(gè)拐彎處，液滴的聚集現(xiàn)象更加明顯。

孫志春等[21]將冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與CFD模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)液滴粒徑分布為10 μm，氣速在5～7 m/s時(shí)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，作者認(rèn)為這是由于10 μm液滴粒徑接近亞微觀粒子，與計(jì)算模型中的粒子吻合度較好所致。

2　絲網(wǎng)式汽液分離元件

絲網(wǎng)是另外一種應(yīng)用較廣的汽液分離元件，具有體積小、分離效率高、質(zhì)量輕及安裝操作維修方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.1　分離原理

絲網(wǎng)式汽液分離元件的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其分離原理主要有3種：直接攔截、慣性撞擊和擴(kuò)散攔截。直接攔截就是氣體流過(guò)絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，氣流中大于絲網(wǎng)孔徑的液滴被攔截下來(lái)；慣性撞擊是利用液滴慣性比氣流大的特點(diǎn)，當(dāng)夾帶有液滴的氣流流經(jīng)絲網(wǎng)時(shí)，氣體順著絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變方向，而液滴由于慣性作用撞擊到絲網(wǎng)上被分離出來(lái)；擴(kuò)散攔截是針對(duì)粒徑小于0.1 μm的小液滴，這種液滴以不規(guī)則形式沿著流體流線運(yùn)動(dòng)，碰到絲網(wǎng)被富集分離下來(lái)[27]。

2.2　研究進(jìn)展

絲網(wǎng)式汽液分離元件廣泛應(yīng)用于化工、食品、制冷和海水淡化等領(lǐng)域，影響其分離效率和壓降的因素主要包括：絲網(wǎng)厚度、操作氣速和編制方式等。

圖3　絲網(wǎng)式汽液分離元件結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure of wire mesh eliminator

2.2.1試驗(yàn)研究

19世紀(jì)50和60年代，York和Poppele[28-29]的論文中對(duì)絲網(wǎng)式汽液分離元件進(jìn)行了研究，并且歸納了一個(gè)計(jì)算最高操作氣速的半經(jīng)驗(yàn)公式，用以對(duì)絲網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。之后，Carpenter等[30]對(duì)絲網(wǎng)式汽液分離元件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并對(duì)絲網(wǎng)的層數(shù)、網(wǎng)絲直徑及比表面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行考察，得到分離效率的計(jì)算公式。

Hisham等[31]在研究中對(duì)操作氣速、絲網(wǎng)厚度和編制方式等影響因素進(jìn)行了全面的考察，結(jié)果顯示：絲網(wǎng)式汽液分離元件的壓降隨氣速增加呈線性上升的趨勢(shì)；分離效率在氣速為1～6 m/s的范圍內(nèi)隨氣速的增大而增加，高氣速下分離效率變化趨于平緩；網(wǎng)絲的厚度對(duì)分離效率影響不大，但容易造成壓降的增加；密織的絲網(wǎng)雖然有利于液滴的分離但同時(shí)也容易引發(fā)二次夾帶。

李柏松等[32]以水-空氣體系為研究對(duì)象，對(duì)水平安裝的絲網(wǎng)式汽液分離元件進(jìn)行了研究，考察了液滴粒徑和液滴濃度對(duì)絲網(wǎng)分離效率的影響。研究結(jié)果表明：分離效率隨液滴粒徑的增大而增大，液滴粒徑為10 μm時(shí)，對(duì)應(yīng)的分離效率為90%，而粒徑增大到70 μm時(shí)，分離效率接近100%；分離效率也隨液滴濃度的增大而增大，這主要是由于液滴濃度的增大，使得液滴之間容易發(fā)生碰撞而凝集成較大液滴，從而容易被分離。

Capps[33]對(duì)絲網(wǎng)式汽液分離元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，網(wǎng)絲直徑80～280 μm、厚度65～150 mm，比表面積為250～650 m2/m3，空隙率在97～99%之間的絲網(wǎng)對(duì)10 μm左右液滴的分離效率可達(dá)到99%。

Bürkholz[34]針對(duì)絲網(wǎng)液滴二次夾帶問(wèn)題行了研究，認(rèn)為氣速控制在4～5 m/s可以減少夾帶造成的效率下降。同時(shí)還根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出了一個(gè)簡(jiǎn)單的近似公式，通過(guò)絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)確定可分離的液滴粒徑范圍。

Lerner[35]開發(fā)了一種用于多級(jí)閃蒸(MSF)海水淡化裝置中的絲網(wǎng)式汽液分離元件，其體積較小，但有效通量可以達(dá)到傳統(tǒng)絲網(wǎng)的2～3倍。

基于試驗(yàn)研究結(jié)果，人們也設(shè)計(jì)開發(fā)出了一系列新型的絲網(wǎng)式汽液分離元件。洪放[36]發(fā)明了一種可調(diào)的絲網(wǎng)式汽液分離元件，在進(jìn)氣側(cè)安裝了可調(diào)節(jié)風(fēng)門，使用過(guò)程中可根據(jù)需要對(duì)風(fēng)門面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)在最適宜氣速下工作，以保證其達(dá)到最高的分離效率。唐曉東等[37]則發(fā)明了一種汽液分離裝置，利用特殊絲網(wǎng)使液滴速度降低以提高絲網(wǎng)對(duì)液滴的捕捉收集能力，并通過(guò)氣體和液滴透過(guò)絲網(wǎng)柔性層的多次折流提高其分離效率。陳長(zhǎng)林[38]設(shè)計(jì)了一種波形絲網(wǎng)除沫器，其由經(jīng)模壓后的絲網(wǎng)和絲網(wǎng)格柵組成，這種結(jié)構(gòu)可以使分離下來(lái)的液滴迅速匯流到低處，聚集成大液滴后排出，可有效減少液滴在絲網(wǎng)上的滯留時(shí)間，避免發(fā)生二次夾帶降低分離效率。王玉潔等[39]將絲網(wǎng)與板式聚結(jié)填料相結(jié)合，先通過(guò)板式聚結(jié)填料進(jìn)行初步分離，再經(jīng)由絲網(wǎng)進(jìn)行二次分離，不僅減少了二次夾帶的發(fā)生，提高了分離效率，還可以有效減少對(duì)設(shè)備的腐蝕，延長(zhǎng)其使用壽命。

2.2.2數(shù)值模擬研究

研究者同樣利用CFD模擬的方法對(duì)絲網(wǎng)式汽液分離元件進(jìn)行了研究。

Rahimi等[40]利用FLUENT對(duì)絲網(wǎng)式汽液分離元件的分離性能進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果顯示：當(dāng)氣速為6 m/s時(shí)，分離效率接近100%，但當(dāng)氣速繼續(xù)增加時(shí)，本已凝結(jié)在網(wǎng)絲上的液滴又重新被高速氣流夾帶，造成分離效率的下降。絲網(wǎng)網(wǎng)格的密度同樣會(huì)影響分離效率，較大的網(wǎng)格使液滴不能很好的和網(wǎng)絲接觸，以致無(wú)法凝聚在絲網(wǎng)上，導(dǎo)致分離效率較低。

張李偉等[41]選取20層隨機(jī)交錯(cuò)排列的絲網(wǎng)組成的絲網(wǎng)汽液分離器模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并利用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，在分離效率大于80%情況下的擬合情況較好，而對(duì)于分離效率較低的情況，計(jì)算值與試驗(yàn)值仍存在較大的偏差。

由于絲網(wǎng)式汽液分離元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)情況多變，CFD模擬過(guò)程中對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行的簡(jiǎn)化，會(huì)對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大的影響，所以對(duì)于絲網(wǎng)式汽液分離元件的CFD模擬研究尚不成熟，仍需研究者對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

3　工程實(shí)例

折流板式和絲網(wǎng)式汽液分離元件各有優(yōu)缺，前者具有通量大、壓降小、易清洗、不宜堵塞等優(yōu)點(diǎn)，但成本較高；后者分離效率高、安裝簡(jiǎn)單、成本較低，但操作彈性小，易被堵塞。因此在實(shí)際工程中需綜合考慮海水淡化工藝流程、操作溫度、原水水質(zhì)等情況進(jìn)行選擇。表1給出了部分國(guó)內(nèi)外熱法海水淡化工程中所用汽液分離元件。

表1　國(guó)內(nèi)外部分多效蒸餾海水淡化裝置用汽液分離元件Table 1　Application of gas-liquid separation to MSF

4　發(fā)展方向

折流板和絲網(wǎng)作為兩種主要海水淡化工程用汽液分離元件形式，已有多年的應(yīng)用，今后仍將是主要應(yīng)用形式。未來(lái)海水淡化用汽液分離元件的研究將主要集中在以下幾方面：

1)開發(fā)新型汽液分離元件，在保證裝置分離效率的前提下，不斷降低操作壓降。

2)將玻璃鋼、工程塑料、鋁板和新型新材料應(yīng)用于折板流式和絲網(wǎng)式汽液分離元件，以不斷降低汽液分離元件成本。

3)完善數(shù)值模擬模型，提高CFD模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4)通過(guò)研究建立不同形式汽液分離元件的數(shù)學(xué)模型，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

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