宋健斐 劉 帥 馬嘉棋 孟繁樹

（中國(guó)石油大學(xué)（北京）a.重質(zhì)油國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

波紋板氣液分離器［1］具有較大的接觸面積，在處理量較大的情況下，有著良好的分離效果和較低的壓降［2］，因此被廣泛應(yīng)用于核電工業(yè)中的汽水分離。為分析波紋板分離器分離性能的影響因素，學(xué)者們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究［3～5］。毛峰等認(rèn)為入口操作參數(shù)對(duì)波紋板分離性能有很大影響，分離效率隨入口濕度的增大而增大，隨入口速度的上升先增大后減?。?］，發(fā)生二次夾帶現(xiàn)象的臨界入口速度隨入口濕度的增大而減小。郎方年等發(fā)現(xiàn)波紋板自身結(jié)構(gòu)參數(shù)同樣影響著波紋板的分離性能，增大葉片的屈折角和葉片間距，在壓降降低的同時(shí)波紋板分離效率也會(huì)降低，增加分離級(jí)數(shù)在提升分離效率的同時(shí)會(huì)使壓力損失升高［7］。目前，波紋板氣液分離器分離性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法多為稱重法和在線檢測(cè)法。其中，稱重法是將分離效率定義為被分離出來的液量與加入液量的比值，并未考慮液體的蒸發(fā)作用對(duì)波紋板分離效率的影響；波紋板分離性能的實(shí)驗(yàn)研究多在負(fù)壓操作條件下進(jìn)行［1，6，8］，且液滴粒徑往往是微米級(jí)，導(dǎo)致管段等通道內(nèi)的液滴蒸發(fā)現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)入波紋板分離器段的實(shí)際液量與加水量并不一致，使得當(dāng)前稱重法難以真實(shí)反映波紋板自身的分離性能。在線檢測(cè)法［9，10］通過激光粒度儀直接測(cè)量波紋板進(jìn)出口液滴濃度，避免了蒸發(fā)作用造成的誤差，因此能夠較為準(zhǔn)確地反映波紋板的分離性能。但在線檢測(cè)法測(cè)量分離效率需要專門的儀器，實(shí)驗(yàn)成本較高。

在此，筆者針對(duì)雙鉤型波紋板氣液分離器在稱重法的基礎(chǔ)上提出了一種考慮蒸發(fā)作用的分離效率測(cè)量方法，并與稱重法和在線檢測(cè)法進(jìn)行對(duì)比，為波紋板分離效率的測(cè)量提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣與微型水泵打入的液體經(jīng)雙流體霧化噴嘴在噴淋柜中產(chǎn)生極細(xì)的霧化液滴，風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力源將空氣與霧化液滴鼓入混合室并充分混合，形成能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求的氣液混合物，氣液混合物從混合室進(jìn)入分離室中由波紋板分離器實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離。在噴淋柜和分離室下方均設(shè)有集液槽，用于計(jì)量未進(jìn)入分離室的液滴質(zhì)量和被分離下來的液滴質(zhì)量。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

波紋板幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，該雙鉤型波紋板由入口管道、疏水鉤、分離流道和出口管道組成。疏水鉤制造難度大，制作精度要求高，因此采用3D打印而成，材料為環(huán)氧樹脂ZR820，具有較高的硬度和抗沖擊強(qiáng)度，耐水性良好，符合實(shí)驗(yàn)要求。分離室由7塊波紋板組成，構(gòu)成6個(gè)通道。

圖2 波紋板幾何結(jié)構(gòu)

波紋板主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：

板間距h020 mm

入口段長(zhǎng)度x0150 mm

屈折角α 45°

分離段板長(zhǎng)l020 mm

疏水鉤高度H 5 mm

疏水鉤長(zhǎng)度L 9 mm

采用XY25MB電子天平測(cè)量集液槽內(nèi)的液體質(zhì)量，最大量程30 kg，精度0.1 g；采用923型手持式熱線風(fēng)速儀測(cè)量入口速度，量程20 m/s，精度±0.5%；采用Mk2000-1k壓差計(jì)測(cè)量進(jìn)出口壓力，量程1 000 Pa，精度等級(jí)2%FS；采用Promo 3000氣溶膠粒徑譜儀測(cè)量波紋板氣液分離器進(jìn)出口液滴的粒徑分布，測(cè)量范圍0.2～120.0μm，采樣時(shí)間30～120 s；采用RPP-200C氯離子測(cè)定儀測(cè)量氯離子濃度，量程10 000 mg/L，精度0.1 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

入口速度對(duì)波紋板分離器的分離性能有至關(guān)重要的影響，為此，筆者選取8種入口速度（2、3、4、5、6、7、8、9 m/s）進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)中氣相為常溫常壓下的空氣，液相介質(zhì)選擇水。

2 測(cè)量方法

2.1 稱重法

稱重法采用電子天平稱量加入水的質(zhì)量M1和收集到的被分離下來的液體質(zhì)量M，通過計(jì)算可以得到稱重法分離效率η1為：

2.2 筆者所提方法

在氣液兩相混合物進(jìn)入波紋板分離器之前，液體存在蒸發(fā)情況，為避免蒸發(fā)導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)在液相介質(zhì)中加入少量鹽分（NaCl），并假設(shè)蒸發(fā)過程全部發(fā)生在進(jìn)入波紋板之前且液相介質(zhì)的密度不變。圖3為簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)過程，其中C1、C2分別為加入水和進(jìn)入分離室之后的NaCl濃度，M、M1與稱重法中意義相同，ΔM是進(jìn)入分離室之前蒸發(fā)掉的液體質(zhì)量，由此可以得到未被收集而逃逸進(jìn)大氣的液體質(zhì)量為M1-M-ΔM。

圖3 簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)過程示意圖

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，鹽分的總質(zhì)量不變，則有：

其中，ρ為液相介質(zhì)的密度。此時(shí)分離效率η2計(jì)算式為：

聯(lián)立式（2）、（3）可以得到：

C1、C2可以通過氯離子測(cè)定儀獲得，并且C2/C1值越大，液相介質(zhì)越“濃縮”，代表蒸發(fā)作用越明顯。

2.3 在線檢測(cè)法

分別將Promo 3000氣溶膠粒徑譜儀兩個(gè)探頭置于分離室入口和出口處，得到入口、出口處液滴體積濃度分別為C3、C4，則在線檢測(cè)法分離效率η3計(jì)算式為：

3 測(cè)量結(jié)果分析

圖4為波紋板氣液分離器在不同入口速度下的分離效率曲線。由圖4可以看出，當(dāng)入口速度低于4 m/s時(shí)，3種測(cè)量方法得到的效率值較為接近，當(dāng)速度繼續(xù)增大時(shí)，稱重法與筆者所提方法和在線檢測(cè)法之間的差距變得明顯，分離效率最高相差約8%；波紋板分離效率從整體上均隨著入口速度的增大呈先上升后下降或平穩(wěn)的趨勢(shì)，峰值出現(xiàn)在8 m/s附近。這是因?yàn)楫?dāng)入口速度低于8 m/s時(shí)，隨著速度的上升，氣液兩相流中的液滴更容易脫離氣流而撞擊在波紋板壁面上，此時(shí)速度的增大有利于分離效率的提升；當(dāng)入口速度繼續(xù)增大到一定程度時(shí)，二次夾帶現(xiàn)象加劇，波紋板分離效率反而下降。二次夾帶現(xiàn)象出現(xiàn)的原因?yàn)椋焊咚贇饬骷羟胁y板壁面上的液膜形成大量的小液滴，新的小液滴會(huì)被氣流攜帶出波紋板，從而使得分離效率降低［11］；液滴撞擊壁面上的液膜從而產(chǎn)生飛濺，入口速度越高，撞擊產(chǎn)生的小液滴越多［12］，因此波紋板入口速度過高反而不利于兩相分離。

圖4 波紋板氣液分離器在不同入口速度下的分離效率曲線

稱重法測(cè)得的分離效率明顯低于筆者所提方法和在線檢測(cè)法，并且筆者所提方法和在線檢測(cè)法測(cè)得的分離效率十分相近，說明蒸發(fā)作用對(duì)波紋板分離效率的計(jì)算有顯著影響。稱重法分離效率是收集到的被分離下來的液體質(zhì)量與加入水的質(zhì)量的比值，而實(shí)際進(jìn)入波紋板的水量是小于加水量的，原因在于液相進(jìn)入波紋板之前會(huì)蒸發(fā)一部分，因此稱重法得到的分離效率低于筆者所提方法。在線檢測(cè)法測(cè)得的分離效率是直接對(duì)比波紋板分離器進(jìn)出口液滴濃度，避免了進(jìn)入分離室之前的液相蒸發(fā)的影響，因此在線檢測(cè)法測(cè)得的分離效率明顯高于稱重法，并且與筆者所提方法十分接近。

圖5為水的C2/C1值隨入口速度的變化趨勢(shì)。由圖5可知，入口速度越大，C2/C1值越大，說明蒸發(fā)現(xiàn)象隨著入口速度的增大而變得更加明顯，這是因?yàn)橐后w的蒸發(fā)程度與液體表面上氣流流速成正比。隨著蒸發(fā)現(xiàn)象的加重，加水量與進(jìn)入波紋板分離器的水量相差更多，因此入口速度越高，筆者所提方法與稱重法測(cè)得的分離效率相差越大。

圖5 水的C2/C1值隨入口速度的變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

4.1 3種分離效率測(cè)量方法下，波紋板分離效率均隨入口速度的增大先上升后下降。

4.2 液相蒸發(fā)對(duì)波紋板分離器的分離效率有重要影響，稱重法測(cè)得的分離效率低于筆者所提方法和在線檢測(cè)法，而在線檢測(cè)法測(cè)得的分離效率則與筆者所提方法十分接近。

4.3 入口速度越大，蒸發(fā)作用越明顯，稱重法測(cè)得的分離效率與筆者所提方法和在線檢測(cè)法相差越大。