氣液旋流分離技術應用研究進展*

蔡 祿 孫治謙 朱麗云 王旱祥 王振波

(1.中國石油大學(華東)新能源學院 2.中國石油大學(華東)機電工程學院)

0 引 言

氣液兩相流中氣相和液相有多種存在形式，按照兩相特點可以分為氣泡流、氣塊流、液滴流和分層流4種。氣泡流指液相為連續相，氣體以顆粒狀氣泡的方式散布于液體中；氣塊流指氣體以較大的氣塊的形式存在于液體中；液滴流指氣體為連續相，而液相以小液滴的形式散布于氣體中；分層流是最常見的流動，包含各種帶自由面的流動形式。

工業生產中常常采用氣液分離的方法來實現對氣相或者液相的提純，采用的方法眾多。氣液分離手段總體可分為3類。第1類是重力沉降，利用氣液兩相的密度差，在一起流動過程中液相受重力較大，改變運動方向，從氣相中偏離出來。第2類是利用兩相流體的慣性差異來實現，當氣相和液相同時以一定速度通過親水膜時，液相不易改變運動方向而被收集起來。第3類是氣液旋流分離技術。

氣液旋流分離利用離心力來分離氣相和液相，是氣液分離的重要分離方式。其應用范圍廣，涉及行業眾多，方法和設備也很多。氣液旋流分離又稱為離心分離，雖然沒有過濾分離效率高，但因其分離過程連續不間斷、設備占地面積小、無易損件、易安裝、維護方便等優點而被廣泛應用于天然氣的開采和運輸、柴油加氫尾氣回收等工業過程。近年來，國內外學者基于數值模擬和試驗的方法對旋流器開展了一系列研究，以求得更高的分離效率。本文將相關研究成果進行整理分析，以期對后續研究工作提供借鑒與指導。

1 氣液兩相旋流分離過程

氣液兩相的分離過程主要發生在旋流腔中，由于氣相和液相的密度不同，在旋轉運動過程中受到的離心力大小不同。氣相和液相一起做旋轉運動時，液相密度大，受到的離心力較大，離心力能達到重力的數十倍甚至更多，因此有向壁面運動的趨勢；而氣相密度較小，受到的離心力較小，集中于旋轉軸線附近。液相在壁面聚集，并沿邊壁向下流動，最終在底流口收集；氣相在中心集聚，向上運動，最終在溢流口收集，從而實現氣液兩相分離。不同結構和操作條件下的分離過程能夠得到不同的分離效率。

氣液旋流的流場分布是三維強旋流，切向速度呈軸對稱的單峰分布狀態，是分離速度的主要貢獻者，是離心力的主要來源；中心準強制渦，流體黏度極大。流體定量時分析切向速度，滿足式(1)：

vt=ωr

(1)

式中：vt為流體切向速度，m/s；ω為旋流角速度，rad/s；r為半徑，m。

由式(1)可知，切向速度與半徑成正比關系。外層準自由渦，流體黏度極小，此時忽略邊界層效應，由動量矩守恒定理可得：

(mvt)r=const

(2)

式中：m為液滴質量，kg。

切向速度隨半徑增大而減小。由邊緣向軸線中心位置呈現先增大后減小的趨勢，最大值出現在溢流管的延長線附近，在平行于軸線的位置處呈“M”形，峰值到軸線中心的斜率大。徑向速度數值較小，峰值遠遠低于切向速度。入口處的液相受到離心力作用時，徑向速度升高，使得未分離的流體向軸心運動。軸向速度在中心處呈上行流，vz>0；邊壁處呈下行流，vz<0；上行流和下行流的交界處，vz=0，形成零速包絡面，其中下行流更有利于分離。液滴在旋流腔內運動過程中所受到的離心慣性力計算式為：

(3)

式中：ar為徑向加速度，m/s2；ρ為液滴密度，kg/m3；d為液滴直徑，m。

慣性力的大小與進口氣流速度、旋流器直徑以及液滴的大小和物理性質有關。

流體在旋流腔內高速旋轉，流體的總壓力為靜壓力和動壓力之和，總壓力的分布情況近似與靜壓力相同，沿邊壁處向中心處遞減[1]。從入口到出口之間氣流流經的區域中，由于氣液兩相在旋流腔內的流動最復雜、停留時間最長，所以分離空間內摩擦損失占比最大[2]。這部分損失包括氣流與壁面之間的摩擦損失，以及氣流運動過程中相互之間速度變化產生的損失。

2 氣液旋流分離設備

根據造旋的方式不同，氣液旋流分離器可以分為軸流式和切流式。軸流式氣液旋流分離器一般安裝有導葉，氣液兩相流體沿軸向從上端進入旋流腔，在導葉的導流作用下逐漸改變速度方向，形成具有較大切向速度的流體。切流式旋流器帶有切向入口，流體切向進入圓柱形旋流腔，沿流道逐漸改變運動方向。

根據旋流器中主要結構的不同，氣液旋流分離器有管柱式、管道式、內錐式、螺旋葉片式及螺旋板式等多種形式。管柱式對于地面或者海上的天然氣的運輸、油氣分離等方面應用較廣；螺旋葉片式多應用于天然氣和石油開采中的油氣分離、壓縮空氣凈化、水處理裝置等；軸流導葉式適宜安裝于井下狹長空間環境中[3]。

2.1 柱狀旋流分離器

柱狀旋流分離器(Gas-Liquid Cylindrical Cyclone，簡稱GLCC)主要由一個垂直的圓筒、切向進口管、溢流口和底流口等組成。1997年，M.FERHAT等[4]對GLCC內部速度分布進行了模擬分析，發現入口處切向速度與軸向速度之比是一個重要參數，對內部流動特性影響很大。比值較大會導致較強的旋轉流，對分離起到增強作用；比值較小則會導致切向速度沿軸向逐漸減小，因此可能會產生氣相夾帶現象。王震[5]分析了GLCC的內部流場特性，將內部流場劃分為8個區域，見圖1。

圖1 GLCC內分區示意圖Fig.1 Schematic internal division of GLCC

兩相流體通過切向入口進入，形成高速旋轉的三維漩渦，經過入口和溢流管下端面之間的環形空間，此處流體切向速度沿徑向呈先增大后減小的趨勢，壓力由軸心向外逐漸遞減。環形空間內，近入口側和遠離入口側的不對稱結構導致了非對稱的流場分布。環形空間上方為流場穩定區，該區域的邊壁處有液相聚并，流場較穩定，易形成短路流和循環流。分離區域下方液滴從氣流中分離出來，邊壁處為液滴的主要集中區域，因離心力被甩向邊壁的液滴停留于此。由于黏滯力的作用，小液滴聚并成大液滴，速度幾乎為0。而下方靠近軸心的位置為氣相集中區。由于上端溢流口附近的壓力低，在壓差作用下，分離后的氣體在軸心附近向上方溢流口流動。

旋流分離器的入口管以下部分通常以液相為主，液位對分離器內的氣液分布有重要影響。YANG L.L.等[6]的試驗研究表明，當液位低于入口管時，液滴的分布幾乎不受液位高低的影響，此時液位以下基本為氣相死區，氣相不會進入底流口；但當液位高于入口管時，隨著液位升高，氣相出口的攜液率呈上升的趨勢。在二級立式分離器內，當達到最大處理量時，流體停留時間很短，流體流速變快。處理量越大，離心作用越明顯，倒圓錐形的氣液交界面距離氣相出口越近，此時氣相出口中的攜液量越高。相反，當液位較低時，氣液分界面距離液相出口近，氣相容易隨液相進入底流口，導致液相出口的含氣體積分數升高[7]。

2.2 軸流式氣液旋流分離器

軸流式旋流器制造難度和加工成本低，柱段剛好適合放置于井下狹長的空間中，其流場穩定性要優于切向入口形式的旋流器。馬藝等[8]通過模擬對比了切入式和軸流式旋流器的速度場和壓力場，分析結果表明，切入式旋流器的切向速度和軸向速度衰減大于軸流式旋流器，證明軸流式旋流器內流體所受到的阻力小且徑向壓力降較大，有利于氣相向軸心流動，促進氣液分離。

2.2.1 導葉式氣液旋流分離器

導葉式氣液旋流分離器的結構如圖2所示，其關鍵結構是導葉。

圖2 導葉式氣液旋流分離器的結構Fig.2 Structure of guide vane type gas-liquid cyclone separator

導流葉片改變了流體的運動方向，形成強旋流。氣液兩相流體由于密度不同，通過導流葉片后，液相受較大的離心力而集中于邊壁，氣相則集中于中心部分。導葉的數量、形狀、角度、厚度以及安裝位置等參數都可能影響分離效果。金向紅等[9]通過LDV測定試驗和RSM模擬發現，導葉角度25°時旋流器的分離效率最高，且壓降合理。程峰[10]在傳統旋流器的基礎上增加了雙筒體結構，并對內筒進行開縫，改變開縫數量和外筒的內徑進行試驗，探究最佳開縫數量和外筒直徑。

2.2.2 螺旋片導流式氣液旋流分離器

螺旋片導流式氣液旋流分離器是軸流式旋流器的一種，采用螺旋式入口，如圖3所示。這種入口形式的優點是旋轉流動穩定，有助于維持層流特性[11]。該旋流器結構簡單緊湊、分離高效，在油氣開發中應用十分廣泛，可用于地面或井下的油氣分離。螺旋片作為這種旋流器的主要結構，螺距、螺旋個數和螺紋長度等結構參數對旋流器的分離效率和壓降變化有很大影響。周幗彥等[12]通過模擬分析和試驗驗證的方法研究了螺旋個數和螺距對分離器分離效率和壓降的影響，發現旋流器分離效率隨螺距和螺旋個數的增加而先升高后降低，整體呈拋物線變化；旋流器進出口之間的壓差隨螺距的增大而降低，隨螺旋個數的增加而增大。

圖3 螺旋片導流式氣液旋流分離器Fig.3 Spiral diversion type gas-liquid cyclone separator

2.2.3 旋流板式氣液分離器

旋流板式氣液分離器廣泛用于化工過程的兩相分離單元，具有處理量大、壓降低等優點。旋流板使兩相混合流體產生旋轉運動，在旋流葉片產生的離心力場的作用下，液流沿邊壁流到旋流板周圍的槽形空間，然后流經降液管排液。吳振松等[13]考察了氣相流速和氣液比對旋流板分離效率及總壓降的影響。圖4為試驗所用旋流板式分離器和旋流板示意圖。杜明生等[14]通過對旋流板式除霧器和折流板式除霧器進行數值模擬，發現提高分離效率的關鍵是控制液滴粒徑，增大液滴粒徑可以提高效率。為了提高處理量，馬艷杰[15]開發了多管旋流板式分離器，該旋流器由集液室、進氣室、分離室和排氣室組成，安裝有6個結構尺寸和加工精度完全相同的旋流板，按照3個左旋和3個右旋的方式排列。

圖4 旋流板式分離器和旋流板示意圖Fig.4 Sketch of whirlwind board type separator and whirlwind board

2.3 切流式氣液旋流分離器

切流式氣液旋流分離器入口與柱段外圓相切，氣液兩相流沿切向流道進入，逐漸改變運動方向，形成旋轉運動，不需要添加導葉，因此結構簡單，維修方便，廣泛應用于冶金、化工和環保等領域。切向入口的旋流器相對于軸流式旋流器來說，能夠呈現較好的液滴聚結效果，在溢流口和底流口收集的粒徑較大[16]。入口的結構和布置方式決定了氣液分布和初始的切向速度。吳允苗等[17]發現，在相同條件下，折角過渡、入口長度以及增加入口下傾角均可以在一定程度上影響最終效率。下傾角入口有利于氣液的初步分離，在分離后期阻止液相隨氣相向上運動。根據入口數量和形式的不同，切流式氣液旋流分離器有單切入口和多切入口之分。

2.3.1 單切入口氣液旋流分離器

單切入口氣液旋液分離器(見圖5)由于入口方向與筒體軸線方向垂直，結構的不對稱和氣相旋流的不穩定造成氣流的旋轉中心與旋流器的幾何中心不重合，導致了流場的不穩定分布。雖然單入口旋流器內流場分布不穩定，呈非對稱的偏心結構，但在能耗方面優于雙入口式旋流器。對比兩種入口旋流器的能耗散率可以發現，在近壁面處切向雙入口旋流器的湍能耗散率明顯大于單入口型旋流器。

圖5 單切入口氣液旋流分離器的結構簡圖Fig.5 Schematic structure of gas-liquid cyclone separator with single tangential inlet

流體流入旋流腔以后，柱段和錐段結構對稱分布，由于上端準自由渦的不穩定性對下端的強制渦產生影響，造成旋流中心發生擺動而偏離軸心位置，所以整體的流場呈現非對稱分布。國內外學者研究得出，旋流中心的擺動幅度為旋流腔內徑的0.03～0.07倍，在排氣管附近達到最大值。孫娜等[18]在結構上加以改進，兩種產物的出口都設置在錐段底端，輕產物出口在底端中心，重產物出口在底部側面，數值模擬證明，這樣的結構弱化了旋流中心空氣柱的影響，效率和壓降都得到一定程度的優化。

2.3.2 多切入口氣液旋流分離器

多切入口氣液旋流分離器的旋流腔內切向速度場可分為3段：錐段、柱段和溢流口。這3段的切向速度分布大體沿徑向呈駝峰狀分布，峰值點連接構成的圓柱面的半徑與底流口直徑有關。柱段依然符合內部準強制渦、外部準自由渦的規律，下端錐段則主要顯示準強制渦的特征。溢流管內速度值較錐段內稍小，但內部主要是強旋流場，而溢流管外的環形區域內為準自由渦的狀態。壓力場與速度場相對應，也呈現良好的軸對稱分布。沿徑向從柱段外部入口處向中心軸線附近，壓力呈下降趨勢，下端錐段中心軸附近的壓力最低。

周云龍等[19]采用模擬的手段分析了不同切向入口數量的切流式氣液旋流分離器的流場分布、壓降和分離效率。他們的研究發現，雖然雙入口的對稱形式有利于對稱流場的形成，但若在入口速度不變的情況下繼續增大入口數量，壓降的變化不大，但分離效率明顯下降，入口數量為2時最佳。

S.MOVAFAGHIAN等[20]設計了一種帶有上下兩個傾斜入口的旋流設備，對比了雙入口和單入口的分離效果，發現雙入口同時流入流體時可進行預分離，能夠提升分離效率。王尊策等[21]設計了等截面直線型雙入口和漸縮截面直線型雙入口兩種形式的旋流器，通過數值模擬驗證了漸縮截面直線型入口的良好性能。

2.3.3 雙渦殼式氣液旋流分離器

渦殼式旋流分離器由渦殼起旋，流體在渦殼內進行預分離，具有壓降小的特點。內部流體的切向速度分布與入口結構密切相關，在0°～180°間渦殼式流道空間逐漸縮小，切向速度增大，在180°～360°區間流道面積不變，氣量減少使得切向速度降低。與單切入口和雙切入口的氣液旋流分離器相同，渦殼式旋流器和雙渦殼式旋流器切向速度及徑向速度都有一定程度的不同。單渦殼式旋流器的流場呈現明顯非對稱性，徑向速度由于數值較小，所以對偏心距的變化很敏感，可能造成離心或數值變大的假象。梁容真等[22]的研究認為，單渦殼旋風分離器三維流場具有明顯的非軸對稱性，且氣流流動不均。雙渦殼式旋流分離器的入口是由兩個單渦殼相對排列組合而成，雙渦殼入口的徑向力大大減小，流場呈現良好的對稱性。沈恒根等[23]采用五孔球探針對雙渦殼旋風分離器內的氣流進行研究，并分別對單、雙進口兩種入口進行對比，分析結果得出雙渦殼的旋風器性能優于單渦殼旋風器的結論。隨著入口含液質量分數的升高，雙渦殼分離器的分離效率有明顯升高，特別適合于高含液的工況。

2.4 帶有特殊結構的旋流分離器

2.4.1 內錐式氣液旋流分離器

為了得到更高效的氣液旋流分離器，最初在柱形旋流器的基礎上，人們嘗試在底流管中心增加1根細針，用來對分離后的氣體施加一個舉升力，從而促進分離。但支撐細針的架子不可避免地會破壞附近的流場，并且針的直徑很小會受旋流場的影響而擺動。隨后人們將細針的直徑增大，通過試驗發現在底流口設置圓錐，并擴大其底邊直徑和高度會大大提高分離效率，并且不會破壞附近的流場。內錐的存在使得流體在向下運動的過程中，垂直于軸線的截面積逐漸減小，從而增加了流速，尤其是切向速度增加，這對分離十分有利。

王震[5]對比研究了內錐式、錐臺式和圓柱式3種結構的旋流分離器，并與沒有內部構件的傳統旋流器進行對比，發現安裝有3種內件的旋流器的壓降均不同程度地小于傳統式旋流器。其中，內錐式的壓降最小，這在實際生產中能夠大大降低系統能耗。3種內件相比于傳統結構，均對聚集在柱段中心的氣相有一個向上的托舉力，輔助壓力差的作用，使氣相能夠迅速向溢流口流動，減少了氣相在柱段內的停留時間，有效提升了分離效率。楊蕊等[24]模擬仿真了如圖6所示的帶有新型溢流口的內錐式旋流器的流場，詳細分析了3個速度分量的分布及形成原因。

圖6 內錐式旋流分離器結構圖Fig.6 Structure of inner cone type cyclone separator

2.4.2 管錐式氣液旋流分離器

將內錐式旋流分離器的內錐結構去掉，將柱形的下端改為漸縮的倒錐形式，不僅得到與內錐相同的效果，結構也得到簡化，分離后的氣體依然會受到倒錐壁面產生的向上的分力，這樣就形成了管錐式氣液旋流分離器。流量較小時，流速低，適宜選擇管錐式旋流器，此時的壓降和分離效率都優于管柱式；而流速較高時則選擇管柱式旋流器。管錐式旋流器的錐形區域是氣液分離的關鍵區域，可以是單錐段結構，也可以是多錐段的組合結構。錐段的氣液兩相旋流類似于氣固的旋流分離過程，不同的是增加了液滴的聚并和破碎，氣固兩相旋流分離的錐段結構優化有很大的參考價值。H.OSAMA等[25]發現，隨著錐段的長度增大，分離時間延長，顆粒的停留時間增多，分離效率提高。YE J.X.等[26]發現雙錐結構可以增大流體的切向速度，達到更明顯的離心效果。不同的倒錐結構能夠影響兩相的分布情況，隨著倒錐大徑的增大，錐頂角增大，錐體對氣體的托舉作用逐漸明顯。倒錐大徑的增大可以明顯增強對氣體的舉升作用，但倒錐直徑過大時則會影響氣相從排氣口排出。Y.HIDETO[27]將干式旋風分離器的錐體改為可移動形式，研究了錐的形狀和位置對分離器分離性能的影響。分離器分離后的重相經過錐體下降，可以降低流體的速度分量，最佳錐頂角為70°，此時可以清楚地觀察到上行流和下行流的界面。WANG L.Z.等[28]在錐形旋流器內增加了減阻桿，重點分析了壓降的影響因素，發現壓降隨減阻桿的周向位置變化不大，而受徑向位置影響較大，但減阻桿在一定程度上削弱了切向流動的速度。因此，分配好各參數的值在一定程度上能夠起到降低旋流器壓降的效果，并且能保持較高的分離效率。

3 結束語

筆者對氣液旋流器的分離原理、種類以及影響效率和壓降的因素進行了歸類總結。氣液旋流器結構是影響內部流場的直接因素，不同結構會形成不同的旋流場，影響旋流器的分離效率。除了本文介紹的結構形式外，近年來學者們致力于各類構件組合的新型旋流器研究。吉雷等[29]利用旋風子、穩流原件、葉柵式分離元件和折流板式分離元件組合成新型天然氣分離器。該分離器對氣流中霧狀液滴有較高的分離作用，可以減小分離器出口氣體中液滴的平均粒徑。流量、壓降和液位等參數由工業生產過程中人為操作改變，每一種旋流分離器都有適宜的流量范圍，并能夠產生對應的壓力損耗。對于氣液兩相流體的分離，流體黏度和兩相流量比等均影響分離效果。流體的物性參數也是影響分離效率的重要因素。陳曉慧[30]發現離心式分離器的分離效率隨流量的增大而平緩下降，隨介質黏度的增大而呈線性下降，與氣液比成正比關系；當介質密度超過一定限度后，密度的變化對效率的影響開始不顯著。針對不同物性參數的流體和不同操作壓力的場合，可以選用不同結構的旋流器，從而達到更佳的分離效果。

國內外學者多年的研究和生產實際應用表明，氣液旋流分離器的應用廣泛，但對于旋流場的理論研究落后于實際應用。大多數學者在旋流設備的結構改進方面做出了很多優化措施，改進旋流器入口的結構形式、旋流腔的高度和直徑、內錐的形狀參數、導葉的數量和形狀等均使分離效率得到一定提升。而兩相流及湍流的理論研究相對不夠完善，關于分離效率和壓降與內部流場之間的關系研究不透徹。周聞等[2]通過試驗測量總結出總壓降與旋流臂出口氣速呈現良好的平方關系。陳曉慧[30]通過分析得到旋流器溢流口壓降的經驗關聯式。YANG L.L.等[6]通過數值模擬采用DPM的方法，探究了不同的入口條件下氣液兩相在旋流器內的分布情況。關于內部流場方面的定量研究目前還不完善，旋流器的流量和壓降的數值關系目前還未總結出一個明確關聯式，軸流式旋流器中的導葉葉片流道中的壓力場、速度場分析還無法得出相對精確的理論解，值得深入研究。后續研究需要進一步加強對旋流器內部流場的定量理論分析，使氣液旋流分離設備能夠更高效地應用于生產實踐。