网络出版时间：2016-09-30 13:27:24 网络出版地址：/kcms/detail/12.1102.TQ1327.024.html 化学工业与工程 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING Doi:10.13353/j.issn.1004.9533 丝网除沫器分离性能实验研究 1,2 1,2* 黄彬杰 ，袁希钢 （天津大学化工学院，化学工程联合国家重点实验室，天津300072 ） 摘要：丝网除沫器大范围的应用于石油、化工以及天然气等行业，丝网除沫器有缠绕式以及多层式两 种结构，目前对于丝网除沫器的研究十分有限，且绝大部分是研究多层式结构，对于缠绕式结构 的研究就没有报道。本文通过研究不一样的规格的缠绕式丝网除沫器的分离效率得到一系列实验数 据，分析了丝网除沫器的结构参数以及气速对分离效率的影响。最后建立了的分离效率数学模型， 其计算结果与实验结果有较好一致性。 关键词：丝网除沫器；缠绕式；分离效率；数学模型； 中图分类号：TQ051/056 文献标志码：A Experimental Study on the Separation Performance of Wire-Mesh Mist Eliminator Huang Binjie1,2 ，Yuan Xigang1,2* (1.School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. State Key Laboratory of Chemical Engineering, Tianjin 300072, China ) Abstract: Wire-mesh mist eliminators are widely used in petroleum, chemical and gas industries. Wire-mesh mist eliminators are divided into two kinds: spiral wound and layered structure. Literature on wire mesh mist eliminators is still fewer, and majority of research have reported on layered structure and little on spiral wound structure. In this work, a set of experimental data was obtained by investigating the separation capacity of diffident spiral wound wire mesh eliminators, the effects of gas velocity and design characteristics on the droplet separation efficiency were analyzed. Finally, a mathematic model is proposed. A good agreement was obtained between the experimentally measured values and the model predictions. Keywords: wire-mesh mist eliminator;spiral wound; separation efficiency; mathematic mode 收稿日期：2015-04-28 作者简介：黄彬杰（1990 - ），男，硕士研究生，从事气液分离器研究。 通信作者：袁希钢， E-mail: yuanxg@ 。 化学工业与工程 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING 气液分离器大范围的应用于石油、化工以及天然气 收集器挡板分离的液体质量m 。实验利用称重法将 加工等行业，它将气体中的雾沫分离开，由此减少 喷嘴进口的液体体积流量换算为质量流量，为了避 因雾沫夹带导致的返混以提高效率，改善操作，同 免实验误差，测量5 min 内的平均质量流量，分别 时净化尾气，减少大气污染等。 测量5 组平行样，这5 次测量的平均质量流量差不 在很多类型的商业化气液分离器中，丝网除沫 超过2 %时，其平均值即可作为本次实验的液体进 [1] 器是使用范围最广泛的 。因为丝网除沫器结构简 口质量流量m 。因此能得到取样时间内液体的总 0 单体积小，除沫效率高，阻力小，重量轻，安装、 进料量M 。 0 操作、维修方便，用于气液分离装置中可有效控制 所以分离效率η 的计算式为： 气体夹带的液滴量，保证传质效率，降低有价值的 物料损失。尽管丝网除沫器已经大范围的应用于各种工 （1） 业生产中，但是关于丝网除沫器的工业设计目前依 然依赖于Souders 和Brown 在20 世纪30 年代提出 实验中所采用的丝网除沫器的直径为 200 [2] [3-7] 的基础原理 ，能够参考的数据和文献十分有限 , mm ，制作材料为316L 不锈钢，丝网除沫器的规格 [8-9] 且绝大部分是研究多层式结构 ，对于缠绕式结构 如表1 所示。 的研究就没有报道。因此十分有必要对缠绕式丝 2 丝网除沫器的分离机理 网除沫器进行深入研究。 本文采用多种不同结构的缠绕式丝网除沫器， 当气液两相流通过丝网除沫器时，丝网阻碍气 利用空气-水物系进行基础性实验研究，考察气速、 流前进，使气流多次改变运动速度和运动方向，这 丝网除沫器的比表面积、丝径以及除沫器床层厚度 些改变引起液滴对丝网产生惯性碰撞、重力沉降、 [10] 对分离效率的影响，同时建立相应的数学模型，并 直接拦截、布朗扩散、静电吸引等作用 而使液滴 将数学模型的计算结果与实验结果作比较，以期 聚集。由于液滴粒径一般大于1 μm，质量极小，且 [11] 为缠绕式丝网除沫器的工业设计提供较为可靠的依据。 大部分呈电中性，故Holmes 等 认为丝网除沫器 主要的分离机理为：惯性碰撞和直接拦截。 1 实验部分 惯性碰撞是丝网除沫器最主要的分离机理。当 实验装置及流程如图1 所示。实验装置主体外 液滴随气流以一定的速度垂直向金属丝方向运动 壳由有机玻璃制造，内径为200 mm 。实验在标准 时，气液两相流受阻即需要改变运动方向以绕过金 环境条件（T =25 C°，P=1 atm ）下进行。水经过增 属丝。密度较大的液滴由于惯性较大，不能同气流 压泵7 达到60 kPa 压力，经转子流量计6 调节流量 一起及时改变运动方向，而是继续保持直线 提供 直到与丝网发生碰撞而被捕集，形成大液滴后自丝 350 kPa 压缩空气，经气体流量计4 调节流量为 网滴落分离，这种分离方式称为惯性碰撞分离。对 240L·min- 1，同样进入超声波喷嘴5。在喷嘴喉管处 于单根金属丝的惯性碰撞分离效率通常与St 有关 液体被高速压缩空气分散为细小雾滴，液滴被鼓风 [12-13]，即： 机8 提供的气流夹带向上运动。鼓风机产生的气体 流量由涡街流量计9 控制。 （2 ） 气流中夹带的大液滴因重力作用，脱离气流， 滴落至液体收集器10；非垂直运动的液滴与管壁碰 式(2) 中 为液相密度 （kg ·m-3 ），u 为气体表观速度 撞，沉积于管壁上，向下流动，汇聚于液体收集器 10；小液滴随着气流穿过丝网除沫器1，其中一部 （m·s-1 ），dd 为液滴粒径 （m ）， 为气体运动粘度 分液滴被丝网除沫器分离滴落至液体收集器2，另 一部分液滴则随着气流由气体出口逃逸。液体收集 2 - 1 （m ·s ）， 为金属丝丝径 （m ）。 器2 、10 收集的液体待分离过程达到稳定时，经阀 门排出并待排出流量恒定时收集液体，取样时间为 直接拦截是气流中的液滴粒径较小或者气速 5 min，用电子天平对样品进行称重得到质量分别为 较低时，液滴的惯性较小，在突然改变方向时，液 M ，M 。液体收集器2 收集的液体包括除沫器分离 滴不能够脱离气流，而是随着气流一起绕过金属 2 1 的液滴以及液体收集器挡板分离的液滴，故进行空 丝。但如果液滴与金属丝的距离足够小时（液滴圆 塔 （不含丝网除沫器）实验，得到相同气速下液体 心与金属丝的距离小于液滴的半径），液滴便能与 化学工业与工程 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING 金属丝接触从而被捕集。Chen[14]提出直接拦截的分 离效率和液滴粒径与金属丝丝径之比有关： （3 ） 式(3) 中R 为液滴粒径与金属丝丝径之比， ， dd 为液滴粒径， 为金属丝丝径。 图1 实验装置流程图 Fig. 1 Schematic diagram of experiment apparatus 1-丝网除沫器； 2,10-液体收集器； 3-空气压缩机； 4-气体流量计；5- 超声波喷嘴；6-转子流量计；7-增压泵；8-鼓风机；9-涡街流量计 表1 测量的除沫器的结构参数 Table 1 Geometric characteristics of the tested mist eliminators 编号 A B C D E F G H I J 2 -3 比表面积/m ·m 212 212 212 205.5 375 579 860 212 212 212 空隙率/% 98.79 98.79 98.79 98.61 97.47 96.09 94.20 99.36 99.10 98.48 丝径/mm 0.228 0.228 0.228 0.27 0.27 0.27 0.27 0.12 0.17 0.286 厚度/mm 65 100 150 100 100 100 100 100 100 100 率：当气速为2 m·s-1 时，分离效率为45% 。当气速 3 结果与讨论 -1 降为1 m·s 时，分离效率只有约14%； 3.1 气速的影响 El-Dessouky[17]实验测量了丝径为0.28 mm，比表面 图 2~4 表示丝网除沫器分离效率随气速的变 2 -3 积为148 m ·m ，床层厚度为200 mm 的丝网除沫 -1 化。如图所示，丝网除沫器的分离效率随气速的增 器在气速为1.26 m·s 下分离粒径为1～3 μm 的液 大，呈现先增大后减小的变化。这是因为：1）在 滴的分离效率，结果分别为38 %、44 %、49% 。对 较低气速下，只有小液滴能够克服重力作用到达丝 比本文实验数据，表明本实验在低气速下的分离效 网除沫器，由于小液滴的惯性和粒径较小，根据分 率的测量结果是准确的。 离机理可知其惯性分离效率及直接拦截分离效率 都较小，因此在较低气速下分离效率较低；2 ）增 [15] 加气速可以增大液滴的运动速度及粒径 ，从而增 大惯性碰撞分离效率和直接拦截分离效率，因此分 离效率随着气速的增大而增大；3 ）当气速增大到 临界值即分离效率达到最大值时，分离效率随着气 速的增加迅速降低，这是由于在高气速下，被丝网 捕集而聚集的大液滴不能够在重力的作用下滴落 分离，而是附着在丝网壁上，这就造成除沫器内液 体大量积聚。当气速继续增大时，这些液滴就会重 新被高速气流夹带出除沫器，从而造成分离效率迅 图2 不同气速下比表面积对分离效率的影响 [10,14] Fig.2 Effect of surface area on the separation efficiency at 速下降 ，此现状称为二次夹带。 Brunazzi 和Paglianti[16]实验测量了丝径为0.27 different gas velocities 2 -3 mm ，比表面积为267 m ·m ，床层厚度为150 mm 的丝网除沫器分离粒径为3.5 μm 的液滴的分离效 化学工业与工程 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING [18] 丝径越小就越能捕获小尺寸的液滴 ，因此丝径对 分离效率的影响越明显。但是当气速较大时，丝径 对分离效率的影响较小，这是因为：当比表面积一 定时，丝径越小，空隙率越大，从前文我们大家可以得 知这将降低气流中液滴与丝网发生碰撞被捕集的 概率，不利于提高分离效率，而且气速越大，空隙 [15] 率的影响越明显 ，这就导致了在较大气速下，丝 径对分离效率的影响很小。 3.4 床层厚度的影响 图3 不同气速下丝径对分离效率的影响 图4 表示丝网除沫器床层厚度对分离效率的影 Fig.3 Effect of wire diameter on the separation efficiency at 响。由图可见，在未发生二次夹带前，分离效率随 different gas velocities 着丝网除沫器的床层厚度的增加而增加。这是因为 床层厚度越大，气流通过除沫器需要的时间就越 长，气流中的液滴与丝网发生碰撞的概率也就越 大，来提升了分离效率。 4 数学模型 根据实验结果发现，在未发生二次夹带前，分 离效率随着气速、丝网除沫器的比表面积、丝径以 及床层厚度的变化具有一定的规律。因此本文根据 实验结果、缠绕式丝网除沫器的分离机理以及空间 图4 不同气速下床层厚度对分离效率的影响 结构建立了数学模型，拟合了预测发生二次夹带之 Fig.4 Effect of packing thickness on the separation 前的分离效率的数学模型，最后对比了模型计算值 efficiency at different gas velocities 与实验结果。 3.2 比表面积的影响 4.1 模型建立 图2 表示床层厚度为100 mm，丝径为0.27 mm 虽然利用实际的几何结构参数建立复杂的数 的丝网除沫器的比表面积对分离效率的影响。由图 学模型可以对事物进行更全面的描述，但是复杂的 可见，在未发生二次夹带的情况下，分离效率随着 模型必定需要更为复杂的数值计算，而更为复杂的 [16] 比表面积的增加而增加。这是由于对于丝径一定的 计算却不能相应地增加模型预测的准确性 。因此 丝网除沫器，比表面积增加导致其空隙率减小，即 本文根据缠绕式丝网除沫器的结构特征，提出一个 气流通过的自由截面积减少，这将使气流中液滴与 简化模型（图 5 ）：将厚度为H 的丝网除沫器分割 丝网发生碰撞被捕集的概率增加，从而促进了液滴 为n 层正方体网格单元，每个网格单元边长为L， [17] 的分离，提高了分离效率 。此外，由图2 中可知， 并假设：（a ）未发生二次夹带（b ）网格单元内中 比表面积越大，发生二次夹带的气速越小，这是因 没有液体的积聚，（c ）气体经过每层网格后都进行 为：比表面积越大，空隙率越小，丝网捕集的液滴 均匀的再分布，（d ）每个网格单元分离效率相同。 就越多，即丝网除沫器内的持液量越大，从而易发 生二次夹带。 3.3 丝径的影响 图3 表示丝径对分离效率的影响。测试的丝网 除沫器的床层厚度均为 100 mm，比表面积为212 2 -3 m ·m 。由图3 可见，在未发生二次夹带前，丝径 越小，分离效率越大。这是因为：气速一定时，丝 径越小，液滴粒径与金属丝丝径之比就越大，由式 （3 ）可知直接拦截分离效率也就越大。另外，从 图中能得出，气速越低，丝径对分离效率的影响 越明显，是因为气速越小，液滴粒径也就越小， 化学工业与工程 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING 图5 网格模型 置的丝网的直接拦截横截面积 Sr1 ， Fig.5 Grid model 表示水平放置的两根丝网的 每个网格单元包含三根相互垂直且长度均为L 的金属丝，网格单元的特征长度L 定义可由空隙率 直接拦截横截面积Sr2 ， 为直接拦截分离效率。 表示 3 ）未经过任何分离作用的剩余液滴浓度C1c： （4 ） （11） 故网格的特征长度L 的表达式为： 将式（9 ）（10）（11）代入上式进一步化简可 得： （5 ） （12） 网格单元层数n 的定义式为： 同样，通过第二层网格单元后的液滴浓度 C2 （6 ） 分为三个部分： 1）气体经过惯性碰撞后的剩余液滴浓度C2i 若将式（1）定义的分离效率用液滴浓度表示，则 （13） 有： 2 ）气体经过直接拦截后的剩余液滴浓度C2r ： （7 ） （14） 3 ）未经过任何分离作用的剩余液滴浓度C2c ： 其中C 为进入第一层网格气体中的液滴浓度， 0 为了计算分离效率，我们一定要知道分离后气体中的 （15） 液滴浓度 C 。若知道 C ，根据之前的假设我们可 n 0 以得到气体经过每层网格分离后的液滴浓度。 因此 C2 的表达式为： 经过第一层网格单元分离后的液滴浓度 C1 可 以分为三个部分，即

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