基于文献计量学分析旋风分离器的研究进展及趋势
2023-07-04叶芳芳李天使梁家豪谢文玉李长刚
叶芳芳 李天使 梁家豪 谢文玉 李长刚
（1.广东石油化工学院环境科学与工程学院；2.丽水市供排水有限责任公司；3.广东省石油化工污染过程与控制重点实验室）
旋风分离器是一种利用旋风气流产生的强大离心力将气体中的固体颗粒和液体颗粒甩脱，实现气固或液固分离的装置，具有结构简单、性能稳定及运行成本低等优点，并且能够在高温、高压等极端环境下稳定运行，被广泛应用于制药、炼油和环境修复等行业［1，2］。目前，关于旋风分离器的研究文献发文量逐渐增多，但从文献计量学角度系统分析其研究进展的文献较少，因此对于未来的研究重点和方向指向不明。文献计量学是以文献为基础，采用定量化的方式梳理文献脉络获得数据，然后通过分析和总结找出变化规律，进而得到未来研究的发展趋势［3］。文献计量学所得结果具有客观性，被越来越多的研究领域所认同［4～6］。
笔者以CNKI 数据库和Web of Science（WOS）核心合集数据库为基础，检索近五年旋风分离器国内外相关文献，并对文献年发文量、作者、研究机构、关键词和国家进行较为系统的文献计量学统计分析［7］。总结和凝练旋风分离器的研究状况，为旋风分离器的整体研究情况提供数据支撑，明确未来的研究趋势和发展方向。
1 材料与方法
1.1 数据来源
中文文献来源于CNKI 数据库，检索词选定“旋风分离器”，检索条件为主题：旋风分离器or篇名：旋风分离器or 关键词：旋风分离器，检索时间为2018 年1 月1 日～2022 年5 月25 日，共检索出631 篇中文文献。其中主要主题选“旋风分离器”，去除与主题无关的和重复发表的文献后，最终纳入有效文献159 篇。
英文文献来源于WOS 核心合集数据库，按主题词“cyclone separator”进行检索，检索时间为2018 年1 月1 日～2022 年5 月25 日，共检索出英文文献347 篇，选择文献类型article 和review，除重后最终纳入有效文献331 篇。
1.2 研究方法
将纳入的中、英文文献题录分别以“Refworks”和“纯文本”格式导出，并通过CiteSpace 6.1.R1 进行转化、分析。时间跨度（time slicing）：均为2018～2022 年；时间切片（years per slice）：1年；主题词来源（term source）：默认全选；节点类型中作者、机构、关键词：阈值（top N per slice）＝50，并对关键词采用“pathfinder”、“pruning sliced networks”图谱修剪算法进行修剪使图谱更加清晰，根据各节点参数设置生成相应的可视化知识图谱［8］。
2 结果与分析
2.1 历年发文量分析
发文量直接体现了人们对某一领域的关注程度，可在一定程度上表征该领域的发展历程和速度［9］。如图1 所示，2018～2022 年，主题中包含旋风分离器的文献共490 篇，其中中文文献159篇，英文文献331 篇。英文文献中研究型论文（article）318 篇，占比96.07%，综述类论文（review）13 篇，占比3.93%。年发文量均大于99 篇，其中2020 年达到126 篇，这表明近五年旋风分离器一直是研究的热点。
图1 2018～2022 年发文量变化
2.2 作者和发文机构分析
分析研究旋风分离器的作者和发文机构，有助于了解该领域的主要科研人员和单位，掌握他们的研究方向，为学术交流和合作提供参考［10］。研究基于CiteSpace 分析软件，以CNKI 的数据为基础，以“Author”为节点类型，对文献作者进行可视化处理。结果显示 “N=156，E=124 （Density=0.0103）”，表明国内研究旋风分离器的关键作者156 名，作者间合作124 次。以WOS 的数据为基础，以“Author”为节点类型，对文献作者进行可视化处理。结果显示 “N=208，E=412 （Density=0.0191）”，表明国内外研究旋风分离器的关键作者208 名，作者间合作412 次，如图2 所示。
图2 核心作者及其合作关系网络
表1 列举了发文量排名前五的作者，其中魏耀东是国内旋风分离器研究的核心作者，近五年发表文献13 篇［11］。SUN G G 是国内外旋风分离器研究的核心作者，近五年发表文献10 篇［12］。从CNKI 和WOS 所显示的数据表明，国内对于旋风分离器的研究处于主导地位，投入了大量的科研时间和精力，取得了丰硕的研究成果。
表1 不同作者发文量统计
为进一步掌握国内外关于旋风分离器的研究机构和机构间合作关系，基于CiteSpace 分析软件，以CNKI 的数据为基础，以“institution”为节点类型，对文献研究机构进行可视化处理，结果显示“N=122，E=47（Density=0.0064）”，表明国内旋风分离器研究机构共122 个，机构间的合作47次。以WOS 的数据为基础，以“institution”为节点类型，对文献研究机构进行可视化处理。结果显示“N=143，E=77（Density=0.0076）”，表明国内外旋风分离器研究机构共143 个，机构间的合作77次，如图3 所示。
图3 研究机构及其合作关系网络
CNKI 数据定量分析结果表明中国石油大学（北京）近五年来发文量位居第一，共128 篇，占比75.29%。WOS 数据定量分析也得出相同的结论，说明中国石油大学（北京）是旋风分离器的核心研究机构。根据发文量的结果可以得出中国石油大学（北京）仍在继续深入开展旋风分离器相关研究工作。
2.3 关键词分析
关键词反映文献研究主题，通过对关键词的分析，能够有助于研究人员了解研究内容之间的网络关系，聚焦研究领域的热点主题，寻找未来研究的方向。研究基于CiteSpace 分析软件，以CNKI 的数据为基础，以“keyword”为节点类型，对文献研究机构进行可视化处理。结果显示 “N=161，E=203（Density=0.0158）”，表明国内旋风分离器研究关键词共161 个。以WOS 的数据为基础，以“keyword”为节点类型，对文献研究机构进行可视化处理，结果显示 “N=257，E=666 （Density=0.0203）”，表明国内外旋风分离器研究关键词共257 个，如图4 所示。
图4 文献中高频关键词
关键词出现频次的差别揭示了旋风分离器研究过程中相关研究内容的关注程度。因此根据关键词出现频次来进行排名，CNKI 数据显示出现频次排名前五的是分离效率、数值模拟、压降、分离性能和流场。WOS 数据显示出现频次排名前五的是Cyclone separator、Pressure drop、Performance、Collection efficiency 和CFD，具体出现频次见表2。
表2 高频关键词及其出现频次
基于CiteSpace 分析软件，对关键词聚类进行分析，可直观反映近五年旋风分离器研究关注的重点和未来研究趋势。对图4 中的CNKI 和WOS高频关键词进行聚类，得出旋风分离器研究的六大聚类，将各聚类中出现的关键词细化，所得结果见表3、4。
表3 CNKI 关键词聚类分析结果
表4 WOS 关键词聚类分析结果
CNKI 数据关键词聚类分析表明国内旋风分离器研究工作集中于两点：
a.通过数值模拟的方式，调控流体流场，关注过程参数，优化设备结构，提高分离效率。解凯等通过RSM 和DPM 两种模型模拟计算旋风分离器内的气-固两相流，并系统比较了不同外导流管的旋风分离器内流场、压降和分离效率［13］。陈思敏等通过CFD-DEM 耦合模拟计算旋风分离器运行时内部流程参数和粒径分布，研究其在不同粒径、不同进口速度下与分离效率和压降的关系,并给出了分离效率与各参数的拟合关系式［14］。
b.通过实验研究优化运行参数和结构参数，提高分离效率。李晓曼等在入口气流颗粒浓度为5～550 g/m3时，对蜗壳式旋风分离器的压降进行了实验分析，并通过实验结果给出了入口气流颗粒浓度对旋风分离器压降影响的计算方法［15］。刘秀林等优化旋风分离器结构，设计了一种新型旋风分离器，并通过对比实验得出新型旋风分离器的平均压降降低了21.91%，分离效率基本保持不变［16］。
需要指出的是聚类#2 给出的信息表明旋风分离器的研究主要集中在石油炼厂的催化裂化装置中的再生器。催化裂化是炼油工业重要的二次加工过程，能够实现重油的轻质化。装置的反应-再生系统是核心组件，其中再生器由多级旋风分离器组成，其运行状况良好直接关系到整套装置的生产能力［17］。
WOS 数据关键词聚类分析表明旋风分离器的研究基于机械设计和流体力学，通过设备内流体流动的模拟计算和实验验证，优化旋风分离器及核心部件结构，达到提高设备分离效率的研究目的。WAN G J 等使用CFD 软件平台对涡旋旋风分离器内不同粒径颗粒的固体浓度进行了数值模拟，并采用双向耦合的方法研究固体颗粒对气体流场的影响［12］。WANG S Y 等使用CFDDEM 软件对旋风分离器的流体力学特性进行数值模拟研究，通过改变进口角来模拟不同条件，捕捉过程中气体湍流，所得模拟结果与实验结果基本一致［18］。ZHOU F Q 等使用模拟和实验相结合的方式研究旋风分离器表面粗糙度对于流场分布和分离性能的影响，所得结果对于设备优化有借鉴意义［19］。另外，聚类#4 表明旋风分离器研究集中于气固分离过程［20］。
综上所述，关键词聚类分析结果显示调控不同的运行条件，采用数值模拟和实验研究相结合的方法，提高旋风分离器的分离效率和分离性能是未来的研究趋势。
2.4 文献来源国家分析
通过对文献来源国家进行统计分析，可以直观地判断出国家对于某一领域的的科研投入力度和影响力。研究基于CiteSpace 分析软件，以WOS的数据为基础，以“country”为节点类型，对文献研究机构进行可视化处理。结果显示“N=44，E=53（Density=0.056）”，表明国内外旋风分离器研究国家共44 个，国家间的合作为53 次，如图5 所示。
图5 国家及其合作关系网络
表5 使用WOS 数据统计了发文量排名前五的国家，本次纳入中英文文献共331 篇，其中国内发表文献共159 篇，占比48.04%，美国发表文献32 篇，占比9.67%，印度发表文献28 篇，占比8.46%。中国对于旋风分离器的研究极为重视并且在该领域投入了大量的科研力量，科研能力强，研究成果众多，在全球范围内有着一定的影响力。
表5 不同国家的发文量
3 结论与启示
近年来，旋风分离器的应用领域越来越广泛，除了以上提及的催化裂化装置的再生器，环境修复领域应用也较多，受到了越来越多的关注。基于CiteSpace 分析软件，从文献计量学的角度系统定量分析得出：旋风分离器是近五年该领域一直关注的重点，年发文量均超过99篇；孙耀东和孙国刚两位老师是旋风分离器研究领域的核心作者，两位老师带领的团队在旋风分离器研究领域有自己的独到见解，研究水平处于国际领先地位；中国石油大学（北京）是旋风分离器研究的核心单位；国内对于旋风分离器的关注度高，发表的文献数量位居第一，说明国内对于旋风分离器的研究和认知有一定的深度和广度。
关键词的出现频次和聚类分析结果表明，旋风分离器近五年的研究重点是提高设备的分离效率。以数值模拟为主，实验研究为辅，通过调控运行参数和优化结构参数，模拟设备内部流体流场，提高设备的分离效率，并通过实验数据验证和修正模型，提高模型的准确性和实用性。这将是今后的研究趋势和发展方向。值得关注的是旋风分离器在大气污染治理和土壤污染治理过程中的应用将是潜在的研究热点。
