气液分离器的设计与计算

气液分离器的设计与计算

杨婷婷

山东豪迈化工技术

气液分离器是化工生产中经常用到的一种非标设备，其功能是在特定的压力和温度下将游离气体从油和（或）水中分离出来^[1]。根据分离原理的不同，可以分为重力分离器、过滤分离器和离心分离器等；根据结构型式的不同，可以分为立式、卧式和球形分离器等；根据分离对象相态的不同，又可以分为两相和三相分离器等。本文主要介绍依据重力沉降原理进行分离的重力分离器及其计算。

重力分离器的计算基于以下三个重要假设^[2]：①悬浮物的运动速率为常数，忽略微粒沉降的加速阶段；②分离器内不发生凝聚和分散作用；③液、固微粒均是球形。在此基础上依据标准规范进行计算，再根据经验及工程需要进行修正，即可得到所需分离器的尺寸。

常见的分离器主要有立式和卧式两种结构，如图2-1和2-2所示。

图2-1 典型的立式两相分离器

一般来讲，立式气液分离器适用于从高气液比混合物中分离液体，而卧式气液分离器适用于从低气液比混合物中分离气体。但无论是立式还是卧式，为能在较宽的工况范围内平稳有效地运行，分离器通常都具有初级分离区、二级分离区、集液区和捕雾区四个功能区，如下图所示。

图2-2 典型的卧式两相分离器

初级分离区在分离器的入口部位，通常会设置某些形式的挡板，通过进口流体与挡板的碰撞，吸收流体的动能，改变液流的流动方向，使大液滴先自重沉降下来，从而将气液分成以气体为主和以液体为主的两个部分，实现预分离。同时减少气体的紊流，为二级分离做好准备。

二级分离区占据了分离器的主体部分，其分离原理是在流体流速减慢以后，小液滴依靠重力沉降从气流中分离出来。该区的分离效率取决于气体和液体的性质、液滴大小和气体的紊流程度，有时会采用内置的缓冲板来减缓紊流和消除泡沫，缓冲板也可兼作液滴捕集器。

集液区位于分离区的下方，用于液体收集，主要应保证足够的储存能力使液流得以缓冲，并提供足够液体脱气和三相分离器中游离水脱除所需的滞留时间。为防止底部液体夹带油或气，可在液体出口接管上方设置防涡流器。

捕雾区在气体出口的上游，其功能是在气体离开分离器之前除去气流中的小液滴（通常直径小至10μm）。通过设置一连串叶片或钢丝网填料等，使小液滴在捕雾器处聚集成较大的液滴，然后依靠重力沉降下来，从而实现气液分离。

在开始分离器的计算之前，需准备以下数据：

（1）    操作压力P，MPa；

（2）    操作温度T，K；

（3）    气体处理量V_G，m³/h；

（4）    液体处理量V_L，m³/h；

（5）    气体密度ρ_G，kg/m³；

（6）    气体密度ρ_L，kg/m³；

（7）    气体粘度μ_G，Pa•s。

这些数据可以通过现场数据采集、实验室分析检测或模拟计算软件得到。

分离器的型式应根据分离介质的液量、相数及分离液滴的直径确定，选择原则如下^[3-4]：

（1）液量较少，液体在分离器内的停留时间较短，或者液面高度不是由停留时间来确定，而是通过各个调节点间的最小距离100mm来加以限制的，宜选用立式分离器；

（2）液量较多，液体在分离器内的停留时间较长（高液面和低液面间的停留时间在6~9min）时，宜选用卧式分离器；

（3）气、油、水同时存在，并需进行分离时，宜选用三相卧式分离器；

（4）对于分离液滴直径大于200μm的气液分离，可选用不带丝网的重力分离器，否则应选用带丝网的重力分离器。

停留时间（t）为滞留时间（t₁）与缓冲时间（t₂）的加和。滞留时间是指在没有补充和出口流率恒定的条件下，气液分离器从正常液位（NL）降到低液位（LL）时所经历的时间。缓冲时间则是指在没有物料流出和入口流率恒定的条件下，气液分离器从正常液位（NL）升到最高液位时（LL）时所经历的时间。可见，滞留时间是从保持较好的控制和下游设备操作安全的要求考虑的，而缓冲时间是基于上游物流或下游物流的改变而导致液体积累考虑的。在没有特殊要求的情况下，缓冲时间可以取滞留时间的一半。

滞留时间受许多因素影响，包括液体量、液体密度、起泡性、上下游设备的工艺要求以及停车时塔板上的持液量。以原油的气液分离为例，对于不起泡且相对密度低于0.8467的原油，一般按1min滞留时间考虑；对于泡沫原油，一般取滞留时间为2~5min，如表3-1所示。

表3-1  两相分离器液体滞留时间的基本设计参数

4.1.1 确定分离器内的气速

（1）估算液滴沉降速度

式中K_s——系数，分离液滴直径d^*=200μm时，K_s=0.0512；d^*=350μm时，K_s=0.0675。

（2）计算雷诺数

（3）查得阻力系数

从如图4-1所示的Re数与阻力系数关系图中查得阻力系数C_w。

图4-1 Re数与阻力系数（C_w）关系图

（4）精确计算液滴沉降速度

根据精确计算求得的液滴沉降速度V_t，重复第（2）~（4）步进行迭代计算，直到前后两次得到的V_t值相等或在误差允许范围内。

取分离器内的气速u_e≤V_t，即分离器内的气体流速必须小于悬浮液滴的沉降速度。

4.1.2 计算分离器的直径

4.1.3 计算分离器的高度

低液位（LL）与高液位（HL）之间的距离按下式计算：

式中t——停留时间，min。

其余部分尺寸可参考图4-2中所示。

图4-2 立式重力分离器尺寸参考图

4.2.1 确定分离器内的气速

分离器内的气速u_G一般取气体通过丝网最大允许速度的75%。气体通过丝网的最大允许速度按下式计算：

式中K_SB——桑德斯-布朗（Souders-Brown）系数，可取0.107m/s。

4.2.2 计算分离器的直径

首先计算丝网的直径：

考虑到安装的要求，分离器的容器直径须比丝网直径大80~150mm。

4.2.3 计算分离器的高度

低液位（LL）与高液位（HL）之间的距离H_L计算方法同前，其余部分尺寸可参考图4-3中所示。

图4-3 立式丝网分离器尺寸参考图

5.1.1 试算直径

卧式分离器的直径按下式进行计算：

式中C=L_T/D_T=2~4（推荐值是2.5）；

A——可变的液体面积（以百分率计），即A=A_TOT - (A_a+A_b)，如图5-1。

其中A_TOT——总横截面积，%；

A_a——气体部分横截面积，%；

A_b——液位最低时液体占的横截面积，%。

图5-1 卧式分离器可变液体面积图

通常开始计算时取A=80%，并假设气体空间面积A_a为14%，最小液体面积A_b为6%。由试算得到的D_T和A_a =14%，查图5-2得到气体空间高度a。a值应不小于300mm，否则需用A<80%的数值再重新试算新的直径。

图5-2 气体空间高度求解图

5.1.2 计算进出口接管距离

两相流进口接管与气体出口接管之间的距离L_N应足够长，以保证液滴在分离器中能充分分离。按下式进行计算：

式中R——对于d*=350μm，使用R=0.167；

     对于d*=200μm，使用R=0.127。

根据前面算出的分离器直径D_T与长径比C，可以得到分离器圆筒形部分的长度L_T = C• D_T。显然，L_T不应小于L_N。

卧式丝网分离器的设计，是把卧式重力分离器和立式丝网分离器的设计结合起来，先按照立式丝网分离器的计算方法确定气体流速和丝网直径，再按照卧式重力分离器的计算方法确定分离器的尺寸，并进行校核。

气液分离器的计算是一项系统性工作，从前期的数据采集、分离器型式的选择、停留时间的确定到后面的计算过程，任何一个环节出了问题，都可能导致计算结果的偏差和不准确。因此，在计算时，应尽可能确保所用数据的真实有效，在选择系数时，则应多结合工程经验与实际工况。必要时，可以多计算几种型式的分离器进行选择和比较，也可以与工程上已经投产使用的类似工况的分离器进行对比，从而避免出现大的失误和偏差，给工业生产造成损失。

[1]国家发展和改革委员会. SY/T 0515-2007分离器规范[S]. 北京：石油工业出版社，2008.

[2]冯宇. 气液分离器设计计算[J]. 化工设计，2011，2(5)：18-22.

[3]中国石油天然气集团公司. GB 50350-2005油气集输设计规范[S]. 北京：中国计划出版社，2005.

[4]中国寰球化学工程公司. HG/T 20570.8-95工艺系统工程设计技术规定—气液分离器设计[S]. 北京：化工部工程建设标准编辑中心，1996.