气液分离器设计.docx

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气液分离器设计

气—液分离器设计

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1总则

1.1目的

1.2范围

1.3编制本标准的依据

2立式和卧式重力分离器设计

2.1应用范围

2.2立式重力分离器的尺寸设计

2.3卧式重力分离器的尺寸设计

2.4立式分离器（重力式）计算举例

2.5附图

3立式和卧式丝网分离器设计

3.1应用范围3.2立式丝网分离器的尺寸设计

3.3卧式丝网分离器的尺寸设计

3.4计算举例

3.5附图

4符号说明

1总则

1.1目的

本标准适用于工艺设计人员对两种类型的气液分离器设计，即立式、卧式重力分离器设计和立式、卧式丝网分离器设计。

并在填写石油化工装置的气液分离器数据表时使用。

1.2范围

本标准适用于国内所有化工和石油化工装置中的气－液分离器的工程设计。

1.3编制本标准的依据：

化学工程学会《工艺系统工程设计技术规定》HG/T20570.8-1995第8篇气液分离器设计。

2立式和卧式重力分离器设计

2.1应用范围

2.1.1重力分离器适用于分离液滴直径大于200μm的气液分离。

2.1.2为提高分离效率，应尽量避免直接在重力分离器前设置阀件、加料及引起物料的转向。

2.1.3液体量较多，在高液面和低液面间的停留时间在6～9min，应采用卧式重力分离器。

2.1.4液体量较少，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，应采用立式重力分离器。

2.2立式重力分离器的尺寸设计

2.2.1分离器内的气速

2.2.1.1近似估算法

（2.2.11）

式中

Vt浮动（沉降）流速，m/s；

ρL、ρG液体密度和气体密度，kg/m3；

KS系数

d*=200μm时，KS=0.0512；

d*=350μm时，KS=0.0675。

近似估算法是根据分离器内的物料流动过程，假设Re=130，由图2.5.11查得相应的阻力系数CW=1，此系数包含在Ks系数内，Ks按式（2.2.11）选取。

由式（2.2.11）计算出浮动（沉降）流速（Vt），再设定一个气体流速（ue），即作为分离器内的气速，但ue值应小于Vt。

真正的物料流动状态，可能与假设值有较大的出入，会造成计算结果不准确，因此近似估算法只能用于初步计算。

2.2.1.2精确算法

从浮动液滴的平衡条件，可以得出：

（2.2.12）

式中

Vt浮动（沉降）流速，m/s；

d*液滴直径，m；

ρL、ρG液体密度和气体密度，kg/m3；

g重力加速度，9.81m/s2;

Cw阻力系数。

首先由假设的Re数，从图2.5.11查CW，然后由所要求的浮动液滴直径（d*）以及ρL、ρG按式（2.2.12）来算出

，再由此

计算Re。

（2.2.13）

式中

μG气体粘度，Pa·S。

其余符号意义同前。

由计算求得Re数，查图2.5.11，查得新CW，代入式（2.2.12），反复计算，直到前后两次迭代的Re数相等，即

为止。

取ue≤Vt,即容器中的气体流速必须小于悬浮液滴的浮动（沉降）流速（Vt）。

2.2.2尺寸设计

尺寸图见图2.2.2所示。

2.2.2.1直径

（2.2.21）

式中

D分离器直径，m；

VGmax气体最大体积流量，m3/h；

ue容器中气体流速，m/s。

由图2.5.12可以快速求出直径（D）。

2.2.2.2高度

容器高度分为气相空间高度和液相高度，此处所指的高度，是指设备的圆柱体部分，见图2.2.2所示。

低液位（LL）与高液位（HL）之间的距离，采用式（2.2.22）计算

（2.2.22）

式中

HL液体高度，m；

t停留时间，min；

D容器直径，m；

VL液体体积流量，m3/h。

图2.2.2立式重力分离器

停留时间（t）以及釜底容积的确定，受许多因素影响。

这些因素包括上、下游设备的工艺要求以及停车时塔板上的持液量。

当液体量较小时，规定各控制点之间的液体高度最小距离为100mm。

表示为：

LL（低液位）-100mm-LA（低液位报警）-100mm-NL（正常液位）-100mm-HA（高液位报警）-100mm-HL（高液位）。

2.2.2.3接管直径

1）入口接管

两相入口接管的直径应符合式（2.2.23）要求。

<1000Pa（2.2.23）

式中

up接管内流速，m/s；

рG气体密度，kg/m3。

由此导出

DP>3.34×10-3（VG＋VL）0.5（2.2.24）

式中

VG、VL分别为气体与液体体积流量，m3/h；

DP接管直径，m。

由图2.5.13可以快速求出接管直径。

2）出口接管

气体出口接管直径，必须不小于所连接的管道直径。

液体出口接管的设计，应使液体流速小于等于1m/s。

任何情况下，较小的出口气速有利于分离。

2.3卧式重力分离器的尺寸设计

2.3.1计算方法及其主要尺寸

设备尺寸计算的依据是液体流量及停留时间。

按式（2.3.1）求出“试算直径”DT，在此基础上，求得容器中液体表面上的气体空间，然后进行校核，验证是否满足液滴的分离。

卧式重力分离器的尺寸见图2.3.1所示。

试算直径

（2.3.1）

式中

C=LT/DT=2～4（推荐值是2.5）；

DT、LT分别为圆柱部分的直径和长度，m；

VL液体的体积流量，m3/h；

t停留时间，min；

A可变的液体面积（以百分率计）即

A=ATOT－（Aa+Ab），均以百分率计

其中ATOT总横截面积，%；

Aa气体部分横截面积，%；

Ab液位最低时液体占的横截面积，%。

液

图2.3.1卧式重力分离器

通常开始计算时取A=80%，并假设气体空间面积Aa为14%，最小液体面积Ab为6%。

选择C值时，须考虑容器的可焊性（壁厚）和可运输性（直径、长度）。

由DT和Aa=14%，查图2.5.1-4，得出气体空间高度（a），a值应不小于300mm。

如果a＜300mm，需用A＜80%的数值，再进行计算新的试算直径。

2.3.2接管距离

两相流进口接管与气体出口接管之间的距离应尽可能大，即LN≈LT及LT=C·DT。

式中

LN两相流进口到气体出口间的距离，m;

LT圆筒形部分的长度，m。

根据气体空间（Aa）和一个时间比值（R）（即液滴通过气体空间高度所需沉降时间与气体停留时间的比）来校核液滴的分离，计算进口和出口接管之间的距离（

）。

（2.3.21）

式中

、

、a分别为进出口接管间距离、卧式容器直径和气体空间高度，m；

VG气体流量，m3/h；

ρL、ρG分别为液体密度、气体密度，kg/m3；

Aa气体部分横截面积，%；

R对于d*=350μm，使用R=0.167

对于d*=200μm，使用R=0.127

R=τs/τT

其中τs直径为d*的液滴，通过气体空间高度（a）所需要的时间，s；

τT气体停留时间，s。

两相流进口到气体出口间的距离（LN）不应小于

。

接管设计见2.2.2.3规定。

2.3.3液位和液位报警点计算实例

已知：

VL=120m3/h，t=6min，DT=2000mm，LT=5000mm，最低液位高度hLL=150mm。

最低液位（LL）、低液位报警（LA）、正常液位（NL）、高液位报警（HA）、最高液位（HL）之间的时间间隔分别是2、1、1、2min。

要计算对应时间间距的各液位高度。

解题：

如图2.3.3所示。

最低液位，即液面起始高度（计算时间为0）的液位高度（hLL）为150mm。

容器横截面积（ATOT）:

相当于液体在容器中停留时间为1min所占的横截面积为：

A1=120×1/（60×5）=0.4m2

图2.3.3卧式重力分离器液位高度

其它几个高度按下述方法求出：

hLL/DT=150/2000=0.075，由图2.5.15查得

。

得

查图2.5.15得

，从最低液位经2min后得到液面高度为

得

查图2.5.15得

=0.434，过1min后，液面高度为hNL=0.434×2000=868mm（hNL即是图中h）

得

查图2.5.15得

=0.535，再过1min液面高度为hHA=0.535×DT=0.535×2000=1070mm（hHA即是图中h）

得

查图2.5.15得

，再过2min液面高度为hHL=0.746×DT=0.746×2000=1492mm（hHL即是图中h）。

2.4立式分离器（重力式）计算举例

2.4.1数据

VL=8.3m3/h

ρL=762kg/m3

T=318K

P=0.324MPa

Vmax=135%

VG=521.7m3/h

ρG=4.9kg/m3

μG=14.6×10-6Pa·s

d*=350×10-6m

Vmin=70%

停留时间t=6min，要决定分离器尺寸。

2.4.2解题

2.4.2.1浮动流速（Vt）

由式（2.2.12）计算

=[4×350×10-6×（762-4.9）/（3×1×4.9）]0.5

=0.841m/s

由式（2.2.13）计算

由图2.5.11查得CW=1.25，由式（2.2.12）计算，得Vt=0.75，再由式（2.2.13）计算，得Re=88.4，由图2.5.11查得

CW=1.25，试算结束，取ue=Vt,Vt=0.75m/s。

2.4.2.2尺寸

直径

=0.576m取D=0.6m

选用D=1m（由于上述计算L/D不合适）

每分钟停留时间相当于高度为：

H=1430/6=238mm

2.5附图

2.5.1附图

2.5.1.1雷诺数Re与阻力系数CW的关系，见图2.5.11所示。

2.5.1.2快速确定D与u的关系，见图2.5.12所示。

2.5.1.3接管直径的确定，见图2.5.13所示。

2.5.1.4容器横截面积的求法

（一），见图2.5.14所示。

2.5.1.5容器横截面积的求法

（二），见图2.5.15所示。

图2.5.1－1Re数与阻力系数（Cw）关系图

图2.5.1－2容器和丝网直径的确定

图2.5.1－3接管直径的确定

图2.5.1－4容器横截面积的求法

（一）

图2.5.1－5容器横截面积的求法

（二）

3立式和卧式丝网分离器设计

3.1应用范围。

3.1.1丝网分离器适用于分离气体中直径大于10～30μm的液滴。

3.1.2丝网分离器主要部件为一固定安装的丝网组件，由丝网和上下支承栅条组成。

丝网材料可采用不同的金属或非金属材料。

如：

不锈钢、蒙乃尔合金、镍、铜、铝、碳钢、钽、耐腐蚀耐热镍合金、聚氯乙烯和聚乙烯等。

3.1.3丝网分离器通常规格是丝网的丝直径为0.22mm～0.28mm，丝网的厚度约为100mm～150mm。

3.2立式丝网分离器的尺寸设计

3.2.1气体流速（uG）的确定

气体流速对分离效率是一个重要影响因素。

流速过高，聚集的液滴不易从丝网上落下，液体充满丝网，造成液泛，以致一度被捕集的液滴又飞溅起来，再次被气体携带出去，使分离效率急剧降低；流速过低，夹带的雾沫在气体中飘荡，未与丝网细丝碰撞就随着气流通过丝网而被气体带走，降低了丝网的分离效率。

气速对分离效率的影响见图3.2.1所示。

图3.2.1分离效率与气速的关系

3.2.1.1计算方法

（一）

用常数（KG）的计算方法

（3.2.11）

式中

uG与丝网自由横截面积相关的气体流速，m/s；

ρL、ρG分别为液体和气体的密度，kg/m3;

KG常数，通常KG=0.107。

如果气流中有较大的液体量被分离，则建议采用KG=0.075。

在高粘度液体、高压或高真空工艺中，KG可采用0.06。

3.2.1.2计算方法

（二）

本方法适用于两相物料中含液体很少的物流，假定两相中的液体全部被丝网截住，通过本方法求得气体流速。

丝网自由横截面积上的气体流速（uG）

（3.2.12）

其中

（3.2.13）

式中

c安全系数，取0.7～0.9；

m校正系数，由

和

由图3.5.12查得；

σL工作温度下液体表面张力，N/m，烃类的σL可按式（3.2.14）计算：

（3.2.14）

u0临界流速，m/s；

μL液体粘度，Pa·s；

ε丝网空隙率；

a＇丝网比表面积，m2/m3；

丝网参数见表3.2.1。

g重力加速度，9.81m/s2；

σH2O（20℃）20℃水的表面张力，72.8×10-3N/m；

ρL、ρG分别为液体和气体的密度，kg/m3；

ML液体分子量；

N系数，由

由图3.5.11查得（当M＜0.00001时，取N=0.7

进行计算）；

ΔWL进出丝网的液体流量之差，kg/h；

WG气体质量流量，kg/h。

表3.2.1国内丝网分离器参数表

型号

规格

空隙率（ε）

丝网密度Kg/m3kg/m3

丝径mm

40～100型

标准型

60～150型

0.982

150

φ0.23

140～400型

高效型

60～100型

0.975

150

φ0.23

80～100型

φ0.12

高穿透型

20～100型

30～150型

0.990

160

φ0.23

70～140型

注：

表3.2.1摘自行业标准《丝网除沫器》（HG5140481、HG5140581和HG5140681）。

3.2.1.3计算方法（三）

本方法适用于物流中液体含量较多时，首先假定被气流夹带的液量。

根据本方法计算夹带的液量，然后通过计算方法

（二）求得气体流速。

1）当测得被气体夹带的液滴直径（d*）后，设定丝网自由横截面积上的气体流速（uG），并计算Re数。

（3.2.15）

式中

μG气体粘度，Pa·s；

ρG气体密度，kg/m3。

其余符号意义同前。

2）由Re数查图2.5.11，得阻力系数（Cw）；

3）由CW校核uG

（3.2.16）

若与假定值不符，则改变uG值，直到uG值与假定值相近。

其余符号意义同前。

4）由d*、uG值计算单位气体量带到丝网上的液体夹带量（E）

（3.2.17）

及

（3.2.18）

式中

E单位气体量带到丝网上的液体夹带量；

M辅助因子。

其余符号意义同前。

5）由M查图3.5.11得N。

M、N为辅助系数；

6）按

及

查图3.5.12得系数m值；

7）由式（3.2.13）得u0。

若u0值小于uG，且差值不大，则可以用uG进行3.2.2的尺寸设计，否则应选用其它参数（a＇、ε）的丝网。

若未测定液滴直径（d*），则可用式（3.2.11）先定uG值，然后再假定d*，求Re及CW，由式（3.2.15）验算d*值，若不符合，重新假定d*值，直至两值相近为止，然后再按3.2.1.3中4）～7）计算。

3.2.2尺寸设计

3.2.2.1丝网直径

由式（3.2.11）求得的uG，按式（3.2.21）求DG：

（3.2.21）

式中

uG丝网自由截面积上的气体流速，m/s；

DG丝网直径，m；

其余符号意义同前。

由于安装的原因（如支承环约为50/70×10mm），容器直径须比丝网直径至少大100mm。

由图2.5.12可以快速求出丝网直径（DG）。

3.2.2.2高度

容器高度分为气体空间高度和液体高度（指设备的圆柱体部分）。

低液位（LL）和高液位（HL）之间的距离由式（3.2.22）计算：

（3.2.22）

式中

D容器直径，m；

VL液体流量，m3/h；

t停留时间，min；

HL低液位和高液位之间的距离，m。

液体的停留时间（以分计）是用邻近控制点之间的停留时间来表示的，停留时间应根据工艺操作要求确定，例如：

LL4LA2NL2HA2HL

上式表示：

LL（最低液位）和LA（低液位报警）之间的停留时间为4min，LA和NL（正常液位）之间的停留时间为2min等内容。

气体空间高度的尺寸见图3.2.2所示。

丝网直径与容器直径有很大差别时，尺寸数据要从分离的角度来确定。

3.2.2.3接管直径

1）入口接管

两相混合同物的入口接管的直径应符合式（3.2.23）要求：

Pa（3.2.23）

式中

uGL接管内两相流速，m/s；

ρG气相密度，kg/m3;

由此导出

（3.2.24）

式中

DP接管直径，m；

VL液体体积流量，m3/h；

VG气体体积流量，m3/h；

其余符号意义同前。

由图2.5.13可以快速求出接管直径（DP）。

图3.2.2立式丝网分离器

2）出口接管

液体、气体的出口接管的直径，不得小于连接管道的直径。

液体出口接管可以用小于等于1m/s的流速来设计。

气体出口流速取决于气体密度，密度小时，最大出口流速uG.max≈20m/s。

密度大时，选用较小的气体出口流速。

任何情况下，较小的气体出口流速有利于分离。

3.2.3丝网的装配

除考虑经济因素外，还应考虑工作温度、容器材料以及丝网本身的耐久性。

采用聚丙烯或聚乙烯丝网时，应注意产生碳氢化合物的影响；采用聚四氟乙烯或不锈钢丝网时应考虑其受温度的限制；铝制容器内不能采用蒙乃尔丝网；在有水滴存在的条件下，钢制容器内不能采用铝制丝网。

3.3卧式丝网分离器的尺寸设计

3.3.1如果经卧式分离器之后，临界液滴直径需要小于200μm时，分离器应带有丝网，丝网通常置于罐顶部的分离空间中。

其设计方法，是把卧式重力分离器（参看第2章“立式和卧式重力分离器设计”中2.3规定）和立式丝网分离器的设计结合起来，从经济上考虑，应使气体空间尽可能地小。

气体最小空间高度amin=300mm，见图3.3.1所示。

图3.3.1卧式丝网分离器

3.4计算举例

3.4.1数据

VL=0.4m3/h

ρL=878kg/m3

T=33℃

Vmax=135%

VG=372.9m3/h

ρG=5.95kg/m3

P=0.29MPa

Vmin=70%

要决定分离器尺寸

3.4.2解题

3.4.2.1气体流速（uG）

由式（3.2.11）得：

uG=KG（

）0.5=0.107（

）0.5=1.3m/s

3.4.2.2尺寸

1）丝网直径（DG）

由式（3.2.21）得：

2）容器直径（D）至少要比丝网直径大100mm（考虑安装固定，如支承环约为50/70×10mm），取容器直径为500mm。

3）高度（HL）

由式（3.2.22）得：

4）接管

两相进口

由式（3.2.23）得ρG·

＜1500Pa

再由式（3.2.24）得：

气相出口

气体出口流速=两相进口流速

选用DP=0.15m

液体出口

选用管径DN40，则流速为：

3.5附图

3.5.1附图

3.5.1.1由（ΔWL/WG）（ρG/ρL）0.5查得辅助系数（N），见图3.5.11所示。

3.5.1.2由ρG/ρL和σL/σH2O（20℃）查得校正系数（m），见图3.5.12所示。

图3.5.1－1（ΔWL/ΔWG）（ρG/ρL）0.5与系数（N）的关系图

图3.5.1-2ρG/ρL和σL/σH2O（20℃）与校正系数（m）的关系图

4符号说明

a气体空间高度，m；

a'丝网比表面积，m2/m3；

A可变液体面积，%；

Aa气体部分横截面积；

Ab最小液面面积；

ATOT容器横截面积；

Aa、Ab、ATOT在式（2.3.1）、式（2.3.21）中，单位为%；在

2.3.3规定中，计算举例单位为m2。

C容器高度与直径之比；

c安全系数；

CW与流动状态有关的阻力系数；

d*液滴直径，m；

D容器直径，m；

DG丝网直径，m；

Dmin分离器最小直径，m；

DP接管直径，m；

DT圆柱部分的直径，m；

DT′卧式容器直径，m；

E单位气体量带到丝网上的液体夹带量；

g重力加速度，9.81m/s2；

HL液体高度，m（第2章）；

HL低液位与高液位间的距离，m（第3章）；

h可变液面高度，mm，m；

hLL最低液面高度，mm，m；

hLA低液位报警液面高度，mm，m；

LNL正常液面高度，mm，m；

LHA高液位报警液面高度，mm，m；

LHL最高液面高度，mm，m；

KG常数；

KS系数；

L从切线到切线的容器长度，m；

LT从切线到切线的试算容器长度，m；

LN两相流进口到气体出口间距离，m；

m校正系数；

M辅助因子；

ML液体分子量；

N辅助系数；

P压力，MPa；

R时间比率；

Re雷诺数；

T温度，℃，K；

t停留时间，min；

u出口接管中气体流速，m/s；

ue气体在容器内的流速，m/s；

uG与丝网自由截面积相关的气体流速，m/s；

uGL接管中两相进口流速，m/s；

uG.max气体出口最大流速，m/s；

uL出口接管中液体流速，m/s；

u0临界流速，m/s；

up接管内的流速，m/s；

VG气相体积流量，m3/h；

VG.max气体最大体积流量，m3/h；

VL液相体积流量，m3/h；

Vmax最大体积流量的系数，%；

Vmin最小体积流量的系数，%；

Vt液滴在容器内的浮动流速，m/s；

VT′试差的浮动流速，m/s；

WG气体或汽体质量流量，kg/h；

WL液体质量流量，kg/h；

ΔWL进出丝网的流体流量之差，kg/h；

σL工作温度下液体的表面张力，N/m；

σH2O（20℃）20℃时水的表面张力，72.8×10-3N/m；

ε丝网空隙率；

μG气体粘度，Pa·s；

μL液体粘度，Pa·s；

ρG气体密度，kg/m3；

ρL液体密度，kg/m3；

τs直径为d*的液滴通过气体空间高度（a）所需的沉降时间，s；

τr气体的停留时间，s；

压力本规定除注明外，均为绝对压力。