天然氣凈化用旋風分離器氣液分離性能

譚蛟龍 秦婧 郭鈺 范成臣 馬明青

(重慶市墊江縣澄溪鎮石橋壩天然氣凈化總廠引進分廠 重慶 墊江401236)

一、前言

目前，國內外對分離器的性能研究還主要是集中在固氣成分的分離上，但是對氣液的分離性能研究比較少。本文從天然氣輸管內的氣液特點出發，對旋風分離器的氣液分離性能和影響分離的因素進行了介紹。

二、旋風分離器的基本工作原理

根據旋風分離器的基本結構，氣流通過入口流入旋風分離器，并在分離器內產生內旋運動。氣流能夠在旋轉運動的過程中沿分離器外側向下運動，而含塵氣體內的顆粒也會隨著氣流向下螺旋運動，氣體中的顆粒會受到重力、阻力、浮力和離心力的作用。因此顆粒的密度較氣體密度更大，所以可以不考慮顆粒的浮力，另外，顆粒都比較小，因此重力的作用也可以不用考慮。這樣，顆粒就只受到氣體阻力和離心力的影響，從而被甩到器壁上，并隨著器壁向下的氣流到達排塵口，最終落入灰斗。

三、旋風分離器的性能指標及其影響因素

旋風分離器的性能指標主要包括兩個：分離效率與壓降。

1.分離效率的影響

在氣液分離的過程中，需要對三部分的顆粒進行考慮，即進入、捕集和逃逸。我們可以用符號Mf、Mc和Me分別表示顆粒的質量。分離器在運行過程中的顆粒質量關系可以表示為：

這樣就可以得到總的分離效率η：

因此，通過取樣和稱重這兩類顆粒，就能夠得到總的分離效率。

在實際的工業生產過程中，總分離效率是一個常用的技術評價指標。當然，對于表征一個具體的分離器分離性能來說，該指標還不夠全面，因為需要考慮分離器本身的參數設置和顆粒的物理屬性兩方面的因素。

2.壓降的影響

一般情況下，分離器壓降可以分為進口損失、升氣管內損失和分離空間損失三類。如果分離器具有切向進口，那么進口的損失都比較小，這里不再考慮。而對于有導流葉的分離器，則該方面數據較少，在導流葉片符合空氣動力學基本條件的情況下，進口的損失也很小。分離器的分離空間能量損失較大，這主要是由于分離空間對旋流強度的限制造成的，壁面摩擦的損失越大，氣流的旋轉強度也就越弱。但是，這部分的壁面損失也不占有主導的作用。

對于直流式與逆流式分離器來說，在升氣管中能量的損失是最大的，甚至比其他兩種損失要高一個量級。但是對于含塵量為初級濃度的分離器而言，壁面摩擦力造成的能量損失會占據總壓力降的主要部分，相對而言，聲氣管與渦核中的損失壓力所占比例就相對較低。

一個完整的分離器壓降Δp，與體積流量平方成正比，這和帶有湍流流動性能的設備情況相同。通常情況下，將壓降表示成無量綱數的形式來對分離器的性能進行描述：

其中，υz表示分離器的筒體平均軸向速度、以及體積流量比上分離器筒體的橫截面積。

3.影響分離器基本性能的主要因素

(1)筒體的直徑D

一般情況下，相同條件下的分離器筒體直徑越小，則氣流旋轉的半徑越小，顆粒受到的離心力也越大，從而使得顆粒分離的效率越高。如果筒體的直徑過小，不僅會使器壁與升氣管的距離太近，降低分離的效率，還會引起分離器的堵塞，因此，一般要求旋風分離器筒體的直徑不小于50-70cm。

(2)高度H

較大的長度比例會使得分離器獲得比較好的分離效率，這主要是由于筒體內顆粒停留時間較長，顆粒有多機會分離出來。另外，較長的分離器還能夠減少氣流對灰斗造成的磨損破壞。但是，從另一個方面考慮，分離器越長，占據的空間也就越大。所以，我們提出了分離器的自然旋風長度L，即自升氣管的下端開始，到分離器的漩渦尾端終止的距離：

其中，de表示升氣管的直徑，在對H進行設計時，要充分保證分離器的自然旋風擁有足夠的長度，同時也要考慮經濟性的問題，因此，一般取筒體段的高度為(1.5-2.0) D。

(3)進口結構

分離器的進口主要包括軸向和切向兩種進口方式。其中，軸向進口分離器能夠在很大程度上防止進口氣流與分離空間氣流的互相干擾，對提高分離的效率十分有利。但是，這種進口會使氣流均勻分布在進口截面上，因此，導致靠近分離器中心的分離效果比較差。而使用切向進口的分離器，能夠明顯減少進口氣流對旋轉氣流的撞擊和干擾，從而顯著提高分離效率。

(4)運行條件

影響分離器性能的運行條件包括進口氣流速度、氣體含塵濃度等。對于進口氣流的速度，要求在對分離器進口截面進行設計時，要將進口氣流的速度設定為一個固定值，這樣才能保證較少的能量消耗和較高的分離效率；而對于氣體的含塵濃度，旋風分離器的分離效率會隨著粉塵濃度的上升而提高，但是，這時從升氣管中排出的粉塵也會增加。

結論

綜上所述，旋風分離器主要包括壓降和總分離效率兩個性能指標，而對于單個旋風分離器來說，也可使用分級效率來對旋風分離器的性能進行評判，其分級的效率只和分離器的結構有關。另外，旋風分離器的總分離效率還受到運行條件、粉塵物理性質和結構參數的影響。因此，加強對相關性能指標和性能影響因素的研究，對提高天然氣的凈化效果具有重要的意義。

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