淺析油氣分離設備及相關技術

張濰然，陳宇慧，劉亞莉，王會林，張永海，董華東

(鄭州輕工業學院 能源與動力工程學院，河南 鄭州 450002)

淺析油氣分離設備及相關技術

張濰然，陳宇慧，劉亞莉，王會林，張永海，董華東

(鄭州輕工業學院 能源與動力工程學院，河南 鄭州 450002)

首先介紹了幾種不同油氣分離原理技術，分析了不同油氣分離技術的特點，其次對油氣分離器在不同應用領域里的結構特點進行對比分析，指出油氣分離器在結構上的改進，最后簡單介紹了濾材的研究現狀，并對濾材的研究進展進行了展望。

油氣分離器;結構特點;油氣分離技術;濾材

在石油開采、天然氣生產、汽車、航天發動機以及壓縮機等領域，油氣分離被視作一個重要的環節。油氣分離器作為油氣分離過程中的一個核心部件，它的主要目的是完成油和氣的基本'相'的分離，脫除氣體中所夾帶的油滴或者脫除液體中所夾帶的氣泡，以及在分離后引出氣相和液相，不允許它們重新夾帶或摻混。

本文從油氣分離技術、不同領域的油氣分離器結構、濾材及其過濾性能的研究現狀等方面，對油氣分離設備及相關技術做了總結展望。

1 油氣分離技術

1.1 重力分離

重力分離是利用油氣兩相密度不同來實現分離。在油氣混合物流動的過程中，油滴隨氣流運動的同時，在重力作用下向下沉降，經過一段時間，油滴就會沉降下來。該方法特點是處理量大，流動阻力小，操作彈性大，但分離效果低下，只能分離直徑大于100μm的油滴[1]。此外，重力沉降分設備的體積大、制造成本高，在某些操作空間狹窄的場合不適合使用[2]。

1.2 慣性分離

慣性又稱為碰撞分離，是利用油滴的慣性作用來實現分離的。該方法對氣流速度大小要求較高，氣流速度較大時，會吹散已經聚集在隔板上的油滴，使油滴重新摻混進氣體中，造成二次夾帶現象，而氣流速度較小時，混合物中的油滴又無法在慣性作用下撞擊聚集到隔板上，造成分離效率下降[3]。慣性分離法的分離設備具有結構簡單、處理量大、分離效果較好等優點，但其對于直徑25μm以下的液滴分離效果較差[4]。

1.3 離心分離

離心分離是利用離心力場來分離氣相中的油滴。在離心分離過程中，由于離心加速度遠遠大于重力加速度，因此離心分離比重力分離具有更高的效率[2]。而且離心分離法的分離設備具有結構簡單、性能穩定等優點，但對于粒徑10μm以下顆粒，分離效率較低[5]。

1.4 過濾分離

過濾分離是通過在氣流通道上加裝過濾元件或過濾介質來實現分離。其核心部件為濾芯，主要由金屬絲網和玻璃纖維組成[6]。濾芯對于直徑不小于5μm的油滴，可以達98%～99.8%的分離效率[7]。其缺點是濾材清洗困難、設備運行成本較高、使用壽命短等。

近年來，由于對油氣分離效率的要求不斷提高，使用一種分離方法進行油氣分離已無法滿足行業的需求，一般都采用幾種分離技術耦合的分離設備實現油氣分離。

2 油氣分離器在不同應用領域的結構特點

2.1 發動機：汽車行業

油氣分離器早在十九世紀前葉就被人們所利用，但是油氣分離器用在汽車發動機上還是上世紀六十年代的事，而國內對油氣分離技術的研究還要更晚一些。由于發動機排氣量較小，油氣分離器安裝空間較小的特點，常用的分離器形式有：容積式、迷宮式、旋風式、濾網式。

容積式油氣分離器結構簡單，運用了重力分離的原理，需要的重力沉降室尺寸較大。且容積式油氣分離器分離效率很低，所以在實際應用中很少單獨使用，常用作預分離器。

迷宮式油氣分離器的分離原理是在氣流運動的路徑中設置多塊擋板，通過慣性作用實現分離。該結構曾廣泛采用，但分離效果欠佳，隨著時間的推移，有日益減少的趨勢[8]。

離心式油氣分離器，運用了離心分離原理。早期的離心力場用靜止的葉片形成渦流氣流，氣流中的微粒在離心力的作用下沿徑向向外運動，結構復雜，加工困難。現在多以切向進氣形成離心力場，該分離器結構簡單，成本較低，在當前的實際應用中被廣泛使用。

濾網式油氣分離器，它的分離原理是過濾和聚結。由于過濾材質的再生性很差，使用壽命不長，一般不單獨使用，但它可分離粒徑較小，常用作二次分離[9]。

在當前市場上，發動機用油氣分離器更多的是多種分離方法相結合的分離方式，比如：濾網式+擋板式或濾網式+旋風式。多種方式結合的油氣分離器在對不同直徑油滴分離時都能達到較好的效果。未來，為了提高分離效率，減少大氣污染物的排放，車用油氣分離器的發展可能會結合更多種的分離方式。

2.2 壓縮機行業

該行業特點：氣體是高溫高壓，分離效率要求高，一般專業廠家生產的油氣分離器已經可使氣體中的含油量降到2×10-6～3×10-6[10]。其中以噴油螺桿壓縮機的應用最多。其結構大致有以下三種設計。

第一種：為了提高分離效果，早期采用多層過濾介質進行油氣分離。但由于分層過多，阻力大、壓降大，且維護維修困難，經改進后油氣分離器結構如圖1(a)所示，經過10年的使用檢驗，分離元件2年更換一次，延長了該部位的維修周期，而且，節油和節電效果也非常明顯，從而獲得較好的技術經濟效果[11]。這種結構一般使用在LGF型移動式螺桿空壓機上。

第二種分離器結構如圖1(b)所示，在筒體內設置了濾芯，油氣混合物沿著筒體與濾芯間的通道 ，旋轉形成了離心力，從而達到粗分離的目的[12]。二次過濾聚結分離在濾芯中完成，此時的油氣混合物中的油滴直徑多在1μm以下，經過過濾和聚結兩個過程分離直徑在1μm以下的油滴。油氣分離器不但可以提高壓縮空氣的純度，而且被分離出的潤滑油經過冷卻后會重新回到機組的油回路中重復利用，從而起到節能環保的作用。廠家較多采用此結構。

第三種是油氣分離器結構如圖1(c)所示， 這種結構采用兩級分離，把一次分離和二次分離分開進行，并在一次油分罐和二次油分芯進口處分別設置擋板。其中，一次分離效率的高低對其總的分離效率有重要影響[13]。

圖1 空氣壓縮機行業用油氣分離器結構

3 濾材過濾性能的研究現狀

濾材是過濾分離中最主要的一部分，主要包括進氣口處的不銹鋼擋板和濾芯中的過濾介質。目前，利用慣性力和重力分離的機械碰撞法要在流體的流動方向上設置障礙物。這些障礙物元件主要以不銹鋼為材料做成板或網。利用過濾與聚結原理分離是通過在氣流通道上加裝過濾元件或介質來實現分離，油氣分離濾芯中的濾材主要有金屬纖維絲網，玻璃纖維，陶瓷等材料。近些年，專家對濾芯氣液過濾性能做了研究。

G.Vasudevan[14]等對B-玻璃纖維、無堿玻璃纖維和B-無堿復合型玻璃纖維做了大量實驗，結果表明，B-無堿復合型玻璃纖維的聚結過濾速度、使用壽命較高，且介質表面沾油后硬度不會有明顯改變。常誠[15]等通過對孔隙大小不同的纖維做和親油疏油纖維分別做對比實驗，結果表明，孔隙越小的纖維越容易把液滴聚結成液膜，而親油濾材比疏油濾材的表面能更大。Mullins[16]等對液滴與單根纖維之間相互作用進行了研究，結果表明纖維表面能越大，液滴與纖維的接觸角越小，液滴越容易浸潤纖維。

在氣液過濾介質性能影響的研究上，液滴物性參數對過濾性能的影響也不能被忽略。Contal[17]等通過實驗比較了十甲基環五硅氧烷、甘油和鄰苯二甲酸二辛酯3種液體對氣液過濾壓降的影響，結果表明，甘油的表面張力和黏度較大，導致濾材壓降變化最快，濾材最終的壓降也最大。李柏松[18]等利用濾材實驗裝置，對表面張力和黏度等液體物性參數對氣液過濾性能的影響進行了研究，結果表明，液體表面張力較大時出口液滴濃度較大；液體黏度對濾材壓降影響較小。

目前，對濾材過濾過濾性能的研究主要集中在外部流體對其的影響，而對濾材本身的物性參數如孔隙大小，厚度，滲透率，過濾層數等對過濾性能的研究較少，未來可以考慮更多的對濾材本身定量定性來研究其過濾性能。在濾材的使用方面，更多的是使用單一種類的濾材或添加特殊材料，在實驗研究中，其實可以根據不同濾材的特性，結合過濾介質的特點，讓不同種類的濾材結合使用來達到更好的過濾效果。

4 總結

隨著我國對環境保護和能源重復利用意識的加強，物質重復利用以及對污染物排放的處理技術的更新發展將會不斷加快，而油氣分離過程中的相關技術也將得到持續發展和應用。近些年，在不同領域的油氣分離相關技術得到了穩步發展，除了在優化國外技術的基礎上朝著符合我國國情的方向發展外，也要加大力度發展創新屬于自己的油氣分離相關技術。未來，油氣分離相關技術的發展創新上，要注重：①對多種不同油氣分離方法的耦合使用，提升過濾效率，提高分離效果；②對不同行業使用的油氣分離得結構進行優化設計，使結構更加合理、輕便、耐用；③對濾材的創新研究，不斷開發出新型的過濾材料，為不同行業創造出重要價值。

[1] 劉承昭. 橇裝式集氣裝置用分離器的研制及現場測試[J].天然氣與石油, 1994(1):36-40.

[2] 李明道. 采油廠中油氣及油水分離相關技術研究[D].杭州：浙江大學, 2014.

[3] 梁 政, 王惠明, 梁春平. 斜板式氣液重力分離技術研究[J]. 西南石油大學學報(自然科學版), 2009, 31(4):154-158.

[4] 王紹周. 氣液分離及高效分離器的應用探索[J].小氮肥, 2007, 35(3):25-25.

[5] 于 洲, 馬春元. 動態旋風分離器數值模擬及實驗研究[J].化工進展, 2014, 33(7):1684-1690.

[6] 陳明鵬. 氣液分離技術設備發展[J]. 企業導報, 2010(6):287-287.

[7] 虢國成,王滿生. 絲網氣液分離器分離機理分析研究[J].食品與機械,2010(4):98-101+108.

[8] 黃 闊,蔣升龍,袁兆成. 車用發動機油氣分離器的設計匹配[J]. 汽車技術,2012(3):32-35.

[9] 黃 誠. 柴油機油氣分離器開發[D]. 長春：吉林大學,2012.

[10] 練浩強. 噴油螺桿空壓機油氣分離器設計探討[J]. 科學之友, 2012(11):11-12.

[11] 杜德軍. LGF型螺桿式空氣壓縮機油氣分離器結構的改進[J]. 礦山機械, 2007(3):118-119.

[12] 白茹芳. 油氣分離器常見結構分離效果分析[J]. 化工裝備技術,2009(4):21-22.

[13] 馮健美, 暢云峰, 張 勇,等. 噴油壓縮機臥式油氣分離器特性的數值模擬及實驗研究[J]. 西安交通大學學報, 2008, 42(5):561-564.

[14] Vasudevan G, Chase G G. Performance of B-E-glass fiber media in coalescence filtration[J]. Journal of Aerosol Science, 2004, 35(1):83-91.

[15] 常 程,姬忠禮,黃金斌,等. 氣液過濾過程中液滴二次夾帶現象分析[J]. 化工學報,2015(4):1344-1352.

[16] Mullins B J, Pfrang A, Braddock R D, et al. Detachment of liquid droplets from fibres-Experimental and theoretical evaluation of detachment force due to interfacial tension effects[J]. Journal of Colloid & Interface Science, 2007, 312(2):333-340.

[17] Contal P, Simao J, Thomas D, et al. Clogging of fibre filters by submicron droplets. Phenomena and influence of operating conditions[J]. Journal of Aerosol Science, 2004, 35(2):263-278.

[18] 李柏松, 姬忠禮, 馮 亮. 液體黏度和表面張力對濾材氣液過濾性能的影響[J]. 化工學報, 2010, 61(5):1150-1156.

(本文文獻格式：張濰然，陳宇慧，劉亞莉，等.淺析油氣分離設備及相關技術[J].山東化工，2016，45(24)：96-97，101.)

Elementary Analysis of Oil-Gas Separation Equipment and Related Technology

Zhang Weiran, Chen Yuhui, Liu Yali, Wang Huilin, Zhang Yonghai, Dong Huadong

(School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002,China)

This paper first introduced several different oil-gas separation principles, analyzed the characteristics of different oil-gas separation technology, followed by the comparative analysis of the structural characteristics of oil-gas separator in different application fields, pointed out that the improvement in the structure of the oil-gas separator, finally introduced the research status and prospected research progress of the filter.

oil-gas separator; structural characteristics; oil-gas separation principles; filter

2016-11-09

河南省科技攻關計劃項目(項目編號：152102210148)，鄭州輕工業學院研究生科技創新基金項目

張濰然(1992—)，河南商丘人，研究生，主要研究方向為化工過程機械；通訊作者：陳宇慧(1986—)，女，黑龍江鶴崗人，講師，主要研究方向為化工過程機械。

TQ051

A

1008-021X(2016)24-0096-02