氣液聚結器的尺寸估算

涂多運 董勇 湯國軍 余洋 陳俊文 祝疆

中國石油工程建設有限公司西南分公司

氣液聚結器在石油天然氣工業中應用廣泛[1-4]。立式氣液聚結器常用于分離和回收壓縮機出口氣中攜帶的潤滑油[5-6]（界面張力大于0.003 N/m的氣液分離），其工作原理是通過凝聚的作用改變液滴的尺寸，將液態雜質從微米級變成毫米級，打破雜質在連續相中重力與浮力的平衡，實現聚結器內部氣液的重力沉降分離，從而達到提純氣相的效果[7-8]。

目前，氣液聚結器的計算選型受制于濾芯材質、結構和布置方式的不同，廠家通常會根據實際選用的濾芯給出不同的選型結果，國內文獻尚無通用的估算方法，外文文獻[9]有闡述氣液聚結器選型的計算原理，但部分關鍵參數未能詳盡說明，尚不能應用于工程項目。本文結合海外工程項目設計經驗，借鑒外文文獻中的計算思路，總結出一種氣液分離器的尺寸估算方法，能夠對工程項目設計中各階段的氣液聚結器尺寸估算提供指導。

1 氣液聚結器

1.1 工作原理

圖1為一種立式氣液聚結器的結構。攜帶液滴的氣流首先進入筒體的底部，液塞及大液滴經重力沉降后脫除，然后氣流向上流動通過管板，并且從管筒的內部徑向地流過濾芯到聚結器環形空間內，氣體在環形空間內繼續向上流動到聚結器出口。

圖1 立式氣液聚結器結構Fig.1 Structure of vertical gas-liquid coalescer

聚結濾芯中液滴的形成和排出分為捕獲、聚結、釋放、排出4個步驟。氣體攜帶的小液滴首先被聚結器內部的超細纖維捕捉，這些微米級纖維對氣流形成了曲折的通道，迫使液體霧滴在直接攔截的過濾機理作用下被超細纖維捕獲；接著，細小液滴在纖維上聚結或合并在纖維交叉點處；由于氣流的驅動力超過吸附能量，聚結的液滴隨后從纖維中釋放出來；在液體表面張力作用下小液滴聚結成較大尺寸液滴，在重力作用下，大尺寸液滴沉降至容器底部。經過表面處理的濾芯能夠使液滴釋放和排出過程快速進行，同時增加纖維上的聚結點，與表面未處理的濾芯相比能處理更大液相負荷的氣流。

1.2 聚結濾芯

研究發現，不同尺寸的液滴聚結機理不同，使用的聚結材料亦不同[10-12]，如圖2所示。聚結器主要基于直接攔截和過濾攔截原理，故玻璃纖維由于其可用性和低成本成為聚結濾芯常用的介質。聚結濾芯主要選用經過表面處理的玻璃纖維或者聚酯纖維作為聚結介質，濾材結構通過特殊設計，保證過濾介質具有良好的聚結性能。

圖2 不同液滴尺寸與所使用材料范圍Fig.2 Different size of droplets and corresponding material range

不同廠家的濾芯規格不同。常見的濾芯外徑有3.5、 4.5、 6 in， 長 度 有 16、 18、 20、 32、 36、40、72 in，濾芯骨架材質常為不銹鋼及碳鋼。

2 選型計算

2.1 計算公式

氣液聚結器的選型計算[9，12，13]主要涉及表觀濾速、環形速度和系統壓降3個參數。系統設計壓降一般為 13.8～34.5 kPa（2～5 lb/in2），可通過增加濾芯降低系統壓降。通常，當實際運行壓差達到103.4 kPa（15 lb/in2）時，應更換濾芯。

2.1.1 表觀濾速

表觀濾速是指實際氣體流過濾芯表面的速度。最大表觀濾速與特定聚結器固有特性和系統的物理參數有關。計算公式為

式中：υmed為表觀濾速，m/s；N為濾芯數量；Qa為操作條件下的氣相實際流量，m3/s； Amed為單個濾芯的介質表面積，m2；Rc為單個濾芯的介質端蓋半徑，m；Lmed為單個濾芯的長度，m。

根據SY/T 6883—2012《輸氣管道工程過濾分離設備規范》[14]的要求，氣液聚結器濾芯的表觀濾速不應大于0.06 m/s。

2.1.2 環形速度

環形速度是指實際氣體流過筒體截面環形區域的速度。計算公式為

式中：υann為環形速度，m/s； Aann為筒體截面環形區域面積，m2；Rh為筒體半徑，m。

聚結器頂部最大環形速度υann(max)與臨界速度（液滴終端沉降速度，即穩態沉降速度）和液滴所處位置有關。對于沒有經過表面處理的濾芯，最大環形速度等于臨界速度；對于已經進行過表面處理的濾芯，最大環形速度等于3.1倍臨界速度[9]。

液滴終端沉降速度可根據重力沉降原則計算[15]。對于一定大小的液滴，當氣體流速大于終端沉降速度時，液滴被帶出沉降區而不能被分離除去。終端沉降速度計算公式為

式中：υt為液滴終端沉降速度，m/s； g為重力加速度，m/s2；Dp為液滴直徑，m； ρl為操作條件下的液相密度，kg/m3； ρg為操作條件下的氣相密度，kg/m3； μg為操作條件下的氣相黏度，mPa·s；C′為阻力系數，無量綱。

最小的筒體半徑可根據最大環形速度得出，計算公式為

式中：N為濾芯數量；Dh為筒體直徑，m；Rc為單個濾芯的介質端蓋半徑，m；υann(m ax)為最大環形速度，m/s。

一般而言，經濟的聚結器長徑比值按3～5考慮。

2.1.3 系統壓降

聚結器系統壓降由氣流突然膨脹和收縮引起的慣性損失和濾芯的黏性損失構成[16]，主要由以下幾項組成：

（1）入口管嘴到入口沉降段的膨脹壓力損失。

（2）入口沉降段到濾芯管板的收縮壓力損失。

（3）濾芯管板到濾芯中心孔的膨脹壓力損失。

（4）通過濾芯介質的膨脹壓力損失。

（5）流入濾芯環形中間的收縮壓力損失。

（6）濾芯環形中間到聚結器腔體膨脹壓力損失。

（7）聚結器出口管嘴的收縮壓力損失。

式中：Δp為系統壓降，Pa； μg為操作條件下的氣相黏度，mPa·s； υmed為表觀濾速，m/s； υg為小截面上氣體速度，m/s；ke為膨脹壓降系數，無量綱；kc為收縮壓降系數，無量綱；km為介質壓降系數[17]，與濾芯和液滴性質有關，103m-1； Al為大截面面積，m2； As為小截面面積，m2。

2.2 計算步驟

氣液聚結器尺寸估算流程見圖3，具體步驟如下：

圖3 氣液聚結器尺寸估算流程圖Fig.3 Estimation flow of gas-liquid coalescer size

（1）輸入入口流體參數，包括操作條件下的實際流量、脫除的液滴直徑、氣相密度、液滴密度、氣相黏度、重力加速度。

（2）計算液滴終端沉降速度。

（3）輸入濾芯參數，根據初選的濾芯，輸入濾芯長度、濾芯直徑。

（4）假定筒體直徑，設置濾芯數量，計算表觀濾速和環形速度。

（5）對表觀濾速和環形速度設定值，當不滿足要求時，增加濾芯根數。

（6）計算筒體最小直徑，放大圓整。

（7）計算系統壓降，當系統壓降不滿足設定值時，調整假定筒體直徑，重復步驟（2）～（6），直到收斂為止。

3 工程實例計算

某氣田項目增壓工程，設置往復式壓縮機，配置潤滑油立式氣液聚結器，用于脫出壓縮機出口氣流中油滴。已知氣體流量為80×104m3/d（標況），操作壓力為7.5 MPa（G），操作溫度為50℃，操作狀態下氣相密度為57 kg/m3，氣相黏度為0.02 mPa·s，聚結后脫出的液滴大小為500 μm。

根據制造廠家對本工況的反饋，濾芯壓降可取5 kPa。經計算可得，選用4根外徑為6 in（1 in=25.4 mm）濾芯，濾芯長度為40 in，殼體大小為DN700 mm×2100 mm，系統壓降為5.6 kPa，滿足氣液聚結器的設計要求。

4 結束語

濾芯的性能決定著氣液聚結器的聚結效果，制造廠家通過大量的實驗掌握了不同濾芯的性能和氣液聚結器的試驗數據，準確地選型計算須依托于制造廠家。本文的計算方法闡釋了制造廠家設計選型的思路和步驟，適用于工程項目設計各階段立式氣液聚結器尺寸的初步估算。