正壓高效氣液分離器設計與應用

丁成 高飛翔 楚金澄

摘要：工業生產中，需要采用氣液分離器對氣液混合介質進行分離，以實現氣液混合介質凈化回收或無害化處理的目的。詳細介紹了氣液分離的工作原理及不同類型氣液分離器的優缺點和正壓高效氣液分離器的結構設計方案、工作方式、參數選型，以及其分離特性。工程應用表明：正壓高效氣液分離器分離效率較高，處理能力大，設備占地面積小，安裝維護方便，可進行推廣應用。

關鍵詞：正壓高效;氣液分離器;工作原理;結構方案;分離效率

中圖分類號：TD4文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2020）05-0046-05doi：10.11792/hj20200509

引 言

工業生產實踐中氣液混合介質中常含有大量的有毒有害氣體，這些有害物質會腐蝕設備、管道、儀器儀表等，需要對氣液混合介質進行無害化處理，清除液體中的有害物質。此外，有些氣液混合介質中存在有價值的工藝液體需要回收利用。因此，為了完成氣體凈化或液體回收，需要對氣液混合介質進行分離。氣液混合介質分離技術廣泛應用于石油、化工，天然氣開采、加工，柴油加氫尾氣回收[1-2]，濕法脫硫，煙氣余熱利用，濕法除塵[3]及發酵工程等。氣液分離的方法和設備很多，分離設備工作原理不同其結構也不同，主要區別有：①進料、出料的方式不同，包括底部進氣、頂部出氣，側面進氣、頂部出氣，側面進氣、側面出氣;②分離器的筒體有圓柱立式和圓柱臥式，以圓柱立式為主;③根據工藝分離介質不同有氣液固三相分離和氣液兩相分離。不同的設備結構根據使用工藝不同有不同的優勢，應根據不同的應用目的選擇不同類型的設備。

目前，應用較為廣泛的氣液分離設備主要有以下3類：①凈化分離器。分離氣體中無用或有害的液體，有害的液體減少不僅降低了凈化氣體使用成本而且降低了液體的危害程度。②工藝介質分離器。利用工藝介質氣液兩相性質不同來循環運行，如果氣液混合在一起，會導致整個系統的運行質量和效率下降。③產品分離器。把混合在原料氣中的液態產品或氣態產品分離出來，若不能進行氣液分離，則無法獲得產品。現有氣液分離器通用性均有一定局限性，如何實現高效分離，增強設備通用性是未來發展研究的重點。

1 氣液分離器工作原理

氣液分離器的結構形式因工藝需求的不同而多種多樣，但其分離原理只有2種：一種是利用分離介質的組分質量（重量）的不同，對混合物進行分離，如重力沉降、折流分離、離心力分離、填料分離等，由于氣體與液體的密度不同，因此相同體積下氣體的質量比液體的質量小;另一種是利用分散系粒子大小不同對混合物進行分離，如絲網過濾分離、微孔過濾分離等，液體的分子聚集狀態與氣體的分子聚集狀態不同，氣體分子距離較遠，而液體分子距離要近得多，所以液體粒子比氣體粒子大[4-5]。根據分離效率高低對比可知，微孔過濾分離優于絲網過濾分離，絲網過濾分離優于填料分離，然后依次是離心力分離、折流分離、重力沉降，分離效率越高，設備結構相對越復雜，成本相對較高。

1.1 重力沉降

分離液體顆粒大于200 μm時，利用液體與氣體的重量不同達到分離的目的。結構設計制作簡單，阻力小，但分離效率較差，氣體流速受限，相對較慢，所以設備設計橫截面積較大，體積較大。重力沉降氣液分離器結構見圖1。

1.2 折流分離

氣體與液體的密度不同，液體的密度大、慣性大，氣液混合介質遇折流板發生碰撞，液體折流板著壁實現分離。相比重力沉降分離設備體積小，工作穩定，但分離負荷范圍相對窄。氣體流速過慢，液體的慣性過小，無法與折流板產生碰撞分離。氣體流速過快會把已經碰撞著壁的液體重新帶走，且液體與折流板在碰撞碎化過程中會產生更細的液滴，分離效果變差。折流氣液分離器結構見圖2。

1.3 離心力分離

離心力分離適用于正壓供風系統，需要保證進氣口的進氣速度，由于氣液混合體旋轉流動時，液體受到的離心力大于氣體所受的離心力，因此液體首先與筒體壁面產生碰撞并附著在筒體壁面，然后在重力的作用下完成分離。離心力氣液分離器結構見圖3。設備體積更小，工作穩定。氣體流速過慢，液態所受離心力影響過小，液體無法與筒壁產生碰撞導致氣液無法分離。氣體流速過快會把已經碰撞著壁的液體重新帶走。

1.4 填料分離

依靠液體的慣性，使其與填料產生碰撞從而實現分離。填料氣液分離器結構見圖4。由于填料量大，阻擋收集表面積在單位體積內較大，而且多次不規則反復折流，液體更容易著壁;結構簡單，但分離負荷范圍比離心力分離更窄，氣阻較大。在氣液比一定的情況下，氣液混合介質流速越大，單位時間內分離負荷越大，氣液混合介質在分離器內停留的時間越短。氣體在折流的同時推動著已經著壁的液體向上流動，氣體流量太大或流速太快，會導致液體下流不暢，氣體的流通面積逐漸減小，已經著壁的液體很容易被氣體重新帶走形成液泛。填料材質不同，則液體潤濕性能不同，分離性能不同，其表面的潤濕性能越低越有利于液體向下流動，有利于介質分離。

1.5 絲網過濾分離

氣體與液體的微粒大小不同，液體的分子聚集狀態與氣體的分子聚集狀態不同，氣體分子距離較遠，而液體分子距離要近得多，液體與氣體混合一起流動通過絲網時，氣體通過絲網而液體被攔截。絲網過濾氣液分離器結構見圖5。阻擋收集表面積在單位體積內相對填料分離大很多，分離負荷范圍更窄。氣體流速過高，聚集的液滴無法從絲網上落下，造成液泛，被捕集的液滴飛濺起被氣體攜帶走。氣體流速過低，氣體夾帶的霧沫未與絲網碰撞就隨著氣流通過絲網而被帶走。液氣比太大，會造成絲網間氣體的流通面積減少，從而導致氣體流速越來越快，造成液泛。不同材質的絲網表面的潤濕性能越低，越有利于液體向下流動，有利于介質分離。

1.6 微孔過濾分離

氣體與液體的微粒大小不同，液體與氣體混合通過微孔過濾，氣體通過而液體被攔截，從而達到分離的目的。微孔過濾氣液分離器結構見圖6。微孔過濾氣液分離器的篩分作用實現了真正意義的篩分分離，微孔直徑一般在50 μm以下，大于微孔直徑的液體微粒均不能通過。相對于絲網過濾，微孔過濾分離器的阻擋收集表面積在單位體積內極大，折流次數和篩分次數在單位體積內更多，分離效率更高;而且體積比絲網過濾氣液分離器小。但是，如果液氣比太大，容易發生液阻現象，阻力急劇上升。

氣液分離器應用的目的是實現氣液分離，但實際上分離效率達不到100 %，根據實際情況選擇不同的氣液分離器。重力沉降分離適用于分離要求比較低的情況，普通的折流分離（擋板分離）或普通的離心力分離（旋流分離）適用于分離要求一般的情況，離心力分離和填料分離適用于分離要求較高的情況，絲網過濾分離適用于分離要求高的情況，微孔過濾分離適用于分離要求很高的情況[5]。氣液分離器分離效率的選擇跟待分離的液體物性有關，如果液體黏度大，分子間作用力強，相對來說容易分離，所以油水分離器一般分離極數比水分離器低。同樣的分離要求，較黏液體分離器的分離方式在上述順序中可以降低一檔。但是，較黏液體存在的問題在于液體下流時間較長。

2 正壓高效氣液分離器設計

氣液分離器在工業生產系統中有2種動力源的作用方式：一種是正壓條件下將系統中的氣液混合體高速送進氣液分離器進行氣液分離;另一種是負壓條件下將系統中的氣液混合體低速引入氣液分離器進行氣液分離。負壓引風應用較為普遍，常用的重力沉降、折流分離、絲網過濾分離和微孔過濾分離結構均可采用負壓引風的方式進行氣液分離，其工作過程氣速低，氣阻小，設備承壓小，有毒有害氣體泄漏的概率小;但對于氣液處理量較大，在含水率較高的工況環境下，正壓供風的復合式高效氣液分離器具有較好的應用前景。例如：離心力分離需要正壓供風，以保證進口物料初始速度，使物料進入分離器前可以形成旋流離心狀態。

2.1 結 構

本文設計的正壓高效氣液分離器是在正壓供風條件下集離心力分離-重力沉降-絲網過濾分離等多種分離方法于一體，通過離心、降速、凝聚等原理達到氣液分離的一種高效氣液分離器。該分離器的目的是為了解決工業生產中單獨的離心力分離與絲網過濾分離效率低，設備結構龐大的問題。

正壓高效氣液分離器由氣液進口、旋流分離錐、垂直連接板、外殼體、折流收集板、絲網分離骨架、絲網分離器、氣體出口、液體排口、支腿等構成（見圖7）。 其中，上下封頭與圓柱形筒體外殼內部通過多個垂直連接板與旋流分離錐體連接;旋流分離錐下部一定距離設置折流收集板，旋流分離錐與折流收集板之間形成二次氣液分離區，折流收集板與外殼體之間形成集液區，旋流分離錐上部一段距離設置有絲網分離骨架，旋流分離錐與絲網分離骨架之間為氣液降速區，再次重力分離，絲網分離骨架上設置絲網分離器;外殼體頂部設置有氣體出口，底部設置有液體排口、支腿;外殼體與旋流分離錐為同心布置，氣液進口貫穿外殼體與旋流分離錐切線連接;折流收集板上設置有折流面和液體匯集口。

2.2 工作過程

氣液分離過程通常分為3個階段：第一階段為預分離，即保證介質的初始速度，利用氣體中所夾帶液體的動量使大的液滴與入口切線進入，在離心力的作用下液體與氣體分開，液體與導流擋板碰撞，然后利用液滴自重進行沉降，從而將氣液分成以氣體為主和以液體為主的2個部分;第二階段為二次分離，即氣體中較小液滴利用重力、折流等方法分離;第三階段為除霧，小的液滴在捕霧器處聚集成較大的液滴，然后依靠重力實現氣液分離。

正壓高效氣液分離器的氣液混合體通過氣液進口切線給入旋流分離錐，在上大下小的分離錐作用下，氣液混合體沿著旋流分離錐內壁旋流向上螺旋運動，在離心力與重力的作用下，氣體向上流，部分液體緊貼內壁向上運動達到旋流分離錐頂部后，離心力作用使其進入旋流分離錐體與外殼體之間，然后通過旋流分離錐外壁或外殼體內壁向下落回折流收集板;部分液體向下流動，在旋流分離錐內壁落回折流收集板，折流收集板上收集的液體通過液體匯集口進入外殼體集液區。旋流向上未完全分離的氣液混合體到達降速區實現速度降低，液體在重力作用下向下落，而氣體向上流動，進入絲網分離器再次分離，氣體從頂部出口排出，氣體中的少量液體由于重力作用返回裝置底部折流收集板。離心分離后液體中含有的少量氣體在經過底部折流收集板時實現折流分離，通過上部氣孔排出。

2.3 參數確定

2.3.1 氣體流速

分離器分離錐氣體流速是影響分離效率的重要因素之一。如果氣體流速太大容易形成液泛狀態;如果氣體流速太低，由于達不到湍流狀態而降低分離效率[6-7]。氣體流速對分離效率的影響見圖8。

3 工業應用

正壓高效氣液分離器主要應用于工藝介質分離和產品分離，其能夠保證整個工藝系統的運行質量和運行效率，可以分離氣液混合介質，實現其中產品的制備。例如：黃金行業酸化法處理含氰廢水廢渣，3R-O吹脫產生的氰化氫氣體帶有大量的酸性液體，在進入堿液吸收塔前通過正壓高效分離器分離，實現酸液與氰化氫氣體分離，有害酸液回到上級處理器，氰化氫氣體進入堿液吸收塔形成產品。

煙臺某貴金屬材料制備系統濕法溶金過程產生大量煙氣，該煙氣需要進入干式高效尾氣處理裝置進行無害化環保處理，但煙氣含有一定量液體，為防止液體進入干式高效尾氣處理裝置導致干式藥劑失效，需要在干式高效尾氣處理裝置前進行氣液分離處理。因此，應用DN800 mm×2 200 mm型正壓高效氣液分離器（見圖9）對該貴金屬材料制備系統濕法溶金過程中產生的煙氣進行氣液分離。其工作參數為：處理風量1 500 m3/h，內筒直徑600 mm，氣體管路進出口管徑200 mm，氣體進出口最大氣流流速13 m/s，材質304不銹鋼。實踐表明：設備運行穩定，無明顯風阻振動，無明顯腐蝕，氣液分離效果明顯。

4 結 語

正壓高效氣液分離器采用集離心力分離-重力沉降-絲網過濾分離多種分離方法于一體的氣液分離設計。采用側進上出的進出料方式和無導流旋流板的上行離心式內筒分離，通過離心、降速、凝聚等原理達到氣液分離的目的。該分離器的應用解決了傳統單一的重力式氣液分離器處理量大、分離效率低，折流分離和離心力分離效率有所提高但處理量較小，過濾分離成本高的問題;實現了連續分離。其阻擋收集表面積在單位體積內較大，分離負荷范圍較寬，因此分離效率相對較高，處理能力大，設備體積相對合理，占地小，安裝維護方便，可廣泛應用于工藝介質分離和產品分離。

[參 考 文 獻]

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[5] 李來君.高壓高效氣液分離器的應用研究[D].西安：西安石油大學，2014：11，25.

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[7] 馮宇.氣液分離器設計計算[J].化工設計，2011，21（5）：18-25.

Abstract：An efficient gas liquid separator is needed in industrial application for separcation of gas liquid mixed media so as to purify，recover or detoxify mixed gas liquid media.The paper in detail introduces the working principles of gas liquid separation and the advantages and disadvantages of different gas liquid separators，structural design scheme，working patterns，parameter selection，and the separation characteristics of the positive-pressure efficient gas liquid separators in industry.Industrial application shows that the efficiency is high，the capacity is great，the occupation area is small，the installation and maintenance is convenient for the positive-pressure efficient gas liquid separator.The device is worth promotion.

Keywords：positive-pressure and efficient;gas liquid separator;working principle;structural scheme;separation efficiency