煉油裝置中氣液分離設備的應用研究

亓成剛，張西存，劉 健，任相軍

(中石油華東設計院有限公司 設備室，山東 青島 266071)

氣液分離是煉油工藝過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)，煉油裝置中的原料氣、反應生成氣均會夾帶一些霧氣或液滴，為提純氣體、保護壓縮機，許多不同形式的氣液分離設備用在了煉油裝置中[1-2]。常見的有重力沉降器、慣性分離器、過濾除液器和旋風分離器等。

1 重力沉降器

重力沉降器的原理是利用氣液兩相的密度差來實現(xiàn)分離。液體的密度遠大于氣體，在流體輸送過程中，經過一個體積大并且流速緩慢的設備(如圖1)，即保證充足的停留時間，使液滴凝結、聚集，從而實現(xiàn)分離。重力沉降器分為臥式和立式兩類，其結構簡單、操作方便、處理量大，但停留時間較長，僅對于大直徑的液滴有較好的分離效果，主要用于天然氣運輸、原料氣緩沖等過程[1]。

圖1 重力沉降器簡圖

2 慣性分離器

圖2 折流板簡圖

慣性分離器是依靠氣液兩相的慣性不同來實現(xiàn)分離，其形式主要為波紋面折流板。慣性與物體的質量成正比，氣流在流經折流板時，如圖2所示，受到阻擋改向，液滴由于慣性較大附著在折流板上而得到分離。氣流流向與折流板可以垂直或水平布置。含液氣流在流經折流板碰時應保持適宜的速度，氣速太低會使碰撞效果減弱，而過高的氣速會造成已分離液滴的返混夾帶。弧形帶鉤的折流板可使液滴碰撞的機會增多，并且有利于將攔截下來的液滴及時分離出去，減少二次夾帶、提高分離效率，氣流的壓降也較小。主要用于冷卻塔系統(tǒng)、濕法煙氣脫硫系統(tǒng)及塔器設備頂部氣相流出物的除液[1,3]。

3 過濾除液器

過濾除液器的核心部件是濾芯，通過濾芯對液滴的吸附作用達到凈化氣體的目的。絲網(wǎng)除沫器(圖3)是目前應用最廣的一種過濾除液器，當帶有霧沫的氣體流經過濾網(wǎng)墊時，霧沫碰撞絲網(wǎng)被吸附于其表面，受到絲網(wǎng)表面的霧沫擴散、液體的表面張力及細絲的毛細管作用等影響，液滴聚集變大，當液滴的重力大于氣體的曳力與液滴的表面張力的合力時，液滴即從絲網(wǎng)落下，實現(xiàn)分離。

過濾網(wǎng)墊是一種高效填料，由若干網(wǎng)塊拼合而成，其結構簡單、壓降較小、除液效率高、安裝操作方便。網(wǎng)塊采用氣液過濾網(wǎng)平鋪成型，配以格柵及定距桿等組合而成。過濾網(wǎng)金屬絲規(guī)格一般為0.08～0.3 mm的圓絲或0.1 mm×0.4 mm的扁絲，絲網(wǎng)型式分為SP、HP、DP、HR等[4]。絲網(wǎng)填充密度是除沫器流動阻力和除液效率的重要影響因素。在選擇過濾網(wǎng)墊時要考慮液滴的聚集和重力分離兩個階段，以確定合適的絲網(wǎng)型式及填充密度。

圖3 絲網(wǎng)除沫器簡圖

合適的操作氣速是絲網(wǎng)除沫器達到高效除液效果的重要因素。如果氣速太低，液滴呈漂浮狀態(tài)，減少了與絲網(wǎng)碰撞的幾率，使液滴有可能在碰撞之前就流出除沫器，但由于絲網(wǎng)層的比表面積很大，最終也能保證較高的除液效率，只是沒有將其性能發(fā)揮到最佳。如果氣速過高，由于絲網(wǎng)除沫器沒有液體導流部件，液滴聚集以后不易匯集成流，分散的液滴容易被高速氣體再次霧化并夾帶逃逸，從而降低分離效率。

絲網(wǎng)除沫器操作氣速與其液泛氣速有關，一般ug=0.50～0.80uf[4]。

式中 ug—操作氣速，m/s；

uf—液泛氣速，m/s。

液泛氣速即絲網(wǎng)除沫器正常操作狀態(tài)下的極限氣速，與氣液兩相的密度及氣液過濾網(wǎng)常數(shù)有關。其計算公式為：

式中 ρL,ρG—液滴和進口氣體的密度，kg/m3；

K—氣液過濾網(wǎng)常數(shù)，與其型式有關。

針對絲網(wǎng)除沫器液滴聚集以后不易及時排出的不足，周生賢等將其結構進行了改進[5]：新結構為倒錐形，將絲網(wǎng)均勻地分層纏繞在一個倒錐形的固定架上，每層絲網(wǎng)網(wǎng)孔均拉成菱形，層與層之間增設置導流筋，錐尖設置排液管導流至設備底部。其優(yōu)點在于：導流筋既起到液滴匯集成流作用，將聚集的液滴及時導出，又兼做除沫器的加固部件。同時絲網(wǎng)的間隔式布置可減少其用量并降低沿程阻力。但此布置型式可能會對除沫器的分離效率和分離粒徑范圍有一定影響，除沫器占用的軸向空間也會稍大，更適用于大粒徑、高氣速場合。

絲網(wǎng)除沫器選取時，應根據(jù)工藝條件及相關標準，確定氣液過濾網(wǎng)型式、氣速、流通直徑，并依據(jù)介質成分選擇合適的材料。絲網(wǎng)除沫器主要用于蒸餾塔、吸收塔、氣液分離器的頂部，用于分離氣體中夾帶的液滴直徑大于3～5μm的霧沫。另外，絲網(wǎng)除沫器應定期檢查、清洗，以保證除液效率，避免壓降增大。其清洗較為困難，運行成本較高。

4 旋風分離器

旋風分離器是一種造旋式離心分離設備，氣流在流經旋風分離器時，經過特定的造旋部件，氣流強烈旋轉，由于氣液兩相較大的密度差，液滴所受到的離心力遠大于氣體，從而實現(xiàn)分離出液滴的目的。旋風分離器具有操作彈性大、運行穩(wěn)定、處理量大、結構簡單、維護方便等優(yōu)點。主要類型有螺旋片導流式、旋流板式、切向入口式、蝸殼式、軸流導葉式等。

天然氣采集運輸及井下狹長空間環(huán)境較多的用到了切向入口式或軸流導葉式的旋風分離器[7-8]，如圖4。在這一過程中，不僅有氣液分離，還能將混在氣流中的固體顆粒分離出來，并且不堵塞流道。如果含有氣液固三相的氣流流經絲網(wǎng)除沫器，時間久會堵塞網(wǎng)孔，增大壓降。與之相比，旋風分離器在多相流分離中效率更高。在流量范圍波動時，仍可保持較高的分離效率。在環(huán)境標準要求日益嚴格的情況下，可用于工業(yè)廢氣中PM2.5等固體小顆粒的除凈。旋風分離器還適用于海拔高、溫度低、濕度大的地方。

圖4 旋風分離器簡圖

軸流導葉式旋風分離器的離心力是靠導向葉片的導流產生的,可使旋轉氣流保持穩(wěn)定,有助于維持層流特性, 降低阻力損失。如圖4(b)所示，含有液固兩相的氣流沿軸向進入旋風分離器，經導向葉片構成的漸縮形扭轉流道轉向為旋轉氣流進入分離空間，在高速旋轉過程中液滴與顆粒受離心力的作用被分離到側壁，繼而被下行氣流攜帶，由底部的排塵口排出分離器。分離器內經過凈化的氣流折返向上，從中心的排氣管中流出。主要分離過程位于分離空間內，顆粒受到離心力作用到達側壁所需的時間小于其在分離空間內的停留時間，即可得到分離[9]。

如圖5所示，分離空間內三維速度(m/s)分布具有明顯的規(guī)律性，并且沿軸向的變化很小，說明分離空間內是穩(wěn)定的強旋流場。靜壓(Pa)分布沿徑向呈內低外高的趨勢，中心區(qū)域靜壓值較小。分離空間內穩(wěn)定的流態(tài)分布使得液滴在這里能很好的被分離出來，切向速度提供的離心力與軸向速度提供的下行推動力是實現(xiàn)液滴分離的主要因素[9]。

圖5 分離空間內三維速度與靜壓分布圖

5 常用氣液分離設備性能參數(shù)比較

表1列舉了常用氣液分離設備在正常操作工況下的性能參數(shù)。各種氣液分離設備對操作氣速都有一定范圍的要求；重力沉降器與慣性分離器的壓降小，結構簡單，可用于對除液效率要求不高的工況；絲網(wǎng)除沫器壓降小，分離效率高，在滿足適宜操作氣速的情況下，可用于對除液效率要求較高的工況；旋風分離器的操作氣速范圍較大，分離效率高，應用范圍廣，但壓降損失較大。

表1 常用氣液分離設備的性能參數(shù)

6 膜分離

膜分離是一種新興的高效分離、濃縮提純及凈化技術。目前應用較為成熟的膜分離技術有微濾、超濾、納濾、反滲透、氣體分離、滲透汽化、滲析、電滲析、滲透蒸發(fā)等[10-11]。其主要原理是篩分與溶解擴散，即依靠各組分在通過分離膜時的滲透速率不同實現(xiàn)分離。滲透的推動力是膜兩側的分壓差、濃度差或電位差，原料側的組分可選擇性地透過膜,實現(xiàn)分離和提純的目的[11]。

與傳統(tǒng)的分離技術相比，膜分離技術兼有分離、濃縮、純化和精制的功能，又有高效、節(jié)能、環(huán)保、分子級過濾及過程簡單、易于控制等特征。在煉廠中，膜分離技術已經有效的應用于脫除天然氣中的水蒸氣和酸性氣體，加氫裝置及合成氨中氫氣的回收，催化裂化干氣的氫烴分離，制備富氧、富氮，及有機廢氣的處理等裝置中[10]。

7 結論

氣液分離是煉油工藝過程中的重要環(huán)節(jié)之一，通過對各種氣液分離設技術分離機理的分析和性能參數(shù)的綜合對比，得到其適用的各自工況，但不同的氣液分離設備都有局限性。今后，研究分離技術的組合應用，并在此基礎上開發(fā)高效、低阻、操作范圍廣的新型氣液分離設備是研究的重點。膜分離是一種新興高效的分離技術，其應用前景廣泛。