煉油裝置中氣液分離設(shè)備的應(yīng)用研究

亓成剛，張西存，劉 健，任相軍

(中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司 設(shè)備室，山東 青島 266071)

氣液分離是煉油工藝過程中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，煉油裝置中的原料氣、反應(yīng)生成氣均會(huì)夾帶一些霧氣或液滴，為提純氣體、保護(hù)壓縮機(jī)，許多不同形式的氣液分離設(shè)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(fēng)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(shí)現(xiàn)分離。液體的密度遠(yuǎn)大于氣體，在流體輸送過程中，經(jīng)過一個(gè)體積大并且流速緩慢的設(shè)備(如圖1)，即保證充足的停留時(shí)間，使液滴凝結(jié)、聚集，從而實(shí)現(xiàn)分離。重力沉降器分為臥式和立式兩類，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、處理量大，但停留時(shí)間較長(zhǎng)，僅對(duì)于大直徑的液滴有較好的分離效果，主要用于天然氣運(yùn)輸、原料氣緩沖等過程[1]。

圖1 重力沉降器簡(jiǎn)圖

2 慣性分離器

圖2 折流板簡(jiǎn)圖

慣性分離器是依靠氣液兩相的慣性不同來實(shí)現(xiàn)分離，其形式主要為波紋面折流板。慣性與物體的質(zhì)量成正比，氣流在流經(jīng)折流板時(shí)，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(jīng)折流板碰時(shí)應(yīng)保持適宜的速度，氣速太低會(huì)使碰撞效果減弱，而過高的氣速會(huì)造成已分離液滴的返混夾帶?；⌒螏с^的折流板可使液滴碰撞的機(jī)會(huì)增多，并且有利于將攔截下來的液滴及時(shí)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(shè)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(duì)液滴的吸附作用達(dá)到凈化氣體的目的。絲網(wǎng)除沫器(圖3)是目前應(yīng)用最廣的一種過濾除液器，當(dāng)帶有霧沫的氣體流經(jīng)過濾網(wǎng)墊時(shí)，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(kuò)散、液體的表面張力及細(xì)絲的毛細(xì)管作用等影響，液滴聚集變大，當(dāng)液滴的重力大于氣體的曳力與液滴的表面張力的合力時(shí)，液滴即從絲網(wǎng)落下，實(shí)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)阻力和除液效率的重要影響因素。在選擇過濾網(wǎng)墊時(shí)要考慮液滴的聚集和重力分離兩個(gè)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(jiǎn)圖

合適的操作氣速是絲網(wǎng)除沫器達(dá)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(dǎo)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(guān)，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(guān)。其計(jì)算公式為：

式中 ρL,ρG—液滴和進(jìn)口氣體的密度，kg/m3；

K—?dú)庖哼^濾網(wǎng)常數(shù)，與其型式有關(guān)。

針對(duì)絲網(wǎng)除沫器液滴聚集以后不易及時(shí)排出的不足，周生賢等將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)[5]：新結(jié)構(gòu)為倒錐形，將絲網(wǎng)均勻地分層纏繞在一個(gè)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(shè)置導(dǎo)流筋，錐尖設(shè)置排液管導(dǎo)流至設(shè)備底部。其優(yōu)點(diǎn)在于：導(dǎo)流筋既起到液滴匯集成流作用，將聚集的液滴及時(shí)導(dǎo)出，又兼做除沫器的加固部件。同時(shí)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(huì)對(duì)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(huì)稍大，更適用于大粒徑、高氣速場(chǎng)合。

絲網(wǎng)除沫器選取時(shí)，應(yīng)根據(jù)工藝條件及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定氣液過濾網(wǎng)型式、氣速、流通直徑，并依據(jù)介質(zhì)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(yīng)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(yùn)行成本較高。

4 旋風(fēng)分離器

旋風(fēng)分離器是一種造旋式離心分離設(shè)備，氣流在流經(jīng)旋風(fēng)分離器時(shí)，經(jīng)過特定的造旋部件，氣流強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，由于氣液兩相較大的密度差，液滴所受到的離心力遠(yuǎn)大于氣體，從而實(shí)現(xiàn)分離出液滴的目的。旋風(fēng)分離器具有操作彈性大、運(yùn)行穩(wěn)定、處理量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。主要類型有螺旋片導(dǎo)流式、旋流板式、切向入口式、蝸殼式、軸流導(dǎo)葉式等。

天然氣采集運(yùn)輸及井下狹長(zhǎng)空間環(huán)境較多的用到了切向入口式或軸流導(dǎo)葉式的旋風(fēng)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(jīng)絲網(wǎng)除沫器，時(shí)間久會(huì)堵塞網(wǎng)孔，增大壓降。與之相比，旋風(fēng)分離器在多相流分離中效率更高。在流量范圍波動(dòng)時(shí)，仍可保持較高的分離效率。在環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求日益嚴(yán)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(fēng)分離器還適用于海拔高、溫度低、濕度大的地方。

圖4 旋風(fēng)分離器簡(jiǎn)圖

軸流導(dǎo)葉式旋風(fēng)分離器的離心力是靠導(dǎo)向葉片的導(dǎo)流產(chǎn)生的,可使旋轉(zhuǎn)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(jìn)入旋風(fēng)分離器，經(jīng)導(dǎo)向葉片構(gòu)成的漸縮形扭轉(zhuǎn)流道轉(zhuǎn)向?yàn)樾D(zhuǎn)氣流進(jìn)入分離空間，在高速旋轉(zhuǎn)過程中液滴與顆粒受離心力的作用被分離到側(cè)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(nèi)經(jīng)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(nèi)，顆粒受到離心力作用到達(dá)側(cè)壁所需的時(shí)間小于其在分離空間內(nèi)的停留時(shí)間，即可得到分離[9]。

如圖5所示，分離空間內(nèi)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(nèi)是穩(wěn)定的強(qiáng)旋流場(chǎng)。靜壓(Pa)分布沿徑向呈內(nèi)低外高的趨勢(shì)，中心區(qū)域靜壓值較小。分離空間內(nèi)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(dòng)力是實(shí)現(xiàn)液滴分離的主要因素[9]。

圖5 分離空間內(nèi)三維速度與靜壓分布圖

5 常用氣液分離設(shè)備性能參數(shù)比較

表1列舉了常用氣液分離設(shè)備在正常操作工況下的性能參數(shù)。各種氣液分離設(shè)備對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用于對(duì)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(duì)除液效率要求較高的工況；旋風(fēng)分離器的操作氣速范圍較大，分離效率高，應(yīng)用范圍廣，但壓降損失較大。

表1 常用氣液分離設(shè)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(shù)。目前應(yīng)用較為成熟的膜分離技術(shù)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(kuò)散，即依靠各組分在通過分離膜時(shí)的滲透速率不同實(shí)現(xiàn)分離。滲透的推動(dòng)力是膜兩側(cè)的分壓差、濃度差或電位差，原料側(cè)的組分可選擇性地透過膜,實(shí)現(xiàn)分離和提純的目的[11]。

與傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比，膜分離技術(shù)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(jí)過濾及過程簡(jiǎn)單、易于控制等特征。在煉廠中，膜分離技術(shù)已經(jīng)有效的應(yīng)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(jī)廢氣的處理等裝置中[10]。

7 結(jié)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(duì)各種氣液分離設(shè)技術(shù)分離機(jī)理的分析和性能參數(shù)的綜合對(duì)比，得到其適用的各自工況，但不同的氣液分離設(shè)備都有局限性。今后，研究分離技術(shù)的組合應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)高效、低阻、操作范圍廣的新型氣液分離設(shè)備是研究的重點(diǎn)。膜分離是一種新興高效的分離技術(shù)，其應(yīng)用前景廣泛。