正壓高效氣液分離器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

丁成 高飛翔 楚金澄

摘要：工業(yè)生產(chǎn)中，需要采用氣液分離器對(duì)氣液混合介質(zhì)進(jìn)行分離，以實(shí)現(xiàn)氣液混合介質(zhì)凈化回收或無(wú)害化處理的目的。詳細(xì)介紹了氣液分離的工作原理及不同類型氣液分離器的優(yōu)缺點(diǎn)和正壓高效氣液分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、工作方式、參數(shù)選型，以及其分離特性。工程應(yīng)用表明：正壓高效氣液分離器分離效率較高，處理能力大，設(shè)備占地面積小，安裝維護(hù)方便，可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：正壓高效;氣液分離器;工作原理;結(jié)構(gòu)方案;分離效率

中圖分類號(hào)：TD4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

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

引 言

工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中氣液混合介質(zhì)中常含有大量的有毒有害氣體，這些有害物質(zhì)會(huì)腐蝕設(shè)備、管道、儀器儀表等，需要對(duì)氣液混合介質(zhì)進(jìn)行無(wú)害化處理，清除液體中的有害物質(zhì)。此外，有些氣液混合介質(zhì)中存在有價(jià)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(duì)氣液混合介質(zhì)進(jìn)行分離。氣液混合介質(zhì)分離技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油、化工，天然氣開(kāi)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(fā)酵工程等。氣液分離的方法和設(shè)備很多，分離設(shè)備工作原理不同其結(jié)構(gòu)也不同，主要區(qū)別有：①進(jìn)料、出料的方式不同，包括底部進(jìn)氣、頂部出氣，側(cè)面進(jìn)氣、頂部出氣，側(cè)面進(jìn)氣、側(cè)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(jù)工藝分離介質(zhì)不同有氣液固三相分離和氣液兩相分離。不同的設(shè)備結(jié)構(gòu)根據(jù)使用工藝不同有不同的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)根據(jù)不同的應(yīng)用目的選擇不同類型的設(shè)備。

目前，應(yīng)用較為廣泛的氣液分離設(shè)備主要有以下3類：①凈化分離器。分離氣體中無(wú)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(zhì)分離器。利用工藝介質(zhì)氣液兩相性質(zhì)不同來(lái)循環(huán)運(yùn)行，如果氣液混合在一起，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和效率下降。③產(chǎn)品分離器。把混合在原料氣中的液態(tài)產(chǎn)品或氣態(tài)產(chǎn)品分離出來(lái)，若不能進(jìn)行氣液分離，則無(wú)法獲得產(chǎn)品?，F(xiàn)有氣液分離器通用性均有一定局限性，如何實(shí)現(xiàn)高效分離，增強(qiáng)設(shè)備通用性是未來(lái)發(fā)展研究的重點(diǎn)。

1 氣液分離器工作原理

氣液分離器的結(jié)構(gòu)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(zhì)的組分質(zhì)量（重量）的不同，對(duì)混合物進(jìn)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(zhì)量比液體的質(zhì)量小;另一種是利用分散系粒子大小不同對(duì)混合物進(jìn)行分離，如絲網(wǎng)過(guò)濾分離、微孔過(guò)濾分離等，液體的分子聚集狀態(tài)與氣體的分子聚集狀態(tài)不同，氣體分子距離較遠(yuǎn)，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(jù)分離效率高低對(duì)比可知，微孔過(guò)濾分離優(yōu)于絲網(wǎng)過(guò)濾分離，絲網(wǎng)過(guò)濾分離優(yōu)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(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)越復(fù)雜，成本相對(duì)較高。

1.1 重力沉降

分離液體顆粒大于200 μm時(shí)，利用液體與氣體的重量不同達(dá)到分離的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單，阻力小，但分離效率較差，氣體流速受限，相對(duì)較慢，所以設(shè)備設(shè)計(jì)橫截面積較大，體積較大。重力沉降氣液分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(zhì)遇折流板發(fā)生碰撞，液體折流板著壁實(shí)現(xiàn)分離。相比重力沉降分離設(shè)備體積小，工作穩(wěn)定，但分離負(fù)荷范圍相對(duì)窄。氣體流速過(guò)慢，液體的慣性過(guò)小，無(wú)法與折流板產(chǎn)生碰撞分離。氣體流速過(guò)快會(huì)把已經(jīng)碰撞著壁的液體重新帶走，且液體與折流板在碰撞碎化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更細(xì)的液滴，分離效果變差。折流氣液分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

1.3 離心力分離

離心力分離適用于正壓供風(fēng)系統(tǒng)，需要保證進(jìn)氣口的進(jìn)氣速度，由于氣液混合體旋轉(zhuǎn)流動(dòng)時(shí)，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(chǎn)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(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。設(shè)備體積更小，工作穩(wěn)定。氣體流速過(guò)慢，液態(tài)所受離心力影響過(guò)小，液體無(wú)法與筒壁產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致氣液無(wú)法分離。氣體流速過(guò)快會(huì)把已經(jīng)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(chǎn)生碰撞從而實(shí)現(xiàn)分離。填料氣液分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。由于填料量大，阻擋收集表面積在單位體積內(nèi)較大，而且多次不規(guī)則反復(fù)折流，液體更容易著壁;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但分離負(fù)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(zhì)流速越大，單位時(shí)間內(nèi)分離負(fù)荷越大，氣液混合介質(zhì)在分離器內(nèi)停留的時(shí)間越短。氣體在折流的同時(shí)推動(dòng)著已經(jīng)著壁的液體向上流動(dòng)，氣體流量太大或流速太快，會(huì)導(dǎo)致液體下流不暢，氣體的流通面積逐漸減小，已經(jīng)著壁的液體很容易被氣體重新帶走形成液泛。填料材質(zhì)不同，則液體潤(rùn)濕性能不同，分離性能不同，其表面的潤(rùn)濕性能越低越有利于液體向下流動(dòng)，有利于介質(zhì)分離。

1.5 絲網(wǎng)過(guò)濾分離

氣體與液體的微粒大小不同，液體的分子聚集狀態(tài)與氣體的分子聚集狀態(tài)不同，氣體分子距離較遠(yuǎn)，而液體分子距離要近得多，液體與氣體混合一起流動(dòng)通過(guò)絲網(wǎng)時(shí)，氣體通過(guò)絲網(wǎng)而液體被攔截。絲網(wǎng)過(guò)濾氣液分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。阻擋收集表面積在單位體積內(nèi)相對(duì)填料分離大很多，分離負(fù)荷范圍更窄。氣體流速過(guò)高，聚集的液滴無(wú)法從絲網(wǎng)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(guò)低，氣體夾帶的霧沫未與絲網(wǎng)碰撞就隨著氣流通過(guò)絲網(wǎng)而被帶走。液氣比太大，會(huì)造成絲網(wǎng)間氣體的流通面積減少，從而導(dǎo)致氣體流速越來(lái)越快，造成液泛。不同材質(zhì)的絲網(wǎng)表面的潤(rùn)濕性能越低，越有利于液體向下流動(dòng)，有利于介質(zhì)分離。

1.6 微孔過(guò)濾分離

氣體與液體的微粒大小不同，液體與氣體混合通過(guò)微孔過(guò)濾，氣體通過(guò)而液體被攔截，從而達(dá)到分離的目的。微孔過(guò)濾氣液分離器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。微孔過(guò)濾氣液分離器的篩分作用實(shí)現(xiàn)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(guò)。相對(duì)于絲網(wǎng)過(guò)濾，微孔過(guò)濾分離器的阻擋收集表面積在單位體積內(nèi)極大，折流次數(shù)和篩分次數(shù)在單位體積內(nèi)更多，分離效率更高;而且體積比絲網(wǎng)過(guò)濾氣液分離器小。但是，如果液氣比太大，容易發(fā)生液阻現(xiàn)象，阻力急劇上升。

氣液分離器應(yīng)用的目的是實(shí)現(xiàn)氣液分離，但實(shí)際上分離效率達(dá)不到100 %，根據(jù)實(shí)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(wǎng)過(guò)濾分離適用于分離要求高的情況，微孔過(guò)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(guān)，如果液體黏度大，分子間作用力強(qiáng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)容易分離，所以油水分離器一般分離極數(shù)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(wèn)題在于液體下流時(shí)間較長(zhǎng)。

2 正壓高效氣液分離器設(shè)計(jì)

氣液分離器在工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中有2種動(dòng)力源的作用方式：一種是正壓條件下將系統(tǒng)中的氣液混合體高速送進(jìn)氣液分離器進(jìn)行氣液分離;另一種是負(fù)壓條件下將系統(tǒng)中的氣液混合體低速引入氣液分離器進(jìn)行氣液分離。負(fù)壓引風(fēng)應(yīng)用較為普遍，常用的重力沉降、折流分離、絲網(wǎng)過(guò)濾分離和微孔過(guò)濾分離結(jié)構(gòu)均可采用負(fù)壓引風(fēng)的方式進(jìn)行氣液分離，其工作過(guò)程氣速低，氣阻小，設(shè)備承壓小，有毒有害氣體泄漏的概率小;但對(duì)于氣液處理量較大，在含水率較高的工況環(huán)境下，正壓供風(fēng)的復(fù)合式高效氣液分離器具有較好的應(yīng)用前景。例如：離心力分離需要正壓供風(fēng)，以保證進(jìn)口物料初始速度，使物料進(jìn)入分離器前可以形成旋流離心狀態(tài)。

2.1 結(jié) 構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的正壓高效氣液分離器是在正壓供風(fēng)條件下集離心力分離-重力沉降-絲網(wǎng)過(guò)濾分離等多種分離方法于一體，通過(guò)離心、降速、凝聚等原理達(dá)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(yè)生產(chǎn)中單獨(dú)的離心力分離與絲網(wǎng)過(guò)濾分離效率低，設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大的問(wèn)題。

正壓高效氣液分離器由氣液進(jìn)口、旋流分離錐、垂直連接板、外殼體、折流收集板、絲網(wǎng)分離骨架、絲網(wǎng)分離器、氣體出口、液體排口、支腿等構(gòu)成（見(jiàn)圖7）。 其中，上下封頭與圓柱形筒體外殼內(nèi)部通過(guò)多個(gè)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(shè)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(qū)，折流收集板與外殼體之間形成集液區(qū)，旋流分離錐上部一段距離設(shè)置有絲網(wǎng)分離骨架，旋流分離錐與絲網(wǎng)分離骨架之間為氣液降速區(qū)，再次重力分離，絲網(wǎng)分離骨架上設(shè)置絲網(wǎng)分離器;外殼體頂部設(shè)置有氣體出口，底部設(shè)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(jìn)口貫穿外殼體與旋流分離錐切線連接;折流收集板上設(shè)置有折流面和液體匯集口。

2.2 工作過(guò)程

氣液分離過(guò)程通常分為3個(gè)階段：第一階段為預(yù)分離，即保證介質(zhì)的初始速度，利用氣體中所夾帶液體的動(dòng)量使大的液滴與入口切線進(jìn)入，在離心力的作用下液體與氣體分開(kāi)，液體與導(dǎo)流擋板碰撞，然后利用液滴自重進(jìn)行沉降，從而將氣液分成以氣體為主和以液體為主的2個(gè)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(shí)現(xiàn)氣液分離。

正壓高效氣液分離器的氣液混合體通過(guò)氣液進(jìn)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(nèi)壁旋流向上螺旋運(yùn)動(dòng)，在離心力與重力的作用下，氣體向上流，部分液體緊貼內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)達(dá)到旋流分離錐頂部后，離心力作用使其進(jìn)入旋流分離錐體與外殼體之間，然后通過(guò)旋流分離錐外壁或外殼體內(nèi)壁向下落回折流收集板;部分液體向下流動(dòng)，在旋流分離錐內(nèi)壁落回折流收集板，折流收集板上收集的液體通過(guò)液體匯集口進(jìn)入外殼體集液區(qū)。旋流向上未完全分離的氣液混合體到達(dá)降速區(qū)實(shí)現(xiàn)速度降低，液體在重力作用下向下落，而氣體向上流動(dòng)，進(jìn)入絲網(wǎng)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(jīng)過(guò)底部折流收集板時(shí)實(shí)現(xiàn)折流分離，通過(guò)上部氣孔排出。

2.3 參數(shù)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(tài);如果氣體流速太低，由于達(dá)不到湍流狀態(tài)而降低分離效率[6-7]。氣體流速對(duì)分離效率的影響見(jiàn)圖8。

3 工業(yè)應(yīng)用

正壓高效氣液分離器主要應(yīng)用于工藝介質(zhì)分離和產(chǎn)品分離，其能夠保證整個(gè)工藝系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率，可以分離氣液混合介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)其中產(chǎn)品的制備。例如：黃金行業(yè)酸化法處理含氰廢水廢渣，3R-O吹脫產(chǎn)生的氰化氫氣體帶有大量的酸性液體，在進(jìn)入堿液吸收塔前通過(guò)正壓高效分離器分離，實(shí)現(xiàn)酸液與氰化氫氣體分離，有害酸液回到上級(jí)處理器，氰化氫氣體進(jìn)入堿液吸收塔形成產(chǎn)品。

煙臺(tái)某貴金屬材料制備系統(tǒng)濕法溶金過(guò)程產(chǎn)生大量煙氣，該煙氣需要進(jìn)入干式高效尾氣處理裝置進(jìn)行無(wú)害化環(huán)保處理，但煙氣含有一定量液體，為防止液體進(jìn)入干式高效尾氣處理裝置導(dǎo)致干式藥劑失效，需要在干式高效尾氣處理裝置前進(jìn)行氣液分離處理。因此，應(yīng)用DN800 mm×2 200 mm型正壓高效氣液分離器（見(jiàn)圖9）對(duì)該貴金屬材料制備系統(tǒng)濕法溶金過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行氣液分離。其工作參數(shù)為：處理風(fēng)量1 500 m3/h，內(nèi)筒直徑600 mm，氣體管路進(jìn)出口管徑200 mm，氣體進(jìn)出口最大氣流流速13 m/s，材質(zhì)304不銹鋼。實(shí)踐表明：設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)明顯風(fēng)阻振動(dòng)，無(wú)明顯腐蝕，氣液分離效果明顯。

4 結(jié) 語(yǔ)

正壓高效氣液分離器采用集離心力分離-重力沉降-絲網(wǎng)過(guò)濾分離多種分離方法于一體的氣液分離設(shè)計(jì)。采用側(cè)進(jìn)上出的進(jìn)出料方式和無(wú)導(dǎo)流旋流板的上行離心式內(nèi)筒分離，通過(guò)離心、降速、凝聚等原理達(dá)到氣液分離的目的。該分離器的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)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(guò)濾分離成本高的問(wèn)題;實(shí)現(xiàn)了連續(xù)分離。其阻擋收集表面積在單位體積內(nèi)較大，分離負(fù)荷范圍較寬，因此分離效率相對(duì)較高，處理能力大，設(shè)備體積相對(duì)合理，占地小，安裝維護(hù)方便，可廣泛應(yīng)用于工藝介質(zhì)分離和產(chǎn)品分離。

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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