氣液兩相流的分離

1、氣液兩相流的分離方法綜述摘要：本文從氣液兩相流分離方法出發(fā)，分析了6種最常見的氣液分離方法。研究了各種氣液兩相流分離方法的原理，介紹了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及利用這些方法制造出的氣液分離器的結(jié)構(gòu)，并介紹了各種分離方法適用的領(lǐng)域，并針對部分方法提出了可能的改進(jìn)方法。關(guān)鍵字：氣液兩相流分離機(jī)理氣液分離器引言氣液兩相流的分離主要在氣液分離器中進(jìn)行，而氣液分離器采用的分離結(jié)構(gòu)很多，其分離方法主要有6種，分別是：1、重力沉降；2、折流分離；3、離心分離；4、絲網(wǎng)分離；5、超濾分離；6、填料分離等。但綜合起來分離原理只有兩種：一、利用組分質(zhì)量（重量）不同對混合物進(jìn)行分離（如分離方法1、2、3、6）。氣體與液體的密

2、度不同，相同體積下氣體的質(zhì)量比液體的質(zhì)量小。二、利用分散系粒子大小不同對混合物進(jìn)行分離（如分離方法4、5）0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，所以氣體粒子比液體粒子小些。下面就每種方法的原理進(jìn)行介紹。1 .重力沉降1.1 重力沉降原理氣液重力沉降分離是利用氣液兩相的密度差實(shí)現(xiàn)兩相的重力分離，即液滴所受重力大于其氣體的浮力時(shí)，液滴將從氣相中沉降出來，被分離。由于氣體與液體的密度不同，液體在與氣體一起流動(dòng)時(shí)，液體會(huì)受到重力的作用，產(chǎn)生一個(gè)向下的速度，而氣體仍然朝著原來的方向流動(dòng)，也就是說液體與氣體在重力場中有分離的傾向，向下的液體附著在壁面上匯聚

3、在一起通過排放管排出。1.2 重力沉降式氣液分離器重力沉降分離器一般有立式和臥式（圖1）兩類，它結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、操作彈性大，但操作需要較長的停留時(shí)間，分離器體積大，笨重，投資高，分離效果差，只能分離較大液滴，其分離液滴的極限值通常為100仙m主要用于地面天然氣開采集輸。1.3 發(fā)展現(xiàn)狀經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已基本成熟。當(dāng)前研究的重點(diǎn)是研制高效的內(nèi)部填料以提高其分離效率。此類分離器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確定液滴的沉降速度，然后確定分離器的直徑。2 .折流分離2.1 折流分離原理折流分離，又稱慣性分離，其原理是利用氣體與液體的密度不同，液體與氣體混合一起流動(dòng)時(shí)，如果遇到阻擋，氣體會(huì)折流而走，而液體

4、由于慣性，繼續(xù)有一個(gè)向前的速度，向前的液體附著在阻擋壁面上由于重力的作用向下匯集到一起，通過排放管排出。2.2 折流分離器采用折流原理設(shè)計(jì)的分離器主要指波紋（折）板式除霧（沫）器。它結(jié)構(gòu)簡單、處理量大。氣流速度一般在1525m/s,但阻力偏大，且在氣體出口處有較大吸力造成二次夾帶，對于粒徑小于25m的液滴分離效果較差，不適于一些要求較高的場合。具除液元件是一組金屬波紋板，如圖2所示，波紋板間形成“Z”字形氣流通道。其性能指標(biāo)主要有：液滴去除率、壓降和最大允許氣流量（不發(fā)生再夾帶時(shí)），還要考慮是否易發(fā)生污垢堵塞。因?yàn)橐旱稳コ奈锢頇C(jī)理是慣性碰撞，所以液滴去除率主要受液滴自身慣性的影響。（h）三角

5、形帶勾波形板（）悌形波形波（d）圓弧帶勾波形板圖2除霧（沫）器常見板型2.3 折流分離的優(yōu)缺點(diǎn)折流分離方法重力沉降的方法有以下優(yōu)缺點(diǎn)：1）分離效率比重力沉降高。2）體積比重力沉降減小很多，所以折流分離結(jié)構(gòu)可以用在（高）壓力容器內(nèi)。3）工作穩(wěn)定。但考慮到其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其缺點(diǎn)也很明顯：1）分離負(fù)荷范圍窄，超過氣液混合物規(guī)定流速后，分離效率急劇下降。2）阻力比重力沉降大。它通常用于：濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，設(shè)在煙氣出口處，保證脫硫塔出口處的氣流不夾帶液滴；塔設(shè)備中，去除離開精儲(chǔ)、吸收、解吸等塔設(shè)備的氣相中的液滴，保證控制排放、溶劑回收、精制產(chǎn)品和保護(hù)設(shè)備。2.4 研究現(xiàn)狀2005年楊柳等對除霧器葉片形式作了

6、比較，發(fā)現(xiàn)弧形葉片與折板形葉片的除霧效率相近，但弧形除霧器的壓降明顯小于折板形的，故弧形葉片除霧器的綜合性能比折板式除霧器要好。波紋板除霧器的分離理論和數(shù)學(xué)模型已經(jīng)基本成熟，現(xiàn)在對其研究集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化及操作參數(shù)方面來提高脫液效率。3 .離心分離3.1 分離原理離心分離的原理是利用氣體與液體的密度不同，液體與氣體混合一起流動(dòng)時(shí)，液體受到的離心力大于氣體，所以液體有離心分離的傾向，液體附著在分離壁面上由于重力的作用向下匯集到一起，通過排放管排出。3.2 4種離心式氣液分離器氣液離心分離主要是指氣液旋流分離，即利用離心力來分離氣流中的液滴，因其離心力能達(dá)到重力的數(shù)十倍甚至更多，所以它比重力分離具有更

7、高的效率。雖沒有過濾分離效率高，但因其具有存留時(shí)間短、設(shè)備體積及占地面積小、易安裝、操作靈活、運(yùn)行穩(wěn)定連續(xù)、無易損件、維護(hù)方便等特點(diǎn)，成為研究最多的氣液分離方式。其主要結(jié)構(gòu)類型有管柱式、螺旋式、旋流板式、軸流式等。管柱式旋流氣液分離器（GLCC1995年Kouba等將GLCC圖3）用于多相流量計(jì)環(huán)，經(jīng)過GLC仍離后的氣液兩相分別用單相流量計(jì)計(jì)量，然后再合并，避免了多相流測量中的問題；GLCC在地面和海上油氣分離、井下分離、便攜式試井設(shè)備、油氣泵、多相流量計(jì)、天然氣輸送以及火炬氣洗滌等具有巨大的潛在應(yīng)用。2002年曹學(xué)文等在氣液兩相旋流分析的基礎(chǔ)上，建立了包括了人口分離模型、漩渦模型、氣泡及液滴

8、軌跡模型的預(yù)測分離性能的機(jī)理模型，依據(jù)該模型，提出了管柱式旋流分離器工藝設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)和工藝設(shè)計(jì)步驟。在歐美陸上及海上油氣田開發(fā)中已有多個(gè)成功應(yīng)用的實(shí)例。1996年Franca等研制了螺旋片導(dǎo)流式氣液旋流分離器,直接在井口將氣液進(jìn)行分離，增加了采油回收率，分離后的氣體和液體用不同的管道輸送各相，降低了多相流輸送時(shí)易出現(xiàn)的斷續(xù)流、堵塞和沉積等典型問題。它主要用于石油天然氣開采中的油氣、氣液分離，壓縮空氣的凈化處理，航空宇宙中的氮?dú)夥蛛x。尤其在海上、偏遠(yuǎn)地區(qū)油井及遠(yuǎn)距離油氣輸送方面具有較廣泛的前景。141)(bj圖4螺旋結(jié)構(gòu)的三維幾何模型圖5螺旋結(jié)構(gòu)體網(wǎng)絡(luò)2004年周幗彥等用計(jì)算流體力學(xué)方法，分別對

9、螺距和螺旋個(gè)數(shù)各不相同的9個(gè)螺旋結(jié)構(gòu)流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓降的不同影響，在達(dá)西公式的基礎(chǔ)上擬合出壓降的簡化計(jì)算公式，為工程設(shè)計(jì)提供了一種較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法。旋流板式氣液分離器旋流板式氣液分離器的主體為一圓柱形筒體，上部和下部均有一段錐體，如圖6所示。在筒體中部放置的錐形旋流板是除液的關(guān)鍵部件。旋流板由許多按一定仰角傾斜的葉片放置一圈，當(dāng)氣流穿過葉片間隙時(shí)就成為旋轉(zhuǎn)氣流，氣流中火帶的液滴在慣性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外側(cè)，匯集流到溢流槽內(nèi)，從而達(dá)到氣液分離的目的。其中，葉片數(shù)量、仰角a和徑向角B是旋流板的3個(gè)重要參數(shù)。該設(shè)備一般可分離氣體中575pm直徑的液滴。其優(yōu)點(diǎn)是

10、壓力降小，不易堵塞；具缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)比小，氣體流量減小時(shí)，分離效率顯著下降。Ill期圖6旋流板式氣液分離器結(jié)構(gòu)示意圖軸流式氣液旋流分離器軸流式氣液旋流分離器（見圖7）與切向入口式旋流器的相比其離心力是靠導(dǎo)向葉片產(chǎn)生的，從而使旋轉(zhuǎn)流保持穩(wěn)定，并有助于維持層流特性，且阻力損失較小。另外，此分離器結(jié)構(gòu)簡單、過流面積大，中間流道的連接和管柱整體結(jié)構(gòu)形式簡單，能夠與常規(guī)坐封工藝和起下作業(yè)工藝吻合，顯著降低了加工制造難度和加工成本及現(xiàn)場操作技術(shù)難度，適宜于井下狹長空間環(huán)境的安裝操作，是用于井下氣液分離的理想分離設(shè)備。2007年中國石油大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)室研制了100m格由流式氣液旋流分離器，并進(jìn)行了性能試驗(yàn)試驗(yàn)過

11、程中發(fā)現(xiàn)，短路流和二次流夾帶對于分離器的分離效率影響較大，采用合理的溢流管結(jié)構(gòu)形式可以減少短路流和二次流夾帶，提高分離效率。.填充分離由于氣體與液體的密度不同，液體與氣體混合一起流動(dòng)時(shí)，如果遇到阻擋，氣體會(huì)折流而走，而液體由于慣性，繼續(xù)有一個(gè)向前的速度，向前的液體附著在獨(dú)擋填料表面上由于重力的作用向下匯集到一起，通過排放管排出。由于填料相對普通折流分類來說具有大得多的阻擋手機(jī)壁面積而且多次反復(fù)折流，液體很容易著壁，所以其分離效率較慣性分離有所提Mi。.絲網(wǎng)分離絲網(wǎng)氣液分離機(jī)理絲網(wǎng)氣液分離主要是通過過濾介質(zhì)將氣體中的液滴分離出來的過程，即為過濾分離。其核心部件是濾芯，以金屬絲網(wǎng)（圖8）和玻璃纖維

12、較佳圖8金屬絲網(wǎng)絲網(wǎng)氣液分離機(jī)理有三種情況：1）直接攔截氣體流過絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，如果氣體中的液滴大于絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的孔徑，它們將受到孔的攔截而被分離出來。若液滴直接撞擊絲網(wǎng)，它們也將被攔截。直接攔截可以收集一定數(shù)量比其孔徑小的顆粒，能產(chǎn)生這種結(jié)果除液滴直接撞擊絲網(wǎng)外，還有以下幾種因素：從某個(gè)方向看，大多數(shù)非常小的懸浮液滴的形狀都是不規(guī)則的，它們可以橋接在孔上。如果2個(gè)或多個(gè)顆粒同時(shí)投向1個(gè)孔時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生橋接現(xiàn)象。1個(gè)液滴一旦被1個(gè)孔攔截下來，則這個(gè)孔至少就會(huì)被局部阻塞，這樣就可以將粒徑更小的液滴分隔出來。2）慣性撞擊液滴在流動(dòng)的氣體中具有質(zhì)量和速度，所以它具有動(dòng)量。當(dāng)氣體和它所夾帶的液滴通過絲網(wǎng)時(shí)，氣體

13、將選取阻力最小的通道流過，并且將順著絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變方向，即流線發(fā)生偏折。因?yàn)橐旱尉哂袆?dòng)量，所以較大液滴由于慣性作用仍然向前作直線運(yùn)動(dòng)，使位于氣流中心或者接近氣流中心處的液滴投向或撞擊到絲網(wǎng)上而被分離出來。在氣液分離中，慣性撞擊對粒徑大于20um勺大液滴所起的作用是比較明顯的。3）擴(kuò)散攔截對于粒彳小于ium勺小液滴，可以從擴(kuò)散攔截中分離出來。在這種過程中，液滴以不規(guī)則形式沿著流體流線運(yùn)動(dòng)。這種可以在顯微鏡下觀察到的不規(guī)則布朗運(yùn)動(dòng)使這些較小的液滴從氣體流動(dòng)線上游離開來，并且因此增加了它們撞擊纖維結(jié)構(gòu)表面而被分離出來的可能性。正如慣性撞擊一樣，擴(kuò)散攔截在氣體過濾中起較重要的作用。絲網(wǎng)氣液分離器絲網(wǎng)氣液

14、分離器是一種高效的氣液分離裝置，主要用于分離氣體中直徑大于5um勺液滴，已被廣泛應(yīng)用于化工、石油、硫酸、醫(yī)藥、輕工、冶金、機(jī)械、建筑、航空、海運(yùn)及環(huán)保等工業(yè)中，我國從國外引進(jìn)的乙烯、合成氨和化纖等生產(chǎn)設(shè)備中，也是使用絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為氣液分離裝置的。對粒徑不小于5um勺液滴，其分離效率達(dá)98%-99.8%,而氣體通過分離器的壓降卻很小，只有250500Pa。過濾型氣液分離器具有高效、可有效分離0.110仙ms圍小粒子等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)氣速增大時(shí)，氣體中液滴夾帶量增加；甚至，使填料起不到分離作用，而無法進(jìn)行正常生產(chǎn)；另外，金屬絲網(wǎng)存在清洗困難的問題。故其運(yùn)行成本較高，現(xiàn)主要用于合成氨原料氣凈化除油、天然氣凈

15、化及回收凝析油以及柴油加氫尾處理等場合。發(fā)展現(xiàn)狀對絲網(wǎng)的研究最早是由York和Poppele于上世紀(jì)五六十年代開始的。而我國雖然也有相關(guān)絲網(wǎng)氣液分離器的行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但其所給設(shè)計(jì)公式只是針對定型結(jié)構(gòu)，并且沒有給出分離效率的計(jì)算公式。2006年史永紅對絲網(wǎng)氣液分離器的分離機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并給出了能定量分析各種分離機(jī)理對分離的貢獻(xiàn)的分離效率和壓降計(jì)算公式。孫海鷗等通過數(shù)值模擬估算絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)的壓降。到目前為止，關(guān)于絲網(wǎng)氣液分離器分離效率和壓降的定量計(jì)算公式及適用性研究的公開報(bào)道還很少。.超濾分離分離原理以平板膜為例，超濾的分離過程如圖9所示。原料液在兩塊相互平行且距離為2h的平板膜間流動(dòng)的過程中，

16、在濃度差的推動(dòng)下，小分子物質(zhì)以速度V透過膜進(jìn)入濾液中，大分子物質(zhì)被截留在原料液中，從而使大小分子得到分離。.Lit圖9超濾分離過程超濾分離過程是動(dòng)量傳遞和質(zhì)量傳遞同時(shí)存在的過程，原料液在兩塊平板膜之間不僅存在著速度分布，而且還存在著濃度分布，速度和濃度的分布決定著分離的速度和效果。因此，分析超濾過程關(guān)鍵是建立原料液的速度分布和濃度分布曲線。圖10平板膜超濾過程流程圖1-原料槽;2-循環(huán)泵;3-自制平板膜組件；4-緩沖罐超濾技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用膜分離是一種新興的分離技術(shù)，其中的超濾是目前應(yīng)用最廣的一種膜技術(shù)，廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥及水處理等領(lǐng)域。超濾分離具有無相變、無溶劑污染、容易保持生物分子的活

17、性、操作簡單等特點(diǎn)，因此在生物大分子的分離濃縮領(lǐng)域有著其他分離技術(shù)不能比擬的優(yōu)勢，在蛋白質(zhì)、多糖的濃縮純化，抗生素的提取，果汁濃縮澄清等方面發(fā)揮著重要的作用。發(fā)展現(xiàn)狀與展望與國外技術(shù)發(fā)達(dá)國家相比，我國的超濾技術(shù)的研究與應(yīng)用上起步較晚，20世紀(jì)90年代國內(nèi)才開始大規(guī)模的研究及應(yīng)用。采用超濾技術(shù)分離，不僅要考慮分離、純化的效率，還要考慮物質(zhì)活性的保持和安全性問題。今后的研究會(huì)集中在對性能好、安全性高的膜材料的研究；適合于自動(dòng)化程度高的設(shè)備的開發(fā)；超濾過程相關(guān)傳質(zhì)過程的理論研究及數(shù)學(xué)描述；超濾分離、純化技術(shù)對生物活性的影響規(guī)律。隨著超濾技術(shù)及相關(guān)制膜、控制技術(shù)的發(fā)展，超濾在化工、石油、硫酸、醫(yī)藥、輕工、冶金、機(jī)械、建筑、航空、海運(yùn)及環(huán)保等領(lǐng)域都將有所應(yīng)用，這也必將推動(dòng)我國超濾處理技術(shù)的革新。參考文獻(xiàn):1胡榮澤.從重力沉降到離心沉降J.中國粉體技術(shù).2008(14):6-7.2劉樂柱，張?zhí)炱?空間氣液分離技術(shù)及其應(yīng)用J.真空與低溫.2010(1):6-8.3陳明鵬.氣液分離技術(shù)設(shè)備發(fā)展J.企業(yè)導(dǎo)報(bào).2010(6):286-287.4任相軍，王振波，金有海.氣液分離技術(shù)設(shè)備進(jìn)展J.過濾