气-液分离器设计[1]

1、气液分离器设计工程设计标准T/ES220020-2005第1页 共27 页中国石化宁波工程有限公司实施日期：2005-05-01气液分离器设计杨德华修改标记简要说明修改页码编制校核审核审定日期2005-04-15发布2005-05-01实施目 次1 总则1.1 目的1.2 范围1.3 编制本标准的依据2 立式和卧式重力分离器设计2.1应用范围 2.2 立式重力分离器的尺寸设计2.3 卧式重力分离器的尺寸设计2.4 立式分离器（重力式）计算举例 2.5附图3 立式和卧式丝网分离器设计3.1 应用范围 3.2 立式丝网分离器的尺寸设计3.3 卧式丝网分离器的尺寸设计3.4 计算举例3.5 附图4

2、符号说明T/ES220020-2005 第 27 页 共 27 页1 总则1.1 目的 本标准适用于工艺设计人员对两种类型的气液分离器设计，即立式、卧式重力分离器设计和立式、卧式丝网分离器设计。并在填写石油化工装置的气液分离器数据表时使用。1.2 范围本标准适用于国内所有化工和石油化工装置中的气液分离器的工程设计。 1.3 编制本标准的依据：化学工程学会工艺系统工程设计技术规定HG/T20570.8-1995第8篇气液分离器设计。2 立式和卧式重力分离器设计2.1 应用范围2.1.1 重力分离器适用于分离液滴直径大于200m的气液分离。2.1.2 为提高分离效率，应尽量避免直接在重力分离器前设

3、置阀件、加料及引起物料的转向。2.1.3 液体量较多，在高液面和低液面间的停留时间在69min，应采用卧式重力分离器。2.1.4 液体量较少，液面高度不是由停留时间来确定，而是通过各个调节点间的最小距离100mm来加以限制的，应采用立式重力分离器。2.2 立式重力分离器的尺寸设计2.2.1 分离器内的气速2.2.1.1 近似估算法 (2.2.11)式中 Vt浮动（沉降）流速，m/s； L、G液体密度和气体密度，kg/m3； KS系数 d*=200m时，KS=0.0512； d*=350m时，KS=0.0675。近似估算法是根据分离器内的物料流动过程，假设Re=130，由图2.5.11查得相应的

4、阻力系数CW=1，此系数包含在Ks系数内，Ks按式(2.2.11)选取。由式(2.2.11)计算出浮动（沉降）流速（Vt），再设定一个气体流速（ue），即作为分离器内的气速，但ue值应小于Vt。真正的物料流动状态，可能与假设值有较大的出入，会造成计算结果不准确，因此近似估算法只能用于初步计算。2.2.1.2 精确算法从浮动液滴的平衡条件，可以得出： (2.2.12)式中 Vt浮动（沉降）流速，m/s； d*液滴直径，m； L、G液体密度和气体密度，kg/m3； g重力加速度，9.81m/s2; Cw阻力系数。首先由假设的Re数，从图2.5.11查CW，然后由所要求的浮动液滴直径（d*）以及L、

5、G按式（2.2.12）来算出，再由此计算Re。 (2.2.13)式中 G气体粘度，Pa·S。其余符号意义同前。由计算求得Re数，查图2.5.11，查得新CW，代入式(2.2.12)，反复计算，直到前后两次迭代的Re数相等，即为止。取ueVt,即容器中的气体流速必须小于悬浮液滴的浮动（沉降）流速（Vt）。2.2.2 尺寸设计尺寸图见图2.2.2所示。2.2.2.1 直径 (2.2.21)式中 D分离器直径，m； VGmax气体最大体积流量，m3/h； ue容器中气体流速，m/s。由图2.5.12可以快速求出直径（D）。2.2.2.2 高度容器高度分为气相空间高度和液相高度，此处所指的高

6、度，是指设备的圆柱体部分，见图2.2.2所示。低液位（LL）与高液位（HL）之间的距离，采用式(2.2.22)计算 (2.2.22)式中 HL液体高度，m； t停留时间，min； D容器直径，m； VL液体体积流量，m3/h。气、液 图2.2.2 立式重力分离器停留时间(t)以及釜底容积的确定，受许多因素影响。这些因素包括上、下游设备的工艺要求以及停车时塔板上的持液量。当液体量较小时，规定各控制点之间的液体高度最小距离为100mm。表示为：LL（低液位）-100mm-LA（低液位报警）-100mm-NL（正常液位）-100mm-HA（高液位报警）-100mm-HL（高液位）。2.2.2.3 接

7、管直径1) 入口接管两相入口接管的直径应符合式(2.2.23)要求。 <1000Pa (2.2.23)式中 up接管内流速，m/s； G气体密度，kg/m3。由此导出 DP>3.34×10-3(VGVL)0.5 (2.2.24)式中 VG、VL分别为气体与液体体积流量，m3/h； DP接管直径，m。由图2.5.13可以快速求出接管直径。2） 出口接管气体出口接管直径，必须不小于所连接的管道直径。液体出口接管的设计，应使液体流速小于等于1m/s。任何情况下，较小的出口气速有利于分离。2.3 卧式重力分离器的尺寸设计2.3.1 计算方法及其主要尺寸设备尺寸计算的依据是液体流量

8、及停留时间。按式(2.3.1)求出“试算直径”DT，在此基础上，求得容器中液体表面上的气体空间，然后进行校核，验证是否满足液滴的分离。卧式重力分离器的尺寸见图2.3.1所示。试算直径 (2.3.1)式中 C=LT/DT=24（推荐值是2.5）； DT、LT分别为圆柱部分的直径和长度，m； VL液体的体积流量，m3/h； t停留时间，min； A可变的液体面积（以百分率计）即 A=ATOT（Aa+Ab），均以百分率计其中 ATOT总横截面积，%； Aa气体部分横截面积，%； Ab液位最低时液体占的横截面积，%。气气、液LT液图2.3.1 卧式重力分离器通常开始计算时取A=80%，并假设气体空间面

9、积Aa为14%，最小液体面积Ab为6%。选择C值时，须考虑容器的可焊性（壁厚）和可运输性（直径、长度）。由DT和Aa=14%，查图2.5.1-4，得出气体空间高度(a)，a值应不小于300mm。如果a300mm，需用A80%的数值，再进行计算新的试算直径。2.3.2 接管距离两相流进口接管与气体出口接管之间的距离应尽可能大，即LNLT及LT=C·DT。式中 LN两相流进口到气体出口间的距离，m; LT圆筒形部分的长度，m。根据气体空间(Aa)和一个时间比值（R）（即液滴通过气体空间高度所需沉降时间与气体停留时间的比）来校核液滴的分离，计算进口和出口接管之间的距离()。 (2.3.21

10、)式中 、a分别为进出口接管间距离、卧式容器直径和气体空间高度，m； VG气体流量，m3/h； L、G分别为液体密度、气体密度，kg/m3； Aa气体部分横截面积，%； R对于d*=350m，使用R=0.167 对于d*=200m，使用R=0.127 R=s/T其中 s直径为d*的液滴，通过气体空间高度(a)所需要的时间，s； T气体停留时间，s。两相流进口到气体出口间的距离(LN)不应小于。接管设计见2.2.2.3规定。2.3.3 液位和液位报警点计算实例已知：VL=120m3/h，t=6min，DT=2000mm，LT=5000mm，最低液位高度hLL=150mm。最低液位（LL）、低液位

11、报警（LA）、正常液位（NL）、高液位报警（HA）、最高液位（HL）之间的时间间隔分别是2、1、1、2min。要计算对应时间间距的各液位高度。解题：如图2.3.3所示。最低液位，即液面起始高度（计算时间为0）的液位高度(hLL)为150mm。容器横截面积（ATOT）: 相当于液体在容器中停留时间为1min所占的横截面积为： A1=120×1/（60×5）=0.4m2 图2.3.3 卧式重力分离器液位高度其它几个高度按下述方法求出：hLL/DT=150/2000=0.075，由图2.5.15查得。得 查图2.5.15得，从最低液位经2min后得到液面高度为得 查图2.5.15

12、得=0.434，过1min后，液面高度为hNL=0.434×2000=868mm（hNL即是图中h）得 查图2.5.15得=0.535，再过1min液面高度为hHA=0.535×DT=0.535×2000=1070mm（hHA即是图中h）得查图2.5.15得，再过2min液面高度为hHL=0.746×DT=0.746×2000=1492mm（hHL即是图中h）。2.4 立式分离器（重力式）计算举例2.4.1 数据 VL=8.3m3/hL=762kg/m3 T=318K P=0.324MPa Vmax=135% VG=521.7m3/hG=4.9

13、kg/m3G=14.6×10-6Pa·s d*=350×10-6mVmin=70%停留时间t=6min，要决定分离器尺寸。2.4.2 解题2.4.2.1 浮动流速（Vt）由式(2.2.12)计算= 4×350×10-6×(762-4.9)/( 3×1×4.9)0.5 =0.841 m/s由式(2.2.13)计算由图2.5.11查得CW=1.25，由式(2.2.12)计算，得Vt=0.75，再由式(2.2.13)计算，得Re=88.4，由图 2.5.11查得 CW=1.25，试算结束，取ue=Vt, Vt=0.75m

14、/s。2.4.2.2 尺寸直径 =0.576m 取D=0.6m选用D=1m（由于上述计算L/D不合适）每分钟停留时间相当于高度为：H=1430/6=238mm2.5 附图2.5.1 附图2.5.1.1 雷诺数Re与阻力系数CW的关系，见图2.5.11所示。2.5.1.2 快速确定D与u的关系，见图2.5.12所示。2.5.1.3 接管直径的确定，见图2.5.13所示。2.5.1.4 容器横截面积的求法(一)，见图2.5.14所示。2.5.1.5 容器横截面积的求法(二)，见图2.5.15所示。图2.5.11 Re数与阻力系数(Cw)关系图 图2.5.12 容器和丝网直径的确定 图2.5.13

15、接管直径的确定amDTmAa% 图2.5.14 容器横截面积的求法(一) 图2.5.15 容器横截面积的求法(二)3 立式和卧式丝网分离器设计3.1 应用范围。3.1.1 丝网分离器适用于分离气体中直径大于1030m的液滴。3.1.2 丝网分离器主要部件为一固定安装的丝网组件，由丝网和上下支承栅条组成。丝网材料可采用不同的金属或非金属材料。如：不锈钢、蒙乃尔合金、镍、铜、铝、碳钢、钽、耐腐蚀耐热镍合金、聚氯乙烯和聚乙烯等。3.1.3 丝网分离器通常规格是丝网的丝直径为0.22mm0.28mm，丝网的厚度约为100mm150mm。3.2 立式丝网分离器的尺寸设计3.2.1 气体流速(uG)的确定

16、气体流速对分离效率是一个重要影响因素。流速过高，聚集的液滴不易从丝网上落下，液体充满丝网，造成液泛，以致一度被捕集的液滴又飞溅起来，再次被气体携带出去，使分离效率急剧降低；流速过低，夹带的雾沫在气体中飘荡，未与丝网细丝碰撞就随着气流通过丝网而被气体带走，降低了丝网的分离效率。气速对分离效率的影响见图3.2.1所示。最大速度最大速度最大速度的图3.2.1 分离效率与气速的关系3.2.1.1 计算方法(一)用常数(KG)的计算方法 (3.2.11)式中 uG与丝网自由横截面积相关的气体流速，m/s； L、G分别为液体和气体的密度，kg/m3; KG常数，通常KG=0.107。如果气流中有较大的液体

17、量被分离，则建议采用KG=0.075。在高粘度液体、高压或高真空工艺中，KG可采用0.06。3.2.1.2 计算方法(二)本方法适用于两相物料中含液体很少的物流，假定两相中的液体全部被丝网截住，通过本方法求得气体流速。丝网自由横截面积上的气体流速(uG) (3.2.12)其中 (3.2.13)式中 c安全系数，取0.70.9； m校正系数，由和由图3.5.12查得；L工作温度下液体表面张力，N/m，烃类的L可按式(3.2.14)计算： (3.2.14) u0临界流速，m/s； L液体粘度，Pa·s； 丝网空隙率； a丝网比表面积，m2/m3；丝网参数见表3.2.1。 g重力加速度，9

18、.81m/s2； H2O(20)20水的表面张力，72.8×10-3N/m； L、G分别为液体和气体的密度，kg/m3； ML液体分子量； N系数，由由图3.5.11查得（当M0.00001时，取N=0.7 进行计算）； WL进出丝网的液体流量之差，kg/h； WG气体质量流量，kg/h。表3.2.1 国内丝网分离器参数表型 号规 格空隙率()丝网密度Kg/m3 kg/m3丝 径 mm40100型标准型60150型0.9821500.23140400型高效型60100型0.9751500.2380100型0.12高穿透型20100型30150型0.9901600.2370140型注：

19、表3.2.1摘自行业标准丝网除沫器(HG5140481、HG5140581和HG5140681)。3.2.1.3 计算方法(三)本方法适用于物流中液体含量较多时，首先假定被气流夹带的液量。根据本方法计算夹带的液量，然后通过计算方法(二)求得气体流速。1） 当测得被气体夹带的液滴直径(d*)后，设定丝网自由横截面积上的气体流速(uG)，并计算Re数。 (3.2.15)式中 G气体粘度，Pa·s； G气体密度，kg/m3。其余符号意义同前。2） 由Re数查图2.5.11，得阻力系数（Cw）；3） 由CW校核uG (3.2.16)若与假定值不符，则改变uG值，直到uG值与假定值相近。其余符

20、号意义同前。4） 由d*、uG值计算单位气体量带到丝网上的液体夹带量(E) (3.2.17)及 (3.2.18)式中 E单位气体量带到丝网上的液体夹带量； M辅助因子。其余符号意义同前。5） 由M 查图3.5.11得N。M、N为辅助系数；6） 按及查图3.5.12得系数m值；7） 由式(3.2.13)得u0。若u0值小于uG，且差值不大，则可以用uG进行3.2.2的尺寸设计，否则应选用其它参数(a、)的丝网。若未测定液滴直径(d*)，则可用式(3.2.11)先定uG值，然后再假定d*，求Re及CW，由式(3.2.15)验算d*值，若不符合，重新假定d*值，直至两值相近为止，然后再按3.2.1.

21、3中 4)7)计算。3.2.2 尺寸设计3.2.2.1 丝网直径由式(3.2.11)求得的uG，按式(3.2.21)求DG： (3.2.21)式中 uG丝网自由截面积上的气体流速，m/s； DG丝网直径，m； 其余符号意义同前。由于安装的原因（如支承环约为50/70×10mm），容器直径须比丝网直径至少大100mm。由图2.5.12可以快速求出丝网直径(DG)。3.2.2.2 高度容器高度分为气体空间高度和液体高度(指设备的圆柱体部分)。低液位(LL)和高液位(HL)之间的距离由式(3.2.22)计算： (3.2.22)式中 D容器直径，m； VL液体流量，m3/h； t停留时间，m

22、in； HL低液位和高液位之间的距离，m。液体的停留时间（以分计）是用邻近控制点之间的停留时间来表示的，停留时间应根据工艺操作要求确定，例如： LL4LA2NL2HA2HL上式表示：LL（最低液位）和LA（低液位报警）之间的停留时间为4min，LA和NL（正常液位）之间的停留时间为2min等内容。气体空间高度的尺寸见图3.2.2所示。丝网直径与容器直径有很大差别时，尺寸数据要从分离的角度来确定。3.2.2.3 接管直径1） 入口接管两相混合同物的入口接管的直径应符合式(3.2.23)要求： Pa (3.2.23)式中 uGL接管内两相流速，m/s； G气相密度，kg/m3;由此导出 (3.2.

23、24)式中 DP接管直径，m； VL液体体积流量，m3/h； VG气体体积流量，m3/h；其余符号意义同前。由图2.5.13可以快速求出接管直径(DP)。T.L.HLLL图3.2.2 立式丝网分离器2） 出口接管液体、气体的出口接管的直径，不得小于连接管道的直径。液体出口接管可以用小于等于1m/s的流速来设计。气体出口流速取决于气体密度，密度小时，最大出口流速uG.max20m/s。密度大时，选用较小的气体出口流速。任何情况下，较小的气体出口流速有利于分离。3.2.3 丝网的装配除考虑经济因素外，还应考虑工作温度、容器材料以及丝网本身的耐久性。采用聚丙烯或聚乙烯丝网时，应注意产生碳氢化合物的影

24、响；采用聚四氟乙烯或不锈钢丝网时应考虑其受温度的限制；铝制容器内不能采用蒙乃尔丝网；在有水滴存在的条件下，钢制容器内不能采用铝制丝网。3.3 卧式丝网分离器的尺寸设计3.3.1 如果经卧式分离器之后，临界液滴直径需要小于200m时，分离器应带有丝网，丝网通常置于罐顶部的分离空间中。其设计方法，是把卧式重力分离器（参看第2章“立式和卧式重力分离器设计”中2.3规定）和立式丝网分离器的设计结合起来，从经济上考虑，应使气体空间尽可能地小。气体最小空间高度amin=300mm，见图3.3.1所示。气气、液液图3.3.1 卧式丝网分离器3.4 计算举例3.4.1 数据VL=0.4m3/hL=878kg/

25、m3T=33Vmax=135%VG=372.9m3/hG=5.95kg/m3P=0.29MPaVmin=70%要决定分离器尺寸3.4.2 解题3.4.2.1 气体流速(uG)由式（3.2.11）得：uG=KG()0.5=0.107()0.5=1.3m/s3.4.2.2 尺寸1） 丝网直径(DG)由式(3.2.21)得：2） 容器直径（D）至少要比丝网直径大100mm（考虑安装固定，如支承环约为50/70×10mm），取容器直径为500mm。3） 高度(HL)由式（3.2.22）得：4） 接管两相进口由式(3.2.23)得G·1500Pa再由式(3.2.24)得：气相出口气体

26、出口流速=两相进口流速选用DP=0.15m 液体出口选用管径DN40，则流速为： 3.5 附图3.5.1 附图3.5.1.1 由（WL/WG）（G/L）0.5查得辅助系数（N），见图3.5.11所示。3.5.1.2 由G/L和L/H2 O（20）查得校正系数（m），见图3.5.12所示。 图3.5.11 (WL/WG)(G/L)0.5与系数(N)的关系图图3.5.1-2 G/L和L/H2 O(20)与校正系数(m)的关系图4 符号说明a气体空间高度，m；a'丝网比表面积，m2/m3；A可变液体面积，%；Aa气体部分横截面积； Ab最小液面面积；ATOT容器横截面积；Aa、Ab、ATOT在式(2.3.1)、式（2.3.21）中，单位为%；在 2.3.3规定中，计算举例单位为m2。C容器高度与直径之比；c安全系数；CW与流动状态有