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旋流板式气液分离器的放大规律解读

第3卷第5期过程工程学报Vol.3No.52003年10月TheChineseJournalofProcessEngineeringOct.2003

收稿日期:

2003–03–12,修回日期:

2003–05–06

基金项目:

中国石油化工股份有限公司科技开发资助项目（编号:

300023

作者简介:

魏伟胜（1962–,男,广东省五华县人,硕士,高级工程师,主要研究催化反应工程,E-mail:

weiws@.

旋流板式气液分离器的放大规律　

魏伟胜,　樊建华,　鲍晓军,石　冈　

[石油大学（北京中国石油天然气集团公司催化重点实验室,北京102200]

摘要:

对旋流板式气液分离器在3种规模、18种旋流板结构下进行了模型实验研究,考察了旋流板结构参数（径向角、仰角和叶片数量对分离效率和压降的影响,并建立了预测分离器压降的关联式,为旋流板结构参数的确定提供了依据.工业应用的标定结果表明分离器压降预测式是准确的,它可用于工业气液分离器的放大设计.关键词:

气液分离;旋流板;分离效率;压降

中图分类号:

TQ028.4文献标识码:

A文章编号:

1009–606X（200305–0390–06

1　　前　言　

旋流板式气液分离器是一种典型的基于离心分离原理的气液分离器[1,2].分离器的主体为一圆柱形筒体,上部和下部均有一段锥体,见图1.在筒体中部放置的锥形旋流板是除雾的关键部件,其结构如图2所示（详细结构可参考文献[3].旋流板由许多按一定仰角倾斜的叶片放置一圈,当气流穿过叶片间隙时就成为旋转气流,气流中夹带的液滴在惯性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外侧,汇集流到溢流槽内,从而达到气液分离的目的.叶片在竖直方向的倾斜程度用仰角α表示,在径向的排列方式用径向角β表示.叶片数量、仰角α和径向角β是旋流板的3个重要参数.

图1气液分离器结构示意图图2旋流板结构示意图

Fig.1MistswirlseparatorFig.2Thestructureoftheswirlvane

目前工业上广泛应用的各类旋流板式气液分离器的设计和生产技术大多为一些公司的专有或专利技术,有关其结构和设计放大方法的报道很少[4,5].为深入了解旋流板式气液分离器的分离机

Inlet

Swirlvane

ExittubeGasoutlet

Cylinder

Liquid

outlet

h

α

β

5期魏伟胜等:

旋流板式气液分离器的放大规律　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　391　

理,优化旋流板式气液分离器的结构和操作参数,本文以丙烯腈装置用的旋流板式气液分离器为对象,进行了较为系统的实验研究,以期为旋流板式分离器的开发和工业应用提供必要的基础.

2　　模型实验装置　

实验流程如图3所示.旋流板的叶片数量若无特别说明,则均为36片.实验介质为空气–稀盐水体系.雾滴由空气辅助双流体雾化喷嘴产生.液流:

盐水,用一小水泵增压注入,注入的盐水量先通过转子流量计进行初步的调节控制,然后再用台秤进行更准确的计量;气流:

雾化所需压缩空气,由V–3/10型空气压缩机产生,压缩空气量用LZB型转子流量计计量.实验所需的风量较大,在实验中空气压头不需要很大,因此实验采用罗茨风机供风即可,风量用QDF–6型数字式热线风速仪进行测量.进水和接水的两个水箱都用台秤监测水的进出量.

分离效率是单位时间内捕集的雾滴质量与进入分离器的雾滴质量之比.由于在造粒时肯定会有部分水以蒸汽形式存在,因此进入喷嘴的液体质量需去除蒸发量后才是雾滴的真实质量.在空气–盐水系统的实验中,可通过测量进出分离器的盐水浓度来准确测定液体的蒸发量.气流出口直接进大气,压力降由分离器气体入口处的压力计（或U型管测得.

实验中,雾滴浓度一般控制在19g/m3,雾滴平均粒径一般在30µm（它由进入双流道喷嘴的气体和液体流量来控制.

3　　实验结果与讨论　

3.1　分离器的最佳空速　

空速是指气体通过分离器最大柱体截面时的表观速度,它直接关系到设备的处理量.空速对分离效率和总压降有明显的影响,是评价分离器操作弹性的主要依据.图4为不同空速下的分离

图3实验装置流程示意图

Fig.3Schematicdiagramofexperimentalapparatus

Dual-flow　nozzle

Dual–flownozzle

392过程工程学报3卷

效率,表明对于结构一定的气液分离器有一最佳空速.

表1是筒径D=340mm规模下分离器的最佳空速,其中括号内的数是气流通过叶片之间的

理论平均速度.不难发现,对于一定筒径的分离器,当其它条件不变时,径向角或仰角增大,将造成叶片间的通气面积减小,气流的穿过速度增大,动能因子的增大使得流体的湍流脉动更加剧烈,因此径向角或仰角较大的旋流板对应的最佳气速较小,但通过叶片时的速度却增加.

在3种规模下所做的实验表明,随着筒径的增加,最佳空速稍有减少,但通过叶片之间的气

流速度却增加.因此选定空速在5~9m/s,通过叶片时的速度在20m/s左右时较为合适.

表1D=340　mm时设备各结构最佳空速

Table1OptimalsuperficialgasvelocityatD=340mm（m/s

Elevationα

Radialangleβ

20

o

30o40o40o45o

50o

9.0（10.7

9.5（14.49.0（15.68.5（17.5

7.5（16.7

Note:

Valuesinbracketsarecalculatedvelocitythroughvanes.

3.2　旋流板结构　　

旋流板是气液分离器的核心部件,它决定了分离器的分离效率和压降.（1旋流板仰角对分离效率和压降的影响

表2是φ700mm设备在径向角为55o时,平均分离效率和压降随仰角变化的关系.由表可见,随着仰角的增大,平均分离效率明显提高,但同时设备压降急剧增大.综合考虑仰角在30o为宜.

表2　平均分离效率和压降随仰角的变化　

Table2Effectofelevationonseparationefficiencyandpressuredrop（U=6.36m/s

Elevationα

20o30o40oSeparationefficiency（%93.996.098.1Pressuredrop（Pa

760

990

1580

（2旋流板径向角对分离效率和压降的影响

表3是φ700mm设备在仰角为30o时,平均分离效率和压降随径向角变化的关系.由表可见,随着径向角的增大,平均分离效率明显提高.考虑到分离器的允许压降,规模较小的分离器径向角应小一些,规模较大的气液分离器应大一些.因此旋流板径向角可选范围为50o~60o.

表3　平均分离效率和压降随径向角的变化　

Table3Effectofradialangleonseparationefficiencyandpressuredrop（U=6.36m/s

Radialangleβ

50o55o60oSeparationefficiency（%94.696.099.0Pressuredrop（Pa

810

990

1700

4

5

67891011121314

η（%

U（m/s

图4气速–效率关系图

Fig.4Influenceofsuperficialgasvelocityon

separationefficiency

5期魏伟胜等:

旋流板式气液分离器的放大规律　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　393　

（3旋流板叶片数对分离效率和压降的影响

表4是φ700mm设备在仰角、径向角和空速固定时,平均分离效率和压降随叶片数变化的关系.由表可见,随着叶片数的增大,平均分离效率和压降明显提高.

表4　平均分离效率和压降随叶片数的变化　

Table4Effectofvanenumberonseparationefficiencyandpressuredrop（U=6.36m/s

Vanenumber

364045Separationefficiency（%89.396.898.8Pressuredrop（Pa

380

560

680

3.3　高径比　

气液分离器柱体直径一定时,高径比就反映了分离器的高度.在轴向方向上,最重要的参数是出气筒与旋流板的距离h（见图1.在D=340mm规模的分离器上考察了出气筒与旋流板之间距

离对分离效率的影响,实验结果如图5所示.雾

滴受旋转气流的夹带,在离心力的作用下被甩向器壁,其运动可分解为向下的轴向运动和向外的径向运动.由临界粒径关联式知,只要雾滴在分

离器内的停留时间大于移动到壁面所需时间,该

雾滴就可以被捕集,因此在其它条件不变的情况

下,分离效率将随出气筒高度降低而升高,但事

实上并非如此,出气筒高度过低时,二次夹带的

负面作用将占主要地位,造成分离效率的下降,

因此出气筒高度应有一最佳值.从图5可见,在108~248mm（32%~73%D范围内,分离效率较高.4　　分离器压降的预测　

从上述实验可知分离器叶片的仰角和径向角越大或者叶片越多都有利于提高分离效率,但压降也随之增加.由于工业上对分离器压降有一限制,一般要求小于2kPa,因此旋流板的选用原则应该是在保证分离器压降小于2kPa的条件下,使分离器具有较高的分离效率.

气液分离器的压降可表达为3部分之和:

入口、出口的局部阻力损失（∆Pi和∆Pe和分离器内的阻力损失（∆Pplate.前两者主要是克服进气和排气的各种损失,对分离过程基本上不起任何积极作用,应尽量克服;后者主要是造成气体的旋转,给离心力提供能量,对分离过程起积极作用.实验表明,旋流板的结构变化对压降的影响最大.图6是D=340mm气液分离器在5种旋流板结构下,压降随空速变化的关系.另一方面,气液分离器的流场特性与旋风分离器类似,参考前人对旋风分离器压降建立的关联式,因此分离器的总压降可表示为

（2ieplateieplate

1

（1.2

PPPPuζζζρε∆=∆+∆+∆=+++（1实验所用分离器进口和出口截面固定,所以ζi和ζe可视为定值.由于进口是一锥形渐扩体,阻力损失可忽略不计,ζi近似为0.出气筒直径De与分离器筒径D符合以下关系:

2

2e14.DD=（2

501001502002503009495

96

9798

99η（%

h（mm

图5分离效率随出气筒与旋流板间距离的变化

Fig.5Changeofseparationefficiencywiththedistancebetweentheswirlvaneandtheexittube

394过程工程学报3卷

突然缩小的局部阻力系数为0.375（以小管径气速为准[6],若以大管气速计则ζe为6.0.数值计算表明出口阻力系数取6.0是合适的.

当改变旋流板的径向角、仰角和叶片数量时,叶片通气面积将相应发生显著变化.从图6可知,径向角和仰角越大,叶片的总流通面积越小,设备的总压降越大;相反叶片的总流通面积越大,设备的总压降将越小.引入一个板结构参数B,它等于分离器柱体截面积与叶片的总流通面积之比,因此阻力系数ζplate与B成正比例关系.再引入一个与分离器规模有关的准数Ar=D3ρ2g/µ2,假定:

plate（,,fBArζ=（3用3种规模条件下的实测压降,通过优化,得到旋流板阻力系数:

1.0370.052plate2

248.136.0,（1P

BAruζρε−∆==

−+（4

阻力系数计算值与实验的一致性如图7所示.从式（4就可得到分离器压降的预测模型:

（

1.0370.05221

6.048.13（1.2

PBAruρε−∆=++（5我们开发的气液分离器在齐鲁丙烯腈厂和安庆石化分公司得到工业应用,工业应用标定结果及由式（5计算的结果如表5所示.对比结果表明用式（5预算的压降与实际一致,预测压降关联式可用于放大设计.

表5　分离器压降的工业标定结果与计算结果的对比　

Table5ComparisonbetweentestedpressuredropandpredictionbyEq.（5

Factory

D（mmTemp.（oCMassflowrate（kg/hTest∆P（PaPrediction∆P（Paη（%QiluAcrylonitrilefactoryAnqingbranch

15201900

8682

4654394931

11002032

10312023

>96>95

Note:

P=20kPa,ε=0.0155.

5　　结　论　

通过对旋流板式气液分离器的模拟实验研究,得到了如下的结论:

（1气液分离器有一最佳的操作范围,最佳空速宜选取在5~9m/s.

1000

20003000400050006000

∆P（Pa

U（m/s

0.40.6

0.8

1.0

1.2

10

20304050

60

70

ζplate

B

1.037

Ar

-0.052

图6D=340mm分离器压降随空速的变化Fig.6Changeofpressuredropwithsuperficialgas

velocityatD=340mm

图7不同结构下的旋流板阻力系数

Fig.7Dragcoefficientatdifferentswirlvanes

5期魏伟胜等：

旋流板式气液分离器的放大规律　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　395　（2旋流板与出气口之间的距离宜选取在32%~73%D.（3分离器叶片的仰角和径向角越大或叶片越多都有利于提高分离效率，但压降也随之增加.（4压降预测模型：

∆P=（6.0+48.13B1.037Ar−0.0521ρ（1+εu2的压降预测结果与工业应用标定2结果一致，它可用于气液分离器的放大设计.符号表：

ArBghKuα准数,Ar=D3ρ2g/µ2分离器柱体截面积与叶片的总流通面积之比重力加速度（m/s2旋流板与出气口之间的距离（m系数分离器的操作空速（m/s仰角（oβεηµρζ径向角（o气流中液气质量比分离效率（%气体粘度（Pa.s气体密度（kg/m3阻力系数参考文献：

[1][2][3][4][5][6]浙江大学化工原理组.旋流板除雾器[J].化学工程,1972,1（4:

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化学工业出版社,1996.19–32.Scale-upofMistSwirlSeparatorsWEIWei-sheng,FANJian-hua,BAOXiao-jun,SHIGang（TheKeyLaboratoryofCatalysis,ChinaNationalPetroleumCo.,UniversityofPetroleum,Beijing102200,ChinaAbstract:

Experimentswereconductedinthreeswirlmistseparators,withtheinternaldiametersbeing340,480,and700mm,respectively.Theseparatorswereequippedwith18setsofswirlvanes.Theeffectsofsuperficialgasvelocityandgeometricalparameters,suchastheelevationandtheradialangleoftheswirlvane,vanenumber,theratioofseparatorbodyheighttodiameteronmistseparationefficiencyandpressuredropwtested.Resultsereshowedthattheseparationefficiencyandpressuredropincreasedaselevation,radialangleandvanenumberwereincreased.Anoptimalsuperficialgasvelocityexistsintherangefrom5to9m/sanditdecreasesslightlywithscale-up.Theoptimaldistancebetweentheswirlvaneandinnerexitingtubeis32%~73%oftheseparatordiameter.Themistseparatorshouldbedesignedtomaketheseparationefficiencyashighaspossible,withthepressuredroplessthan2kPa.Thestructureoftheswirlvaneisoneofthemostimportantparametersbywhichpressuredropisdetermined.Apressuredropcorrelationwasestablishedbasedonexperimentaldataandtheoreticanalysis.Ascale-upprocedurewassuggestedforthedesignofindustrialmistseparators.Pressuredropsmeasuredfromtwoindustrialscaleseparators（φ1.52mandφ1.90mwerefoundingoodagreementwiththepredictedvalues,andtheseparationefficiencyofgreaterthan95%wasachieved.Keywords:

mistseparator;swirlvane;separationefficiency;pressuredrop