天然氣凈化用旋風(fēng)分離器氣液分離性能

譚蛟龍 秦婧 郭鈺 范成臣 馬明青

(重慶市墊江縣澄溪鎮(zhèn)石橋壩天然氣凈化總廠引進(jìn)分廠 重慶 墊江401236)

一、前言

目前，國內(nèi)外對(duì)分離器的性能研究還主要是集中在固氣成分的分離上，但是對(duì)氣液的分離性能研究比較少。本文從天然氣輸管內(nèi)的氣液特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)旋風(fēng)分離器的氣液分離性能和影響分離的因素進(jìn)行了介紹。

二、旋風(fēng)分離器的基本工作原理

根據(jù)旋風(fēng)分離器的基本結(jié)構(gòu)，氣流通過入口流入旋風(fēng)分離器，并在分離器內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)。氣流能夠在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過程中沿分離器外側(cè)向下運(yùn)動(dòng)，而含塵氣體內(nèi)的顆粒也會(huì)隨著氣流向下螺旋運(yùn)動(dòng)，氣體中的顆粒會(huì)受到重力、阻力、浮力和離心力的作用。因此顆粒的密度較氣體密度更大，所以可以不考慮顆粒的浮力，另外，顆粒都比較小，因此重力的作用也可以不用考慮。這樣，顆粒就只受到氣體阻力和離心力的影響，從而被甩到器壁上，并隨著器壁向下的氣流到達(dá)排塵口，最終落入灰斗。

三、旋風(fēng)分離器的性能指標(biāo)及其影響因素

旋風(fēng)分離器的性能指標(biāo)主要包括兩個(gè)：分離效率與壓降。

1.分離效率的影響

在氣液分離的過程中，需要對(duì)三部分的顆粒進(jìn)行考慮，即進(jìn)入、捕集和逃逸。我們可以用符號(hào)Mf、Mc和Me分別表示顆粒的質(zhì)量。分離器在運(yùn)行過程中的顆粒質(zhì)量關(guān)系可以表示為：

這樣就可以得到總的分離效率η：

因此，通過取樣和稱重這兩類顆粒，就能夠得到總的分離效率。

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，總分離效率是一個(gè)常用的技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)然，對(duì)于表征一個(gè)具體的分離器分離性能來說，該指標(biāo)還不夠全面，因?yàn)樾枰紤]分離器本身的參數(shù)設(shè)置和顆粒的物理屬性兩方面的因素。

2.壓降的影響

一般情況下，分離器壓降可以分為進(jìn)口損失、升氣管內(nèi)損失和分離空間損失三類。如果分離器具有切向進(jìn)口，那么進(jìn)口的損失都比較小，這里不再考慮。而對(duì)于有導(dǎo)流葉的分離器，則該方面數(shù)據(jù)較少，在導(dǎo)流葉片符合空氣動(dòng)力學(xué)基本條件的情況下，進(jìn)口的損失也很小。分離器的分離空間能量損失較大，這主要是由于分離空間對(duì)旋流強(qiáng)度的限制造成的，壁面摩擦的損失越大，氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也就越弱。但是，這部分的壁面損失也不占有主導(dǎo)的作用。

對(duì)于直流式與逆流式分離器來說，在升氣管中能量的損失是最大的，甚至比其他兩種損失要高一個(gè)量級(jí)。但是對(duì)于含塵量為初級(jí)濃度的分離器而言，壁面摩擦力造成的能量損失會(huì)占據(jù)總壓力降的主要部分，相對(duì)而言，聲氣管與渦核中的損失壓力所占比例就相對(duì)較低。

一個(gè)完整的分離器壓降Δp，與體積流量平方成正比，這和帶有湍流流動(dòng)性能的設(shè)備情況相同。通常情況下，將壓降表示成無量綱數(shù)的形式來對(duì)分離器的性能進(jìn)行描述：

其中，υz表示分離器的筒體平均軸向速度、以及體積流量比上分離器筒體的橫截面積。

3.影響分離器基本性能的主要因素

(1)筒體的直徑D

一般情況下，相同條件下的分離器筒體直徑越小，則氣流旋轉(zhuǎn)的半徑越小，顆粒受到的離心力也越大，從而使得顆粒分離的效率越高。如果筒體的直徑過小，不僅會(huì)使器壁與升氣管的距離太近，降低分離的效率，還會(huì)引起分離器的堵塞，因此，一般要求旋風(fēng)分離器筒體的直徑不小于50-70cm。

(2)高度H

較大的長(zhǎng)度比例會(huì)使得分離器獲得比較好的分離效率，這主要是由于筒體內(nèi)顆粒停留時(shí)間較長(zhǎng)，顆粒有多機(jī)會(huì)分離出來。另外，較長(zhǎng)的分離器還能夠減少氣流對(duì)灰斗造成的磨損破壞。但是，從另一個(gè)方面考慮，分離器越長(zhǎng)，占據(jù)的空間也就越大。所以，我們提出了分離器的自然旋風(fēng)長(zhǎng)度L，即自升氣管的下端開始，到分離器的漩渦尾端終止的距離：

其中，de表示升氣管的直徑，在對(duì)H進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分保證分離器的自然旋風(fēng)擁有足夠的長(zhǎng)度，同時(shí)也要考慮經(jīng)濟(jì)性的問題，因此，一般取筒體段的高度為(1.5-2.0) D。

(3)進(jìn)口結(jié)構(gòu)

分離器的進(jìn)口主要包括軸向和切向兩種進(jìn)口方式。其中，軸向進(jìn)口分離器能夠在很大程度上防止進(jìn)口氣流與分離空間氣流的互相干擾，對(duì)提高分離的效率十分有利。但是，這種進(jìn)口會(huì)使氣流均勻分布在進(jìn)口截面上，因此，導(dǎo)致靠近分離器中心的分離效果比較差。而使用切向進(jìn)口的分離器，能夠明顯減少進(jìn)口氣流對(duì)旋轉(zhuǎn)氣流的撞擊和干擾，從而顯著提高分離效率。

(4)運(yùn)行條件

影響分離器性能的運(yùn)行條件包括進(jìn)口氣流速度、氣體含塵濃度等。對(duì)于進(jìn)口氣流的速度，要求在對(duì)分離器進(jìn)口截面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要將進(jìn)口氣流的速度設(shè)定為一個(gè)固定值，這樣才能保證較少的能量消耗和較高的分離效率；而對(duì)于氣體的含塵濃度，旋風(fēng)分離器的分離效率會(huì)隨著粉塵濃度的上升而提高，但是，這時(shí)從升氣管中排出的粉塵也會(huì)增加。

結(jié)論

綜上所述，旋風(fēng)分離器主要包括壓降和總分離效率兩個(gè)性能指標(biāo)，而對(duì)于單個(gè)旋風(fēng)分離器來說，也可使用分級(jí)效率來對(duì)旋風(fēng)分離器的性能進(jìn)行評(píng)判，其分級(jí)的效率只和分離器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。另外，旋風(fēng)分離器的總分離效率還受到運(yùn)行條件、粉塵物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。因此，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)性能指標(biāo)和性能影響因素的研究，對(duì)提高天然氣的凈化效果具有重要的意義。

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