气-液分离器设计[1]

标准

T/ES220020-2005

中国石化集团宁波工程有限公司

气—液分离器设计

2005-04-15 发布 2005-05-01 实施

中国石化宁波工程有限公

司

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 符号说明

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200μm 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6～9min ，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

5

.0ρρρ=G

G L s

t K V (2.2.1—1)

式中

V t ——浮动（沉降）流速，m/s ；

ρL 、ρG ——液体密度和气体密度，kg/m 3； K S ——系数

d *

=200μm 时，K S =0.0512； d *=350μm 时，K S =0.0675。

阻力系数C W =1，此系数包含在K s 系数内，Ks 按式(2.2.1—1)选取。由式(2.2.1—1)计算出浮动（沉降）流速（V t ），再设定一个气体流速（u e ），即作为分离器内的气速，但u e 值应小于V t 。

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：

5

.0G W G L t 3)(*4??

?

???-=ρρρC gd V (2.2.1—2)

式中

V t ——浮动（沉降）流速，m/s ； d *

——液滴直径，m ；

ρL 、ρG ——液体密度和气体密度，kg/m 3

； g ——重力加速度，9.81m/s 2

; C w ——阻力系数。

首先由假设的Re 数，从图2.5.1—1查C W ，然后由所要求的浮动液滴直径（d *

）以及ρL 、ρG 按式（2.2.1—2）来算出't V ，再由此't V 计算Re 。

G

'*μρG

t e V d R = (2.2.1—3)

式中

μG ——气体粘度，Pa ·S 。 其余符号意义同前。

由计算求得Re 数，查图2.5.1—1，查得新C W ，代入式(2.2.1—2)，反复计算，直到前后两次迭代的Re 数相等，即t 't V V =为止。

取u e ≤V t ,即容器中的气体流速必须小于悬浮液滴的浮动（沉降）流速（V t ）。 2.2.2 尺寸设计

尺寸图见图2.2.2所示。 2.2.2.1 直径

5

.0e Gmax 0188.0???

? ??=u V D (2.2.2—1) 式中

V Gmax ——气体最大体积流量，m 3

/h ； u e ——容器中气体流速，m/s 。 由图2.5.1—2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(2.2.2—2)计算 2

L L

1.47D t V H

(2.2.2—2)

式中

H L ——液体高度，m ； t ——停留时间，min ； D ——容器直径，m ； V L ——液体体积流量，m 3

/h 。

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 接管直径

气、液

1) 入口接管

两相入口接管的直径应符合式(2.2.2—3)要求。

ρG P u 2

<1000Pa (2.2.2—3) 式中

u p ——接管内流速，m/s ； рG ——气体密度，kg/m 3

。 由此导出

D P >3.34×10-3(V G ＋V L )0.5

ρG 025. (2.2.2—4)

式中

V G 、V L ——分别为气体与液体体积流量，m3/h ； D P ——接管直径，m 。

由图2.5.1—3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及停留时间。按式(2.3.1)求出“试算直径”D T ，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 3

1

L T 12.2??

? ???=A C t V D (2.3.1) 式中

C =L T /

D T =2～4（推荐值是2.5）；

D T 、L T ——分别为圆柱部分的直径和长度，m ； V L ——液体的体积流量，m 3

/h ； t ——停留时间，min ；

A =A TOT －（A a +A b ），均以百分率计 其中 A TOT ——总横截面积，%；

A a ——气体部分横截面积，%；

A b ——液位最低时液体占的横截面积，%。

图2.3.1 卧式重力分离器

通常开始计算时取A =80%，并假设气体空间面积A a 为14%，最小液体面积A b 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D T 和A a =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a ＜300mm ，需用A ＜80%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L N ≈L T 及L T =C ·D T 。 式中

L N ——两相流进口到气体出口间的距离，m; L T ——圆筒形部分的长度，m 。

根据气体空间(A a )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('N L )。

R

A D V a L a 5

.0G

G L '2T G

'N )(524.0ρρρ-?=

(2.3.2—1)

式中

'L 、'

D 、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 ；

气、液

气

L T

液

V G ——气体流量，m 3

/h ；

ρL 、ρG ——分别为液体密度、气体密度，kg/m 3

； A a ——气体部分横截面积，%； R 对于d *

=350μm ，使用R =0.167 对于d *=200μm ，使用R =0.127 R =τs /τT

其中 τs ——直径为d *的液滴，通过气体空间高度(a )所需要的时间，s ；

τT ——气体停留时间，s 。

两相流进口到气体出口间的距离(L N )不应小于'N L 。 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：V L =120m 3

/h ，t =6min ，D T =2000mm ，L T =5000mm ，最低液位高度h LL =150mm 。 最低液位（LL ）、低液位报警（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(h LL )为150mm 。 容器横截面积（A TOT ）:

2

2

2

14.34

24

m D A T TOT =?=

=

ππ

相当于液体在容器中停留时间为1min 所占的横截面积为： A 1=120×1/（60×5）=0.4m 2

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：

h LL /D T =150/2000=0.075，由图2.5.1—5查得)(034.0LL TOT

b h h A A 即是图中=。

2TO T b 107.014.3034.0034.0m A A =?=?=

得 289.014

.34.02107.02TOT

1b TOT

LA =?+=+=A A A A A

查图2.5.1—5得333.0T

LA =D h ，从最低液位经2min 后得到液面高度为

)(6662000333.0333.0h h mm D h LA T LA 即是图中=?=?=

得 416.014

.34.03107.03TOT

1b TOT

NL =?+=+=A A A A A

查图2.5.1—5得T

NL

D h =0.434，过1min 后，液面高度为h NL =0.434×2000=868mm （h NL 即是图中h ） 得

544.014

.34

.04107.04TOT 1b TOT HA =?+=+=A A A A A 查图2.5.1—5得T

HA

D h =0.535，再过1min 液面高度为h HA =0.535×D T =0.535×2000=1070mm （h HA 即是图中h ）

得798.014

.34.06107.06TOT

1b TOT

HL =?+=+=A A A A A

查图2.5.1—5得746.0T

HL =D h ，再过2min 液面高度为h HL =0.746×D T =0.746×2000=1492mm

（h HL 即是图中h ）。

2.4 立式分离器（重力式）计算举例 2.4.1 数据

V L =8.3m 3/h ρL =762kg/m 3

T =318K P =0.324MPa V max =135%

V G =521.7m 3

/h ρG =4.9kg/m 3

μG =14.6×10-6Pa ·s d *

=350×10-6m

V min =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（V t ）

由式(2.2.1—2)计算

5

.0G W G L t 3)(*4??

????-=ρρρC gd V

= [4×350×10-6×(762-4.9)/( 3×1×4.9)]0.5

=0.841 m/s 由式(2.2.1—3)计算

8.98106.149

.410350841.06

6*=????=

=

--G

G

t e d V R μρ

由图2.5.1—1查得C W =1.25，由式(2.2.1—2)计算，得V t =0.75，再由式(2.2.1—3)计算，得Re=88.4，由图 2.5.1—1查得

C W =1.25，试算结束，取u e =Vt, V t =0.75m/s 。 2.4.2.2 尺寸

直径5.0t

G.max min )(0188.0V V D =

=?00188521713507505

.(

...)

.

=0.576m 取D =0.6m

m D t V H L L 96.3)6.0(1.47635.13.81.472

2=???==

高度

选用D=1m （由于上述计算L/D 不合适）

m

H L 43.111.476

35.13.82=???=

每分钟停留时间相当于高度为：H=1430/6=238mm 2.5 附图 2.5.1 附图

2.5.1.1 雷诺数Re 与阻力系数C W 的关系，见图2.5.1—1所示。 2.5.1.2 快速确定D 与u 的关系，见图2.5.1—2所示。 2.5.1.3 接管直径的确定，见图2.5.1—3所示。

2.5.1.4 容器横截面积的求法(一)，见图2.5.1—4所示。 2.5.1.5 容器横截面积的求法(二)，见图2.5.1—5所示。

图2.5.1－1 Re数与阻力系数(C w)关系图

图2.5.1－2 容器和丝网直径的确定

图2.5.1－3 接管直径的确定

D T m

Aa

%

a

m

图2.5.1－4 容器横截面积的求法(一)

图2.5.1－5 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。

3.1.2 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0.22mm ～0.28mm ，丝网的厚度约为100mm ～150mm 。

3.2 立式丝网分离器的尺寸设计 3.2.1 气体流速(u G )的确定

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。

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(K G )的计算方法

5

.0G G L G G ???

?

?

?-=ρ

ρρK u (3.2.1—1) 式中

u G ——与丝网自由横截面积相关的气体流速，m/s ； ρL 、ρG ——分别为液体和气体的密度，kg/m 3

; K G ——常数，通常K G =0.107。

如果气流中有较大的液体量被分离，则建议采用K G =0.075。在高粘度液体、高压或高真空工艺中，K G 可采用0.06。 最大速度

最大速度的

最大速度

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(u G )

0u m c u G ??= (3.2.1—2)

其中 5

.0G 2.0L 'L

3

096.9????

?

????=ρμρεa g N u (3.2.1—3)

式中

c ——安全系数，取0.7～0.9； m ——校正系数，由

L G

ρρ和)

20(O H L 2

C

σσ由图3.5.1—2查得； σL ——工作温度下液体表面张力，N/m ，烃类的σL 可按式(3.2.1—4)计算：

()??

?

????

?-+=L

4G L L L 9.3)(6064.2M M ρρσ (3.2.1—4) u 0——临界流速，m/s ； μL ——液体粘度，Pa ·s ； ε——丝网空隙率；

a ＇——丝网比表面积，m 2

/m 3

； 丝网参数见表3.2.1。

g ——重力加速度，9.81m/s 2

； σ

H2O(20℃)

——20℃水的表面张力，72.8×10-3

N/m ；

ρL 、ρG ——分别为液体和气体的密度，kg/m 3

；

M L ——液体分子量；

N ——系数，由

5

.0L

G

G L ???

?

???=ρρW W M 由图3.5.1—1查得（当M ＜0.00001时，取N =0.7 进行计算）；

ΔW L ——进出丝网的液体流量之差，kg/h ； W G ——气体质量流量，kg/h 。

表3.2.1 国内丝网分离器参数表

—————1406—81)。

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(u G )，并计算Re 数。

G

G *

G μρd u R e = (3.2.1—5)

式中

μG ——气体粘度，Pa ·s ； ρG ——气体密度，kg/m 3

。 其余符号意义同前。

2） 由Re 数查图2.5.1—1，得阻力系数（C w ）； 3） 由C W 校核u G

G

W G L G 3)(*4ρC g d u ρρ-= (3.2.1—6)

若与假定值不符，则改变u G 值，直到u G 值与假定值相近。 其余符号意义同前。

4） 由d *

、u G 值计算单位气体量带到丝网上的液体夹带量(E)

[]

)

21603.0(5

.2G L 5.2*)37.39(2

1603.0)34.52.4(06243.0++-?=?=

G u G G L d u u p e W W E χρ (3.2.1—7)

及5.0L

G )(ρρE M = (3.2.1—8)

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3.5.1—1得N 。M 、N 为辅助系数； 6） 按

L G ρρ及

)

C O(20

H L

2

σσ查图3.5.1—2得系数m 值；

7） 由式(3.2.1—3)得u 0。

若u 0值小于u G ，且差值不大，则可以用u G 进行3.2.2的尺寸设计，否则应选用其它参数(a ＇、ε)的丝网。

若未测定液滴直径(d *)，则可用式(3.2.1—1)先定u G 值，然后再假定d *

，求Re 及C W ，由式(3.2.1—5)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3.2.1.3中 4)～7)计算。 3.2.2 尺寸设计 3.2.2.1 丝网直径

由式(3.2.1—1)求得的u G ，按式(3.2.2—1)求D G ：

5

.0G

G

G 0188.0???

? ??=u

V D (3.2.2—1)

式中

u G ——丝网自由截面积上的气体流速，m/s ； D G ——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2.5.1—2可以快速求出丝网直径(D G )。 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(3.2.2—2)计算：

2L L 1.47D

t V H = (3.2.2—2)

式中

D ——容器直径，m ； V L ——液体流量，m 3

/h ； t ——停留时间，min ；

H L ——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：

LL —4—LA —2—NL —2—HA —2—HL

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(3.2.2—3)要求：

15002GL G

式中

u GL ——接管内两相流速，m/s ； ρG ——气相密度，kg/m 3

; 由此导出

25

.0G 5.0G L 3P )(1002.3ρ?+??>-V V D (3.2.2—4)

式中

D P ——接管直径，m ； V L ——液体体积流量，m 3

/h ； V G ——气体体积流量，m 3/h ； 其余符号意义同前。

由图2.5.1—3可以快速求出接管直径(D P )。