气液分离器的设计和选择

1、:化工单元设备气液分离器的设计和选择天津市化工设计院辛宝丰一、基本概念在医药和化工生产中，许多重要的单元 操作如蒸憎、吸收、蒸发等，都涉及气液相的 接触和分离问题c 一般说来，气液（雾沫）分 离器在整个工艺流程上，不属关键设备。但 如处理不当时，也会给生产带来一足的不良 后果o在工艺流程上，设置分离器一般具有下 面4个作用：即净化排液尾气；控制环境污 染；有用物质的回收；分离腐蚀性物料，保护 配套设备以及提高产品纯度。1.液滴、雾沫的形成及分离机理通常用液粒宜径的大小来区分雾、沫和 液滴，当液粒直径 10“ZD时，称为“雾”, lOmlOOO/m 范围内，称为“沫”，1000 Um时,则形成液

2、滴。图1表示名称定义、粒 径范围和适用设备之间的关系，0艮0.0001 mm）0.001 0 01 0.1110100 1000 19000液沫一般是由液体喷入气流后破裂，或 是气流波在液膜上破裂而形成，而雾是由可 冷凝蒸汽,冲击冷却形成，液滴则是气体夹带 产生的。图2分别是水冷却塔经冲击式水分 布器和盐溶液蒸发器气泡破裂而形成的液粒 直径分布曲线图3为澈料挤压成型操作中-来自1Mt-丿/上/r /Jl/来阴淤液蒸发1带7Uo13%Wl%的案枳数0.01 0.1 12 6 10 206080 920 10 5 2 1 0 22(X1OC6(luxee2(大分子夫弭一p雨T湎第5大篦 r 细茵I

3、纤维除易器停电除尘器|廈力讥澤？t一离心分篙亠| 細卅 I击卩离器-图2不同来源的液沫粒泾分布曲线0.01 0.11 2 610 205080 9095 9999.o o Edta级图1各种粒径范围使用的不同型式分离设备图3来自不同过程的液雾粒径分布丄一接越法制確酸的酸雾220%发烟疏酸法的酸雾塑料挤压成型增塑剂油籌 1994-2010 China Academic Journal Ekclroaic Publishing Elouse. All rights reserved, http:Z?wwwxnki.nel 1994-2010 China Academic Journal Ekclr

4、oaic Publishing Elouse. All rights reserved, http:Z?wwwxnki.nel医药工程设计丄986年笫8期 1994-2010 China Academic Journal Ekclroaic Publishing Elouse. All rights reserved, http:Z?wwwxnki.nel增塑剂蒸汽经冲击冷却生成的油雾和接触法 制硫酸和发烟硫酸吸收塔酸雾的粒径分布曲 线。雾沫分离器根据不同生产要求，可有多 种型式，但其分离机理基本相同，一般有三种 作用力:惯性冲击、布朗扩散和直接捕集。其 示意图可参见（图4儿分别依靠雾沫本身产

5、 生的动量、布朗运动力，以及直接接触达到和 气流分离的目的。图4液粒被纤维捕集的三种不同机理液滴的捕集分离效率和无因次分离数群 呈函数关系：惯性冲击申。塔黯布朗扩散”牆；（2）直接捕集W饰上述各无因次分离数群所涉及的分离效 率，系指部分分离效率帀而言（即一定粒径 范围内的分离效率）。由下式确定总分离效 率：廿（4）Jo w一定粒径范围的重量分数，式（4）经积分后，才有实际使用价值。选 择除雾沫器时，除注意分离效率外，还要考虑 气速和压降这两个参数。对分离液滴的设备，通常称为气液分离 器,一种是借本身重力达到沉降分离的目的， 当液滴重力和汽相拖曳力平衡时，液粒以恒 速S下降。另一种是依靠小液粒在

6、冲击表 面上聚集成大液粒，当其嚏力克服了气相动 量和表面张力的结合力后而沉降。两者分离 机理不同，但均服从同一分离速度方程式：（6）K为速度常数值，对冲击式分离器的丝 网表面为：0.09m/s0.14m/s。对重力沉 降器为：0.045m/s0.076in/s。2.常用气液（雾沫）分离器的主要型式目前，国外常用分离器的型式为：气液分离器立式觅力沉降器 卧式重力沉降器 冲击式沉降分离器雾沫分离器折板除沫器（格板式，叶片式） 丝刚除沫器 纤维层除雾器下面将分别就各种型式分离器的结构特 点，适用范围，设计计算方法和选用依据作一 详细介绍,供设计时参考使用。二、气液分离器的设计1.立式靈力沉降器的设计

7、当气流在沉降器中向上流动，液粒的重 力和流体的拖曳力达到平衡时,液粒以Ut值 恒速沉降：当0.01VN眄VI时Uh （-宀）/18冷（6；i）当 1时0 153 严铲（p. 一 他）0.714 /.2形严9（6b）生产实际上，在这两个流速范围区内粒 径一般为8am或稍大些。拖曳系数用（7）、 （8）式计算：当 0.01VN&/C 1 时皿-24/g（7a）当 liVUv时，重力沉降器的汽相流通 面积可用下式求岀：AVQV/UV(8)通常，Uv/Ut在0.750.9左右。所以 立式沉降器的设计，用(6)、(8)两式即可完 成虽然用式(5)较为简单,但因取K值为定 数，故偏差较大。如用式(5)设计

8、时，必须用 下列各式精确地计算出相应的K值：当 Nl(t9dpJJ：/4=Dgp/G(10)Ua是冲击而上的汽相速度Ua = Qv/Aa(11)空间速度和液膜占有表面分数e有关。 无液膜表面积是：儿(1一8),所以Ua = Ua/8(12)对冲击式分离器，AtAVf对重力沉降 器AtAVf (10)、(11)、(12)三式结令为：丿氏口+ (l + 6s昵皿畀订(13)J “3p4p、g如池=0.0125kg/m*, Ua-O.Om/s, p9 q 2.81 kg/m36=0.003畑妙时，按上式计算出分离 时的粒径为5,000/xm,实际上因受润湿周 边(表面张力小)和液滴变形(受气相动皇影

9、 响)的影响，比计算粒径要小些。如果在分离 时，润湿周边为洛的5%时，液粒直径砂 至1400um左右，一般悄况下，假定Dd9值在 500 -2000m之间是合理的。由于冲击分离器的聚集作用，液粒直径 要比沉降式分离器相应大些故计算K值时 要注意用Dm值。Utd和值分别用(6)、 (9)式计算出，U,值可由下式计算：6 =叽=皿 - pv)/Pvl1/a (14) 对设计有用的6：口。(0.90.75)久 (15) 因为D何值不易确定，式(6)的实际意义 不大，不便直接用于设计，丝网生产厂常椎 荐Kd值为0.107m/s(0.35ft/s),此时相应 Dja1000 Rm, Mu0.03 OP,

10、 pv (pp pv)0.05t/mso其他关系值详见(图6), K.值和操作条件变化之间的关系详见(图 7)0和Qm值样，玄值和物理性质因素以J994-20IQ China Acadvmic JoumaJ Elcctroak Publishing House. All rights reserved, hllp?J994-20IQ China Acadvmic JoumaJ Elcctroak Publishing House. All rights reserved, hllp?医奸工程设计1986年第3期J994-20IQ China Acadvmic JoumaJ Elcctroak

11、Publishing House. All rights reserved, hllp?pdq 0心某20 30 40 60 Pp 图6 Kd=0107 m/s时,的确定 图(214 = 0.35 ft/s)軼wtfc0.40 30pm一上-Qp Pv-lb/ft-24flu) 20 0 601.00.80.6WPp-p “国7粘度为0.03cp时的尺。值关系国及丝网层的几何特性S有关，密实而厚的丝网层可产生较大的液粒，则相应可使分离器 的直径变小，但受丝网和液面间的界面张力 所限，界面张力又是一个咬难确定的物理参 数。对真空或低压操作的分离器，其值 为 0.045m/s0.076m/s,随压

12、力增加， 截小。为减少这个影响可选用较密、较厚的 丝网层结构。绘适宜的口。值，制造厂推荐 :0.8l7d7v1.2（7d（/b 于此值，如在 10% I7d或更小些时），较小的液粒不能聚集而沉 降，随气相而带出，反之会产生液泛现象。通 常，设计空速不宜超过Dd值的1.5倍。 设计时也要考虑丝网层上部和罐顶之间的距 离弘（分离高度），S值大,相应乙值也要 高些。和弘的对应关系详见（表1）。3.卧式重力沉降器的设计卧式分离器设计时，要计算确定的尺寸 是进出口的水平间距兀“和空间高度（D+ I”）。其结构示意见图8。液滴冲出流体，其 总动量平衡式：M 建 DUJD叭=X-Fd（16）上述可采用下列的

13、近似值计算：DUv/D6-dUv/d6作参数m/sScm*6895Pa(lpsia 或小些)0.0467.6(3 in)其空3W5Pa(5p3ia)0.07615.2(6iu)82740Pa(12 psia)0.09220（8山）压刀103425Pa(15p3ia)0.107(0.35 ft/s)25.2(10 in)344750Pa(50psia)0.138(0.45 ft/s)30.5(12 in)“标准条件0.107 (0.35 ft/?s)25.2(10 in)汽相枯度0.05cp0.092(0.30 ft/s)20(8 in)20dynes/cm0.107(0.35 ft/s)25.

14、2(10 in)夹带液体衷面张力40 dynes/cm0.126(0.40 ft/s)30.5(12 io)30 aynes/cm0.092(0.30 ft/s)25.2(lOiu)夹带液体您度480kg/m3(301b/ft3)0.092(0.30 ft/$)20(8 in)720kg/m3GJ51b/fP)0.126(0.4ft/s)30.5(12 in)* Kd-0.063m/9对高效分离层* x16C kg/m3 (io lb/f 13) 4 医药工程设计1986年第8期J994-20IQ China Acadvrnic Journal Ehictroak Publishing Hou

15、se. All rights reservittp:Z?wv wxnkt.nc994-2010 China Acadvrnic Journal ESkctroaic Publishing House. All righls re医药工弄设计1986年第3期总 IfcftL图8卧式沉降分离器示意图(忽略流量波动和惯性影响)M厂九Dh/6(不考虑球粒变型) X-0(对水平向)船-亦/pH对垂直向) 摩擦拖曳力 歹产“OdpQ?仍/$ 结合以上诸项近似值，式(16)可用于水平和 垂直向的能戢平衡计算。当无外部作用力时J 式(16)可变成：Mp(dS/%)=-耳0加0Q紗(17) 对水平向流动的液滴，

16、其拖曳系数0加 值，可用Brodkey提出的计算式：0m=(l-(N“)72(1)将式(17)代入(18)式：dUt/dO 7(U a)3(19)，= 3p/4pjpa = mJ pj将式(19)积分，其初始条件是：UtoUo CQS%6-0(0是入口的角度，见图8)、Uga+ (I7o-a)/l-+-7*(l7,oa)(20) 式(20)说明液滴在气流中是在诚速进行，当 以=久时,则液滴随气流恒速前进。由40 到2%内的减速长度S可由下式计算：| Ug d0 =aa0td-yilnlJo+ 7(0巾a)%(21)将式(20)代入:-UP)/y(E71-a) (S_a)3(22)久为所需总气相

17、分离时间，则进出口接 骨的水平位置兀可用式(23)算出：刀严 Ed+(伤-0“)以(23)总分离时间必和液滴达到液面上所需吐 间是相等的。决定于2/轴方向的能駅平衡， 通常在工程设计中，可简化忽略滅速彩响，则 S。刀也可近似地看成是卧式罐的 总长度。式(中的对y轴向的净重力平衡式是: dUv/d6 (pp-Pv)5r/pp -rODilUi (24) 实际上，因y向的初始速度刀o和S相 等(3m/s),不服从Stoked定律。必须用 式(7b)求0旳值,将式(7b)代入式(24)：d% 仮0 = O(z-时)(25)O-13.875PrV-Drpp加0.0721隔_&)曾/优汕将式(25)积矢

18、,U严U, 07,00 = 2.5U/4S 2/ (7n +2) y1-4*f2/如2)叶(26II因为没有简要的方法将调和函数组22/(7 +2)进行加和，但6 总分离高度Lv是减速和恒速沉降的矩 离总和：hvmL-(仇一九d)SEjrti+ (Hm(30式(21)、(2臥(28)、(29)、(30)是卧式重 力沉降和冲击式分离器设计的基本计算式。4.设计实例按下列条件设计一卧式气液分离器：含液滴的气相流量Qv-2.63m8/S液相密厦 0.5t/m8气相密度& 0.003 t/m8气相粘度S O.Olcp液滴直径必150 Rm器内液体体积卩；1.9m8根据上面数据，如按美国API-521法

19、设 计的卧式重力沉降器，内径为2.1m,长度 4.9 m一如用本文介绍的设计法，则可使分离 器的体积明显减小，在保持分离效率条件下, 可节约钢材，减少投资。还需下列假定条件：入口管角度 30入口管径几45.7cm入口气速 Uo 17.3m/gUgQUo cos q 14.9 m/g0 = 0 sin 0 = 8.7m/s(0。和d.值根据计算结果，可进行合理 的调整)。各有关的物理参数数群，可按公式计算 出；a U9/ pvDj)0.023 m/sy 3pJ4ppD2.7 m10-13.875云妝腐J34 8阳Z = 32.2 (pp 一 Pv) Op,- 0.9185S = Z07u 0.2

20、868 m/s仇严(Z-a8u - UA) /0.40 -= 0.055s= 5 (17 貂一 Z03a9)/3O = 0.095 mDdTy十Ey十Zf.(见图8)气流面积：Av -(兀/4) Q： 1 一 cos1 (2R -1)+ (4/w) (B - 0.5) (7? - 7?a) *5 (31)RvgLgUvQu/ Av = 2.63/ Av下面的计算,忽略碟形封头，假定合理的 L/Da 3.0,.5卩= 8.35汽相体积=匕一液体体积-8.35-1.9 = 6.45c-6.45/4.5-1.43m,Uv *= Qvf-v = 1 86 m/9刀严4血(进出口接管间距，预先假定值)。

21、先由式(21)、(22)计算龙向的有关数据, 加(-久)/了(几-a) (%) -0.0165sL“a&d + 7 Tn 1+了 妙-a) 0 =0.073 m因为液体体积是1.9 m根据式(31) Lt+L9 = Dd lv=l.lmf 先 假定进出管不插入器内，BJ乙=0。由式(30),总分离时闾：Ot = (E”ZcQ/Uf + 0 a 3.55 s由式(23),计算也应的Z：=十(价一伤Q00 = 6.64m计算的几值大于原假定的厶值(4.0m), 故设计不合理，要重新调整有关尺寸，将入 口接管向器内插入0.46m, ,-1.1-0.46 = 0.64 m,则分离时间久减至1.955s

22、。.=0.073+(1.955-0.0165) xl.86 =3.66 m原假定的乙值是4m,计算值厶是 3.66m,小于假定值，说明假定兀專是可行的。设计结果： 分离器内径0 1.5m 分离器全长E 4.5m 入口管插入深度乙0.46m 长径比Z/2 3.0,不难看出，用本法介绍的设计方法，同样 分离效果的卧式分离器，其外形尺寸比传统 的API-521法要小。如果再适当提离0。和 E值，还能减少设备的体积，但同时还要注 慰考虑经济合理的E/Qd值、车间布置要求， 以及某些特殊需要等因素。三、雾沫分离器的选择1.折板除沬器医药工程设计1986年第3期折板除沫器有格板式和叶片式两种慕本 994-

23、2010 China Acadvrnic Journal ESkctroaic Publishing House. All righls re型式，格板式除沫器在每个格板上有36排 与气流方向呈3060。的叶片，是国外最早 开发的一种型式。广泛用于冷却塔系统，其 优点是制作简便、能力大、不易被污物堵塞, 但对粒径小于20um的雾沫，不能分离，因 而逐渐被叶片式所淘汰。叶片式又有人字形 利凹形两种型式(详见图9儿叶片间距为图9各种型式的折板除沫器1.37.6cm (1/2-3in),高度 1530cm (612加)，由金屈或塑料制成。气流与折板 可呈垂直或水平向流动，雾沫分离的机理主 要是惯性冲

24、击作用。折板除沫器应保持适宜 的流速范围，过低时由于惯性冲击效果的滅 弱，而体响分离效率，过高时又会产生二次夹 带现象。因此设法将折板上液膜厚度滅薄是 提高气速的途径。(图10)中采用带钩的人字图10水平向气流的人形有钩叶片便于排液形折板就是这个道理。压降可按干板近似计 算。板间距对分离效率有明显的彫响，一般 采用2.54cm(1 in)或更小些。当然随着板 间距的滅小，会便设备费增加,两者要权衡考 虑。气流中的雾沫含量对人形板压降和分离 效率的影响不大，故对生产气体中含雾沫鈕 较多的场合，宜选用人形板型式，对污垢物系 也能较长时期使用。为防止盐类和其他稠厚 物料的沉积，可增设洗涤装置。2.

25、丝网除沫器由双层金屈或塑料丝网构成一定厚度要 求的网层，丝网直径由76257“m,常用 257111(11密耳)，网层厚1080cm,常用 15om(6in),堆积比重80320kg/n?，常用 144kg/m3(91b/ft8)网层外径通常比塔径 大85%,以保持紧密安装诫少短路，对轴 向或径向气流均可应用，分离机理亦为惯性 冲击。和折板式相比，具有很大的比表面积， 即使在较低气速下也能获得理想的分离效 果。一般用O值确定气速：(31) 为达到一定的分离效果，气速耍大于08m./g (O值大于0.027),但气速过髙到达载点时， 使丝网层液膜加厚，产生二次夹带现象，因此 推荐的。值为035(

26、或稍低些)。当入口气 体中含雾沫量大于3.5mg/m8时，则可能会 产生严重的二次夹带现象，丝网除沫器主要 用于蒸惚塔、吸收塔的顶部，或是蒸发器分离 罐的上部。用于径向流动时，雾沫直径可大 于5/im,営作为有效的粗雾分离器使用，但 要求处理含雾气相比较干净。3. 纤维层式除雾器Pi药工程设计1986年第3期按其分离机理划分，一种以惯性冲击为 主，一种以布朗扩散为主。可采用填充式或 缠绕式结枸，纤维材料可用玻璃、陶瓷、塑料、 金属等。克径一般小于25Mm(l密耳力层 厚57.5cm,上下由筛板固定，可用于轴流 或径流。分离机理决定于纤维尺寸，如惯性 冲击型筛板外径66cm,层厚5cm,总长度

27、183om 布朗扩散型筛板外径61cm、层厚 7.6om,总长度305cm 在相同体积下，纤 维层式的比表面积要比丝网式大30-150 倍，特别适用于大型气液相接触设备。因液 泛速度随床层比表面积的增加而降低，和丝 网式一样，气速下限决定于惯性冲击效率，上限决定于二次夹带现象。但是对布朗扩散型, 分离效率随气速降低而提高，提高气速则降 低效率，加大压降,要特别注意这一点。对纤 维层床的设计计算，需釆用对数平均直径值:% = （Do - DJ /In （切耳）（32） 通过床层的气速由下式计算：Uo=QJ EgL*（33）对惯性冲击型的空间速度为60-120 m/s （O 值 0.12-0.24

28、,筒状），或 120-160 m/s（O值024036板状）。布朗扩散型 812m/s（O值,0.06024）。纤维层式的 主要特点，是不受入口气体中雾沫含景的限 制,在高达106kg/m8时，没有观察到二次夹 带现象。冲击型一般在过渡区内，压降1500 -2500 Pa,扩散型一般在层流区内压降500 -5000 Pa多用于冷凝形成的细雾分离，如 压缩气体油雾、多级空压机中间冷却器润滑 油和水的乳雾、吸收塔的酸雾、化纤成型的冷 凝润滑油雾等的分离操作。根据气速，其总 分离效率可达9599.9%,可设置连续洗涤 装置,故对含有溶性污物系统亦可使用。4雾沫分离器的选择方法对折板、丝网和纤维层式各

29、种雾沫分离 器推荐的气速范围（以。值表示），以及适用 的空气动力学液粒直径的适应范围（见图 H） o下限决定于分离效率的降低，下面型式的分 离机理为布朗扩散，气速增加而效率反而降 低是控制上限的因素。O值在0.024-0.12 之间，为空白区，在这个范围内分离机理是直 接捕集。分离器所需的汽液接触面积随。值 的滅小而增加。如图口所示,径流丝网和折T板式所需面积最少，而扩散型所需面积最大. 设备投资随面积的滅少而降低。在选择雾沫 分离器时要综合考虑下面诸因素：工艺 生产特点分离效率的要求动力费用 设备费用。理想的分离器应具有使用时间长、 分离效率高和费用低的优点。表2提供了一个通用的选择依据，对

30、污 垢物系一般用径向分离器.，因可连续洗涤，轴 向分离器用于不经常清洗的物系。表3提供清洁物系污垢物系设备型式仏液相 均淸净对入口代体含 液量限制与否含固粒 浆状可洛性 盐类轴流折板可否可能.可能*轴流丝网可限洌可能.否径流折板可否可可径流丝网可否否可“冲击型纤维层可否否可扩散型纤维层可否否可表2各种设备的选择依据根据固体含飲 能连续洗涤在图11中，上面几种型式的分离机理 均为惯性冲击，气速上限决定于二次夹带，2.01 oA. Vco径向丝网径向折板紹1向丝网V冲击HGMJg0.1C.OJ湮仞扩啟艷讦张层渝|0.1 1.0 10 100td ft m图口根据粒径和C值，选择雾沫分离器表3各种型

31、式分离器的操作特性表项目粒径范国崔粒200400中粒50-100细粒 25微J适用的為 效分离设备轴流 折板轴流纟纟 网轴淹和 径流折加径流丝 网筒式纤 维层板式 纤维层击扩纤 冲和型层 型散维典型汗降.Pa0 12525025085005005000分离液滴 类型液沫液沫液雾液雾代表性应 用冷決板 水塔塔塔 刼涤式熬发器 填科塔（吸 收,蒸锢） 文丘HI洗 涤器压缩气 体除浊、挤魏的油雾（夹带的泡沫）（冷凝的细雾）医药工程设计1986年第3期各种雾沫分离器的具体操作数据.可供选用 参考。总的说来，对较大的液沫宜选用折板式。 反之，对细雾则采用扩散型纤维层式。通常， 对除沫系统推荐采用轴流型（

32、垂直流），而除 雾系统推荐用径流型（水平流）。如操作范围 不在图、表（2、3）之内时，也可相应确定，如 人形板的分离要求是810“m雾滴时，压降 要比（表3）规定的125 Pa要大。对纤维层式 分离细雾时，要求效率达99.9+%,而压降要 小于500 Pa时,则气液接触面要相应加大。引用符号:血一丝网层的表面积一气相流动的新面积C（24）式中的物理参数群（32）式中的C值一分离器直径（指每个基本单元）Di器体内径D.纤维层床内径 刀小皿液満直径U雾沫的扩散度 %纤维床的对数平均直径 dn入口接管直径 9廉力加速度 G气体质弦速度速度“常数”L长度或液体质杲流速L饨圆坎纤维床的抽向长度S降速距离或分离髙度L.卧式分离器,入口接管插入深度L4分話长度和高度J液面庇度液滴的质册Qv气相的体积流AWS丝网表而特性（或单位体积内纤维层袁面积）N.液滴雷诺数6空间气速u. s速度g速变矢fit卩一分离器体积X作用在液滴上的外力z（251式中的物理参責群w液浦的总重纤维床层的空隙