气液分离器设计计算.doc
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1、气液分离器设计计算 宇*冯中国石油辽河工程有限公司 盘锦124010摘要 介绍气液分离器理论基础和设计方法,提出气液分离器计算方法的改进和对比实例。关键词气液分离器 设计 计算方法气 液分离器依据重力沉降原理,采 用 油 气集输 设 计 规 范 GB 50350 2005 及 分 离 器 规 范 SY / T 0515 2007 进行计算和选取,并以以下 假设为基础: 悬浮物的运动速率为常数; 分 离器内不发生凝聚和分散作用; 液、固 微 粒 均 是球形。计算 忽略微粒沉降的加速阶段, 仅 考 虑 分离不小于 50m 微粒的情况。此外,在计算中引 入立式分离器 修 正 系 数 K1 ,气体空间
2、占有的空间 面积分率 K2 、气体空间占有的高度分率 K3 和长径气液 分 离 器 可以配置丝网捕雾器、入 口 换 向器、防冲击挡 板或沉降内部构件。立 式 气 液 分 离 器适用于 从 高 气 液比混合物中分离液体; 卧 式 气 液分离器适用于从低气液比混合物中分离气体。基本原理3,4气液分离通常分为三个阶段: 第 一 个 阶 段 为 预分离,即 利 用 气 体中所夹带液体的动量使大的 液滴与入 口 挡 板 碰 撞, 然后利用液滴自重沉降下 来,从而将 气 液 分 成以气体为主和以液体为主的 两个部分; 第 二个阶段为二次分离, 即 使 较 小 液 滴利用重力 分 离; 第三个阶段为除雾,
3、小 的 液 滴 在捕雾器 处 聚 集 成 较 大 的 液 滴, 然后靠重力实现 气液的分离。对于第二 阶 段, 必须计算允许的流速, 用 于 确定气液 分 离 面 积。计算沉降过程中液滴力的平 衡可以得到关系式。液滴的净重为:1. 21比 K4 经验参数 ,这无疑增加分离器计算的不确定性。设计人 员先依据标准规范进行计算, 再 根 据经验及 工 程 需 要 进 行 修 正, 有时最终所选设备 会比计算结 果 大 很 多, 造成不必要的浪费。基 于 以上考虑,综 合 多 种计算方法得出分离器计算方 法。该方法不 仅满足工程需要, 而且采用使设备 重量最轻 的 优 化 过程使投资最低, 可 为 气
4、 液 分 离 器选型提供参考。1计算的基本原理选型2气液分离器分立式和卧式两种型式,见图 1。M ( ) gPLVFG =gc V1. 1平衡曳力为:( / 8) CD DP UV V22FD =gc较重 的液滴将以恒定的终端沉降速度 UT运行:4gDP ( L V ) UT =3C D V因此,只要 UV UT 液滴便会被分离出来。一般允许的沉 降 速 度 UV = 0. 75 UT ,从 而 得 到 Saud- ers-Brown 方程:( L V )UT = K槡 V图 1 气液分离器示意图*冯 宇: 助理工程师。2007 年毕业于中国石油大学 ( 华东)( 0427) 7824124,
5、E mail: fghik sina com。化学工程与工艺专业。主要从事石油天然气工程设计工 作。联 系 电 话:本文受到国家科技重大专项项目 “煤层气田地面集输工艺及监测技术” ( 编号: 2009ZX05039) 的资助。192011,21( 5)冯宇气液分离器设计计算其中:是段塞流。在 没有特殊要求的情况下, 缓 冲 时 间可以取停留时间的一半。1. 4立式气液分离器的计算立式气液分离器的气体分离区域是分离器的 整个横断面,所以气体的分离直径可以计算为:4gDpK = 槡3CD实际上较小的液滴只靠重力沉降是分离不出 来的,但这 些较小液滴可以聚集成较大的液滴,再通过重 力 沉 降 才
6、能 分 离。在分离器中的液滴聚 集设备可 以 使 气 体通过曲折的通道, 使 液 滴 之 间 或液滴与 聚 集 设 备间相互碰撞形成较大液滴。由 于聚集后的液滴直径很难预测,所 以 捕 雾 器 的 K 值一般取经验值。K 值的选取便是分离器设计中比 较敏感的 问 题 之 一。对于设有捕雾器的分离器 K 值可参照表 1 选取。对于没设捕雾器的分离器,推 荐 K 值为有捕雾器分离器的 一半或通过上述公式 计算出其 理 论 K 值。如果知道聚集液滴的尺寸, 选取曳力系数 CD ,见表 1。表 1 分离器 K 值选取表4QVDVD = 槡UV为捕雾器的直径,分离器的内径必须要大DVD一些,捕雾器才能安
7、装到分离器中。一般该 D 计VD算值要加上 6in 后 作 为 最 终确定的分离器内径 D, 然后采用该 D 值 计算相应的分离器横截面积。立式分离器总高度可以分成两个部分,见图 1。分离 器的高度可按下式计算:H = H+ H + H + H+ HTLLLHSLLND如果分离器有捕雾器,那 么 高 度 还 需 要 加 上捕雾器及其构件的高度。项目条件K 值1. 5卧式气液分离器的计算卧式气液分离器的横断面被气相和液相共同 1P1 15K = 0. 1821 + 0. 0029P +0. 0460 ln( P)K = 0. 35K = 0. 430 0. 023 ln( P)带捕雾器的分离器1
8、5P14040P15500占据,见图 1。通常先设定分离器的直径,选择或计算出低液位 ( LLL) ,根据持液量得出正常液位 ( NLL) ,根据液体 波 动 确 定 高 液 位 ( HLL) 。在 高0P2 1500真空下的气体 乙二醇和氨溶液 不带捕雾器的立式分离器压缩机入口洗涤器、分子 筛、膨胀机入口分离器K = 0. 35 0. 01( P 100 /100)K = 0. 20液位( HLL)和分离器顶部之间为用于气体分离的GPSA工程数据 手册K = ( 0. 6 0. 8)K = K /2K空间,然后计 算分离器的长度, 以满足持液量和 波动的要求, 以利于气液的分离。可 见 卧
9、式 分 离 器尺寸的 计 算 方 法是一个反复迭代的过程。根 据体积平衡可以得到:VH + VS = L ( AT AVD + ALLL )持液量和液体波动体积可以通过停留时间和 缓冲时间计算得到。最小的气液分离面积 AVD 一般K = ( 0. 7 0. 8)KCD = exp( Y)Y = 8. 411 2. 243X +0. 273X2 1. 865E 理论计算 ( 不带捕雾器)4gDpK =槡3CD342X + 5. 201E 4X0 95 + 8V DP ( L V ) X = lnV2( 1 2)ft,或是分离器内径的 20% ,然被设定为1. 3基本概念在进行分离器计算前还需定义
10、以下概念:( 1) 停留时 间: 在没有物料补充和出口流率 后选取两者之中的较大者。对于卧式分离器, 从气体中分 离 出 来 的液滴有一个水平拖曳力, 该 力 并不象立 式 分 离 器中的那样与重力方向相反。这 里不对两 维 颗 粒 运动做详细的处理, 多 数 文 献 承认允许的 水 平 速 率可比终端速率要大。一 般 要 求流体经历从分离器入口到出口 水平段长度的时间 要比液体在垂直方向上沉降到 液体表面所经历的 时间要长,即恒定的条件下,气液分离器从正常液位( NLL)降( LLL)到低液位( 2)时所经历的时间。缓冲时 间: 在没有物料流出和入口流率 恒定的条件下,气液分离器从正常液位(
11、 NLL)升到最高液位时( HLL)时所经历的时间。一些手册的缓冲时间是以低液位( LLL)和高HVL( HLL)液位之间的体积为基础考虑的。停留时间UAHUT是从保持较好的控制和下游设 备操作安全的要求 考虑的。缓 冲 时 间 是基于上游物流或下游物流的 改变而导 致 液 体 积 累 考 虑 的, 最常见的物流变化 2计算方法以下介绍的设计程序来自文献和被认可的设 20CHEMICAL ENGINEERING DESIGN化工设计 2011,21( 5)HLIN = 12 + ( 1 /2) dN( 不带入口转向器)计导则。卧 式 气 液 分离器设计采纳了优化长度和 直径以使 分 离 器 重
12、量最轻的方法。为 了 使 设 计 结 果更可靠,忽略了封头处的液体体积。4Qm) 0. 5d (n60 /槡m3( ft / s)Qm = QL + QV2. 1立式气液分离器3m = L + V ( 1 ) = QL / ( QL + QV )( lb / ft )( 1)立式气液分离器的终端速度的计算:( L V )UT = K槡 ( ft / s)( 8)计算分 离 高 度: 从入口管嘴中心到分 V离器顶部切线 不含捕雾器 从入口管嘴中心到捕雾器焊盘底端:HD = 0. 5DV或取() ;为了保守计 算 设 UV = 0. 75UT ,通 过 表 1 得 到K 值,然后计算气体的体积流率
13、:WV( ft / s)3QV = 3600V( 2) 计算分离器的内径:H = 36 + 0. 5d ( in,不带捕雾器)DN4QVHD = 24 + 0. 5dN ( in,不带捕雾器)取二者中的小值。( 9) 如果分离器带捕雾器, 则分离器的高度 加上 6in 捕雾 器 的 高 度,并 加 1ft 作为捕雾器到分 离器顶部切线的距离。( ft)DVD = 槡UV如果分离器设有捕雾器,则计算的值要加上 3 6in 以安装支撑环,最后圆整到下一个 6in 得 到最终的分离器内径。( 3)计算液体的体积流率:( 10) 计算分离器的总高度 H :THT = + HLLL + HH + HS
14、+ HLIN + HD + HMEWL3( ft)QL = 60( ft / min)L( 9 )步得出来的高度,如 果其中 HME 是从第并选取停留时间并计算持液量:没有捕雾器 HME = 0。2. 2卧式气液分离器2. 2. 1设计参数( 1) 计算气体的体积流率:3VH = TH QL( ft )( 4) 如果不规定波动体积, 则选取缓冲时间 后计算波动体积:3VS = TsQL( ft )低液位高度的选取,见表 2。表 2 低液位高度选取表 WV 3QV =( ft / s)3600V液体的体积流率:立式分离器 LLL ( in)分离器直径( ft)卧式分离器LLL ( in)WL 3
15、00psia 300psia( ft / min)3QL =60L46810121615151566666666691011121315( 2)0. 75 UT :计算垂直方向的终端气体速度,设 UV =L V( ft / s)UT = K槡V( 3)选取停留时间并计算持液量:( 5)计算从低液位到正常液位的高度:( ft )3VH = TH QLVHHH = ( /4) D 2( ft)( 4)如果不规定波动体积, 则选取缓冲时间 V后计算波动体积:最小取 1ft。( 6)计算从正常液位到高液位 ( 或 高 液 位 报3VS = TS QL( ft )( 5) 取得 L / D 的初估值2,
16、并且初步计算分 离器直径:警) 的高度:VSHS = ( /4) D 2( ft)4 ( VH + VS )V) 1 /3D = ( ft,圆整到最接近的 0. 5ft)最小取 6in。( 7) 计算高液位到入口管嘴中心的高度:0. 6 ( L / D)计算总横截面积:2( 带入口转向器)AT = D /4HLIN = 12 + dN212011,21( 5)冯宇气液分离器设计计算利用表 2 计算低液位高度或采用:HLLL = 9in。HLLL = 0. 5D + 7( in)( 6)利用 表 3 通 过 HLLL / D 得 到 ALLL / AT 并 计此处 D 的 单 位 是 ft 并
17、圆 整。如 果 D 4, 则算低液位面积 ALLL 。表 3 容器高度与面积转换表Yabcdefghi 4. 755930 10 50. 00153756AB3. 92409126. 7871010. 1748753. 299201 6. 358805 22. 9239325. 66897324. 3535184. 018448 14. 844824 4. 916411 36. 999376 1. 80170510. 529572 0. 1453489. 892851 5234表中,Y = 4. 755930 10 0. 174875 X + 5. 668973 X 4. 916411 X 0
18、. 145348 X 1 + 3. 924091X 6. 358805X2 + 4. 018448X3 1. 801705X4A 为: H / DA / AT 或,Hv / DAv / AT ,y = A / AT ,x = H / DB 为: A / At H / D 或 Av / AT Hv / D,y = H / D,x = A / At( 7) 如果 没 有 捕 雾 器,气 体 分 离 区 域 AV 的最小高 度 为 0. 2D 或 1ft 中 的 较 大 值。如 果 有 捕 雾 器,则气体分离区域的最小高度为 0. 2D 或 2ft 中的较大值。因此,设定 HV 为 0. 2D 或
19、2ft 中的较大值 ( 无捕雾器为 1ft) 。同理利用 HV / D 获得 AV / AT并计算 AV 。复计算使 1. 5 L / D 6. 0。( 14)( 最小重量)以优化的分离器尺寸通过表 3 计算正常液位和高液位:ANLL = ALLL + VH / LHHLL = D HV2. 2. 2壁厚、表面积和重量( 1)壳体壁厚:( 8)计算满足液体持液量及波动的最小长度: PD L = ( VH + VS ) / ( AT AV ALLL )( ft)s = 2SE 1. 2P + tc( in)( 9)计算液体脱除时间:( 2) 壳体表面积: = HV / UV气体速率:UVA =
20、QV / AV( s)( ft2 )S = DL( 3)椭圆形封头壁厚:( ft / s)PDs =+ t( in)c2SE 0. 2P( 10) 计算满足气液分离的最小长度:( 4) 椭圆形封头表面积:( ft)LMIN = UVA S = 1. 09D2( ft2 )( 11) 如果 L LMIN 则 L = LMIN ( 气液分离是可控的) ,这仅会导致一些额外的持液量。如果 L 远小于 LMIN 那么增加 HV 并且重复上述( 5)半球封头壁厚: PD s = 4SE 0. 4P + tc( in)第( 7 )步 计 算。 如 果 L LMIN , 该 设 计 是 可 接( 6) 半球
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