天然气净化用旋风分离器气液分离性能

谭蛟龙 秦婧 郭钰 范成臣 马明青

(重庆市垫江县澄溪镇石桥坝天然气净化总厂引进分厂 重庆 垫江401236)

一、前言

目前，国内外对分离器的性能研究还主要是集中在固气成分的分离上，但是对气液的分离性能研究比较少。本文从天然气输管内的气液特点出发，对旋风分离器的气液分离性能和影响分离的因素进行了介绍。

二、旋风分离器的基本工作原理

根据旋风分离器的基本结构，气流通过入口流入旋风分离器，并在分离器内产生内旋运动。气流能够在旋转运动的过程中沿分离器外侧向下运动，而含尘气体内的颗粒也会随着气流向下螺旋运动，气体中的颗粒会受到重力、阻力、浮力和离心力的作用。因此颗粒的密度较气体密度更大，所以可以不考虑颗粒的浮力，另外，颗粒都比较小，因此重力的作用也可以不用考虑。这样，颗粒就只受到气体阻力和离心力的影响，从而被甩到器壁上，并随着器壁向下的气流到达排尘口，最终落入灰斗。

三、旋风分离器的性能指标及其影响因素

旋风分离器的性能指标主要包括两个：分离效率与压降。

1.分离效率的影响

在气液分离的过程中，需要对三部分的颗粒进行考虑，即进入、捕集和逃逸。我们可以用符号Mf、Mc和Me分别表示颗粒的质量。分离器在运行过程中的颗粒质量关系可以表示为：

这样就可以得到总的分离效率η：

因此，通过取样和称重这两类颗粒，就能够得到总的分离效率。

在实际的工业生产过程中，总分离效率是一个常用的技术评价指标。当然，对于表征一个具体的分离器分离性能来说，该指标还不够全面，因为需要考虑分离器本身的参数设置和颗粒的物理属性两方面的因素。

2.压降的影响

一般情况下，分离器压降可以分为进口损失、升气管内损失和分离空间损失三类。如果分离器具有切向进口，那么进口的损失都比较小，这里不再考虑。而对于有导流叶的分离器，则该方面数据较少，在导流叶片符合空气动力学基本条件的情况下，进口的损失也很小。分离器的分离空间能量损失较大，这主要是由于分离空间对旋流强度的限制造成的，壁面摩擦的损失越大，气流的旋转强度也就越弱。但是，这部分的壁面损失也不占有主导的作用。

对于直流式与逆流式分离器来说，在升气管中能量的损失是最大的，甚至比其他两种损失要高一个量级。但是对于含尘量为初级浓度的分离器而言，壁面摩擦力造成的能量损失会占据总压力降的主要部分，相对而言，声气管与涡核中的损失压力所占比例就相对较低。

一个完整的分离器压降Δp，与体积流量平方成正比，这和带有湍流流动性能的设备情况相同。通常情况下，将压降表示成无量纲数的形式来对分离器的性能进行描述：

其中，υz表示分离器的筒体平均轴向速度、以及体积流量比上分离器筒体的横截面积。

3.影响分离器基本性能的主要因素

(1)筒体的直径D

一般情况下，相同条件下的分离器筒体直径越小，则气流旋转的半径越小，颗粒受到的离心力也越大，从而使得颗粒分离的效率越高。如果筒体的直径过小，不仅会使器壁与升气管的距离太近，降低分离的效率，还会引起分离器的堵塞，因此，一般要求旋风分离器筒体的直径不小于50-70cm。

(2)高度H

较大的长度比例会使得分离器获得比较好的分离效率，这主要是由于筒体内颗粒停留时间较长，颗粒有多机会分离出来。另外，较长的分离器还能够减少气流对灰斗造成的磨损破坏。但是，从另一个方面考虑，分离器越长，占据的空间也就越大。所以，我们提出了分离器的自然旋风长度L，即自升气管的下端开始，到分离器的漩涡尾端终止的距离：

其中，de表示升气管的直径，在对H进行设计时，要充分保证分离器的自然旋风拥有足够的长度，同时也要考虑经济性的问题，因此，一般取筒体段的高度为(1.5-2.0) D。

(3)进口结构

分离器的进口主要包括轴向和切向两种进口方式。其中，轴向进口分离器能够在很大程度上防止进口气流与分离空间气流的互相干扰，对提高分离的效率十分有利。但是，这种进口会使气流均匀分布在进口截面上，因此，导致靠近分离器中心的分离效果比较差。而使用切向进口的分离器，能够明显减少进口气流对旋转气流的撞击和干扰，从而显著提高分离效率。

(4)运行条件

影响分离器性能的运行条件包括进口气流速度、气体含尘浓度等。对于进口气流的速度，要求在对分离器进口截面进行设计时，要将进口气流的速度设定为一个固定值，这样才能保证较少的能量消耗和较高的分离效率；而对于气体的含尘浓度，旋风分离器的分离效率会随着粉尘浓度的上升而提高，但是，这时从升气管中排出的粉尘也会增加。

结论

综上所述，旋风分离器主要包括压降和总分离效率两个性能指标，而对于单个旋风分离器来说，也可使用分级效率来对旋风分离器的性能进行评判，其分级的效率只和分离器的结构有关。另外，旋风分离器的总分离效率还受到运行条件、粉尘物理性质和结构参数的影响。因此，加强对相关性能指标和性能影响因素的研究，对提高天然气的净化效果具有重要的意义。

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