立式重力气液分离器的工艺设计

立式重力气液分离器的工艺 陈丽萍 (西南化工研究设计院 　成都双流 610225) 　　摘要 :根据有关理论导出立式重力气液分离器中液滴沉降速度的解析解 ,可准确快速地计算立式重力气液 分离器的直径 ,以及立式重力气液分离器主要结构尺寸的计算方法。 关键词 :气液分离 ;液滴沉降 ;气体速度 ;液滴直径 ;结构尺寸 0 　概　述 在化工装置中 ,有各种各样的气液分离 器 ,其中以立式重力气液分离器最为常见 ,这 种气液分离器具有结构简单、操作可靠等特 点。立式重力气液分离器的设计关键在于确 定其直径 ,即确定气体在气液分离器中的流动 速度。在有关设计手册〔1 ,2〕中 ,常以液体密度 ρL 和气体密度ρG 的无因次数 (ρL - ρG) ρG 与气 液分离器中的气体速度 U 相关联 ,其关联式为 : U = K (ρL - ρG) ρG 1/ 2 其中 K为常数或与气液质量流速比相关 的常数。实际上 ,从本文以下的推导可以看 出 ,立式重力气液分离器中气体流速的确定还 应考虑液滴直径、气体密度、粘度等因素。在 近年出版的手册〔3〕中 ,虽然考虑了这些因素 , 但需查图、试差 ,计算比较烦琐。本文介绍一 种准确、实用而又简便的立式重力气液分离器 直径的计算方法 ,并对立式重力气液分离器的 其他结构尺寸的确定进行扼要讨论。 [2 ] 　孔渝华 ,王国兴等 . 常温精脱硫新工艺 EH —1Q COS 水解催化剂串 EAC 活性炭 [J ] . 中氮肥 , 1995 , (2)∶8 [3 ] 　叶敬东 ,王先厚等. EAC —2、EAC —3 型活性炭 精脱硫剂的工业应用 [J ] . 化肥设计 , 1997 , 35 (5)∶43 [4 ] 　郭汉贤 ,刘明清等. TG型常温氧化铁脱硫剂使 用条件的研究[J ] .化肥与催化 ,1981 , (3)∶11 [5 ] 　王关千等. SN 型常温氧化铁高效脱硫剂 [J ] . 化 肥工业 ,1988 , (1) :34 [6 ] 　张福安 ,刘国华. TG型氧化铁脱硫剂用于二次 脱硫初试简结[J ] .山西化工 ,1984 , (2)∶13 [7 ] 　王祥光 ,钱水林等. 小氮肥厂脱硫技术 [ M ] . 化 工部小合成氨设计技术中心站出版 ,1992. 216 [8 ] 　HG/ T2782 —96 [ S] . 化肥催化剂颗粒抗压碎力 的测定 (1996) Research and development of EF - 2 special oxide f ine desulfurizer Hu Dianming W ang Guoxing Wei Hua W ang Xianchao Kong Y uhua ( Hubei Research Institute of Chemistry ,Wuhan 430074) EF - 2 special ferric oxide fine desulfuriz2 er ,used in ambient temperature , was prepared by the impregnated method . The fine sulfur2 removal and the exellent physical and chemical properties of the EF22 was reported. Key words; ferric oxide ; fine desulfurizer ; hyrogen sulfide ;working sulfur capacity 63 天然气化工 1999 年第 24 卷 1 　气液分离器直径的确定 当气体流速 U 小于直径 d 的液滴的沉降 速度 U t 时 ,即 U < U t 时 ,气液才能有效分 离 ,故确定液滴的沉降速度是设计的关键。 从液滴的沉降速度与气体的浮力、液滴的 重力关系可推导出液滴在气流中的沉降速度 : U t = 4 g (ρL - ρG) d 3 C 3ρG 1/ 2 (1) 式中 : U t —液滴的沉降速度 ,m/ s ; g —重力加 速度 , m/ s2 ;ρL —液体密度 , kg/ m3 ;ρG —气体 密度 , kg/ m3 ; d —液滴直径 , m ; C 3 —阻力系 数 关于液滴沉降速度的计算下面进行讨论。 1. 1 　滞流区 当 010001 < Re < 1 时 ,为滞流区 ,阻力系 数用下式计算 : C 3 = 24Re (2) 则 　U t = d 2 (ρL - ρG) g 18μ≈ (3) 式 (3)被称为 Stokes 定律。 1. 2 　过渡流区 当 1 < Re < 1000 时 ,为过渡流区 ,阻力系 数计算如下 : C 3 = 1815 Re016 (4) 则 　U t = 0127 gd (ρL - ρG) Re016ρG (5) 式 (5)称为 Allen 定律 ,经变形可得解析解 : U t = 017805 (ρL - ρG) 01714 d11143ρG01286μ≈01429 (6) 1. 3 　湍流区 当 1000 < Re < 105 时 ,为湍流区 ,阻力系 数 C 3 = 0144 ,则 U t = 1174 d (ρL - ρG) gρG (7) 式 (7)称为牛顿定律。 以上各式中雷诺数计算式为 : Re = d U tρG μG (8) 其中 ,μ≈ —气体粘度 ,Ρa·s ,其余同前。 计算气液分离器的直径时 ,可先假设气体 速度等于液滴的沉降速度 (即 U = U t ) ,假定 一个 Re 的范围 ,用式 (3) 、(6) 、(7)之一计算出 U t ,再验算相应的 Re 在假设的范围内即可。 求出液滴的沉降速度 U t (等于气体流速 U )后 ,可用下式计算气液分离器的最小直径 : Dmin = 1818 ( VU t ) 1/ 2 (9) 式中 Dmin —气液分离器的最小直径 , mm ; V —气体流量 (操作状态下) ,m3/ h ; U t —同前 实际上 ,在一般化工过程的立式气液分离 器中 ,气液相对运动大多数处于过渡区 ,此时 , 如要 U ≤U t ,根据式 (6)求 U t ,而 U = Vπ 4 D 2·3600 则 　 Vπ 4 D 2·3600 ≤017805 (ρL - ρG) 01714 d11143ρL01286μ≈01429 (10) 故 　D ≤010213 (ρG01143μ≈01214)(ρL - ρG) 01357d01571·V 1/ 2 (11) 即大部分立式重力气液分离器的直径均由式 (11)直接求得。 值得特别提出的是 ,一般化工过程 ,气体 中夹带的液滴直径 < 350μm 时 ,可认为其气液 已充分分离 ,故在设计立式重力气液分离器 时 ,可根据分离要求确定液滴直径。液滴直径 d 一般取 100～350μm 左右。 2 　气相段高度的确定 一般认为 ,气相段高度 H1 (直边段) 与气 液分离器直径相当即可 ,即 H1 = (018～112) D (12) 气体入口流速较高时 ,气相段高度相应取 上限值。 3 　液相段高度的确定 气液分离器的液相段高度由被分离液体 在气液分离器中的停留时间决定。 当连续排出气液分离器中的液体时 ,可将 5～10min 的液体量控制在液位计的可视范围 ( H3)之内 ,即 : H3 ≥ WL·t60 ρL·π4 D 2 (13) 73第 2 期 　　　陈丽萍 :立式重力气液分离器的工艺设计 式中 H3 —液位计可视高度 , m ; W L —被分离 液体的流量 ,kg/ h ; t —液体的停留时间 ,一般 取 5～10min ; D —气体分离器直径 ,m 当定时排出气体分离器中的液体时 ,则要 求排液间隔周期时间内贮存的被分离液体液 位低于气液分离器允许的最高液位或液位计 可视最高液位。 即 : W L·tρL ≤V 1 + π 4 D 2 H4 (14) 或 : H4 ≥( W L tρL - V 1) / ( π 4 D 2) (15) 式中 V 1 —封头容积 , m3 ,当其为无直边 椭园封头时 , V 1 = 01131 D3 ; H4 —气液分离器 液相段直边高度 ,m ; t —被分离液体的停留时 间 ,可根据需要定为 2～8h。 设计计算的立式重力气液分离器简图如 图 1 所示。 图 1 　立式重力气液分离器简图 4 　接管尺寸 4. 1 　入口管管径和高度的确定 入口尺寸不小于入口管接管直径 ,较低的 入口位置有利于气液分离。 一般认为ρG U 2 ≤1000Ρa 即 U ≤ 1000ρG (16) 式中 U —气体在入口管中的流速 , m/ s ,入口 管底部至最高液面的高度 H2 一般取 150～ 200mm。 4. 2 　出气管管径的确定 出气管直径不小于出气管工艺接管管径 , 较低的出气速度有利于气液分离。 4. 3 　出液管管径的确定 出液管直径的确定以被分离液体在管道 中的流速控制在 015～115m/ s 为宜。 (收稿日期 :1998 —12 —15) 本文作者 :陈丽萍 ,女 ,1963 年生 ,师 参考文献 〔1〕　〔美〕弗兰克·埃文斯著. 炼油厂和化工厂设备设 计手册 (下册)〔M〕. 北京石油设计院译 ,北京 : 烃加工出版社 ,1984. 184～185 页 〔2〕　化学工业部第二设计院. 化工工艺算图 (第六 册)〔M〕. 1998. 118～119 页 〔3〕　化学工业部. 化工装置工艺系统工程设计规定 (二)〔M〕. 1996. 300～303 页 Process design of vertical gravity gas2l iq2 uid separator Chen L i ping ( The Southwest Research & Design Insti2 tute of Chem. Ind. Chengdu 610225) The analytic solution for the depositing rate of liquid drops was deduced out f rom the corresponding theory ,by which the diameter of vertical gravity gas2liquid separtor can be calcu2 lated out quickly and exactly. The calculating methods for the sizes of the main structures of vertical gravity gas2liquid separator were also deduced out . Key words :gas2liquid separation ;deposit of liquid drop ; gas rate ; diameter of liquid2drop ; size of st ructure 83 天然气化工 1999 年第 24 卷