涂多運(yùn) 董勇 湯國軍 余洋 陳俊文 祝疆

中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司

氣液聚結(jié)器在石油天然氣工業(yè)中應(yīng)用廣泛[1-4]。立式氣液聚結(jié)器常用于分離和回收壓縮機(jī)出口氣中攜帶的潤滑油[5-6]（界面張力大于0.003 N/m的氣液分離），其工作原理是通過凝聚的作用改變液滴的尺寸，將液態(tài)雜質(zhì)從微米級(jí)變成毫米級(jí)，打破雜質(zhì)在連續(xù)相中重力與浮力的平衡，實(shí)現(xiàn)聚結(jié)器內(nèi)部氣液的重力沉降分離，從而達(dá)到提純氣相的效果[7-8]。

目前，氣液聚結(jié)器的計(jì)算選型受制于濾芯材質(zhì)、結(jié)構(gòu)和布置方式的不同，廠家通常會(huì)根據(jù)實(shí)際選用的濾芯給出不同的選型結(jié)果，國內(nèi)文獻(xiàn)尚無通用的估算方法，外文文獻(xiàn)[9]有闡述氣液聚結(jié)器選型的計(jì)算原理，但部分關(guān)鍵參數(shù)未能詳盡說明，尚不能應(yīng)用于工程項(xiàng)目。本文結(jié)合海外工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，借鑒外文文獻(xiàn)中的計(jì)算思路，總結(jié)出一種氣液分離器的尺寸估算方法，能夠?qū)こ添?xiàng)目設(shè)計(jì)中各階段的氣液聚結(jié)器尺寸估算提供指導(dǎo)。

1 氣液聚結(jié)器

1.1 工作原理

圖1為一種立式氣液聚結(jié)器的結(jié)構(gòu)。攜帶液滴的氣流首先進(jìn)入筒體的底部，液塞及大液滴經(jīng)重力沉降后脫除，然后氣流向上流動(dòng)通過管板，并且從管筒的內(nèi)部徑向地流過濾芯到聚結(jié)器環(huán)形空間內(nèi)，氣體在環(huán)形空間內(nèi)繼續(xù)向上流動(dòng)到聚結(jié)器出口。

圖1 立式氣液聚結(jié)器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vertical gas-liquid coalescer

聚結(jié)濾芯中液滴的形成和排出分為捕獲、聚結(jié)、釋放、排出4個(gè)步驟。氣體攜帶的小液滴首先被聚結(jié)器內(nèi)部的超細(xì)纖維捕捉，這些微米級(jí)纖維對(duì)氣流形成了曲折的通道，迫使液體霧滴在直接攔截的過濾機(jī)理作用下被超細(xì)纖維捕獲；接著，細(xì)小液滴在纖維上聚結(jié)或合并在纖維交叉點(diǎn)處；由于氣流的驅(qū)動(dòng)力超過吸附能量，聚結(jié)的液滴隨后從纖維中釋放出來；在液體表面張力作用下小液滴聚結(jié)成較大尺寸液滴，在重力作用下，大尺寸液滴沉降至容器底部。經(jīng)過表面處理的濾芯能夠使液滴釋放和排出過程快速進(jìn)行，同時(shí)增加纖維上的聚結(jié)點(diǎn)，與表面未處理的濾芯相比能處理更大液相負(fù)荷的氣流。

1.2 聚結(jié)濾芯

研究發(fā)現(xiàn)，不同尺寸的液滴聚結(jié)機(jī)理不同，使用的聚結(jié)材料亦不同[10-12]，如圖2所示。聚結(jié)器主要基于直接攔截和過濾攔截原理，故玻璃纖維由于其可用性和低成本成為聚結(jié)濾芯常用的介質(zhì)。聚結(jié)濾芯主要選用經(jīng)過表面處理的玻璃纖維或者聚酯纖維作為聚結(jié)介質(zhì)，濾材結(jié)構(gòu)通過特殊設(shè)計(jì)，保證過濾介質(zhì)具有良好的聚結(jié)性能。

圖2 不同液滴尺寸與所使用材料范圍Fig.2 Different size of droplets and corresponding material range

不同廠家的濾芯規(guī)格不同。常見的濾芯外徑有3.5、 4.5、 6 in， 長 度 有 16、 18、 20、 32、 36、40、72 in，濾芯骨架材質(zhì)常為不銹鋼及碳鋼。

2 選型計(jì)算

2.1 計(jì)算公式

氣液聚結(jié)器的選型計(jì)算[9，12，13]主要涉及表觀濾速、環(huán)形速度和系統(tǒng)壓降3個(gè)參數(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓降一般為 13.8～34.5 kPa（2～5 lb/in2），可通過增加濾芯降低系統(tǒng)壓降。通常，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行壓差達(dá)到103.4 kPa（15 lb/in2）時(shí)，應(yīng)更換濾芯。

2.1.1 表觀濾速

表觀濾速是指實(shí)際氣體流過濾芯表面的速度。最大表觀濾速與特定聚結(jié)器固有特性和系統(tǒng)的物理參數(shù)有關(guān)。計(jì)算公式為

式中：υmed為表觀濾速，m/s；N為濾芯數(shù)量；Qa為操作條件下的氣相實(shí)際流量，m3/s； Amed為單個(gè)濾芯的介質(zhì)表面積，m2；Rc為單個(gè)濾芯的介質(zhì)端蓋半徑，m；Lmed為單個(gè)濾芯的長度，m。

根據(jù)SY/T 6883—2012《輸氣管道工程過濾分離設(shè)備規(guī)范》[14]的要求，氣液聚結(jié)器濾芯的表觀濾速不應(yīng)大于0.06 m/s。

2.1.2 環(huán)形速度

環(huán)形速度是指實(shí)際氣體流過筒體截面環(huán)形區(qū)域的速度。計(jì)算公式為

式中：υann為環(huán)形速度，m/s； Aann為筒體截面環(huán)形區(qū)域面積，m2；Rh為筒體半徑，m。

聚結(jié)器頂部最大環(huán)形速度υann(max)與臨界速度（液滴終端沉降速度，即穩(wěn)態(tài)沉降速度）和液滴所處位置有關(guān)。對(duì)于沒有經(jīng)過表面處理的濾芯，最大環(huán)形速度等于臨界速度；對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行過表面處理的濾芯，最大環(huán)形速度等于3.1倍臨界速度[9]。

液滴終端沉降速度可根據(jù)重力沉降原則計(jì)算[15]。對(duì)于一定大小的液滴，當(dāng)氣體流速大于終端沉降速度時(shí)，液滴被帶出沉降區(qū)而不能被分離除去。終端沉降速度計(jì)算公式為

式中：υt為液滴終端沉降速度，m/s； g為重力加速度，m/s2；Dp為液滴直徑，m； ρl為操作條件下的液相密度，kg/m3； ρg為操作條件下的氣相密度，kg/m3； μg為操作條件下的氣相黏度，mPa·s；C′為阻力系數(shù)，無量綱。

最小的筒體半徑可根據(jù)最大環(huán)形速度得出，計(jì)算公式為

式中：N為濾芯數(shù)量；Dh為筒體直徑，m；Rc為單個(gè)濾芯的介質(zhì)端蓋半徑，m；υann(m ax)為最大環(huán)形速度，m/s。

一般而言，經(jīng)濟(jì)的聚結(jié)器長徑比值按3～5考慮。

2.1.3 系統(tǒng)壓降

聚結(jié)器系統(tǒng)壓降由氣流突然膨脹和收縮引起的慣性損失和濾芯的黏性損失構(gòu)成[16]，主要由以下幾項(xiàng)組成：

（1）入口管嘴到入口沉降段的膨脹壓力損失。

（2）入口沉降段到濾芯管板的收縮壓力損失。

（3）濾芯管板到濾芯中心孔的膨脹壓力損失。

（4）通過濾芯介質(zhì)的膨脹壓力損失。

（5）流入濾芯環(huán)形中間的收縮壓力損失。

（6）濾芯環(huán)形中間到聚結(jié)器腔體膨脹壓力損失。

（7）聚結(jié)器出口管嘴的收縮壓力損失。

式中：Δp為系統(tǒng)壓降，Pa； μg為操作條件下的氣相黏度，mPa·s； υmed為表觀濾速，m/s； υg為小截面上氣體速度，m/s；ke為膨脹壓降系數(shù)，無量綱；kc為收縮壓降系數(shù)，無量綱；km為介質(zhì)壓降系數(shù)[17]，與濾芯和液滴性質(zhì)有關(guān)，103m-1； Al為大截面面積，m2； As為小截面面積，m2。

2.2 計(jì)算步驟

氣液聚結(jié)器尺寸估算流程見圖3，具體步驟如下：

圖3 氣液聚結(jié)器尺寸估算流程圖Fig.3 Estimation flow of gas-liquid coalescer size

（1）輸入入口流體參數(shù)，包括操作條件下的實(shí)際流量、脫除的液滴直徑、氣相密度、液滴密度、氣相黏度、重力加速度。

（2）計(jì)算液滴終端沉降速度。

（3）輸入濾芯參數(shù)，根據(jù)初選的濾芯，輸入濾芯長度、濾芯直徑。

（4）假定筒體直徑，設(shè)置濾芯數(shù)量，計(jì)算表觀濾速和環(huán)形速度。

（5）對(duì)表觀濾速和環(huán)形速度設(shè)定值，當(dāng)不滿足要求時(shí)，增加濾芯根數(shù)。

（6）計(jì)算筒體最小直徑，放大圓整。

（7）計(jì)算系統(tǒng)壓降，當(dāng)系統(tǒng)壓降不滿足設(shè)定值時(shí)，調(diào)整假定筒體直徑，重復(fù)步驟（2）～（6），直到收斂為止。

3 工程實(shí)例計(jì)算

某氣田項(xiàng)目增壓工程，設(shè)置往復(fù)式壓縮機(jī)，配置潤滑油立式氣液聚結(jié)器，用于脫出壓縮機(jī)出口氣流中油滴。已知?dú)怏w流量為80×104m3/d（標(biāo)況），操作壓力為7.5 MPa（G），操作溫度為50℃，操作狀態(tài)下氣相密度為57 kg/m3，氣相黏度為0.02 mPa·s，聚結(jié)后脫出的液滴大小為500 μm。

根據(jù)制造廠家對(duì)本工況的反饋，濾芯壓降可取5 kPa。經(jīng)計(jì)算可得，選用4根外徑為6 in（1 in=25.4 mm）濾芯，濾芯長度為40 in，殼體大小為DN700 mm×2100 mm，系統(tǒng)壓降為5.6 kPa，滿足氣液聚結(jié)器的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

濾芯的性能決定著氣液聚結(jié)器的聚結(jié)效果，制造廠家通過大量的實(shí)驗(yàn)掌握了不同濾芯的性能和氣液聚結(jié)器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地選型計(jì)算須依托于制造廠家。本文的計(jì)算方法闡釋了制造廠家設(shè)計(jì)選型的思路和步驟，適用于工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)各階段立式氣液聚結(jié)器尺寸的初步估算。