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46 机电与自动控制 黄 金 GOLD 2020 年第 5 期／ 第 41 卷 正压高效气液分离器设计与应用 收稿日期 2019 － 10 － 09；修回日期 2019 － 12 － 30 作者简介 丁 成（ 1986） ， 男， 吉林松原人， 高级工程师， 硕士研究生， 从事机械工程设备研发及应用相关工作； 长春市南湖大路 6760 号， 长春黄 金研究院有限公司环境保护研究所， 130012； E- mail 407317175＠qq. com 丁 成， 高飞翔， 楚金澄 （ 长春黄金研究院有限公司） 摘要 工业生产中， 需要采用气液分离器对气液混合介质进行分离， 以实现气液混合介质净化 回收或无害化处理的目的。详细介绍了气液分离的工作原理及不同类型气液分离器的优缺点和正 压高效气液分离器的结构设计方案、 工作方式、 参数选型， 以及其分离特性。工程应用表明 正压高 效气液分离器分离效率较高， 处理能力大， 设备占地面积小， 安装维护方便， 可进行推广应用。 关键词 正压高效； 气液分离器； 工作原理； 结构方案； 分离效率 中图分类号 TD4文献标志码 A开放科学（ 资源服务） 标识码（ OSID） 文章编号 1001 － 1277（ 2020） 05 － 0046 － 05doi 10. 11792／ hj20200509 引 言 工业生产实践中气液混合介质中常含有大量的 有毒有害气体， 这些有害物质会腐蚀设备、 管道、 仪器 仪表等， 需要对气液混合介质进行无害化处理， 清除 液体中的有害物质。此外， 有些气液混合介质中存在 有价值的工艺液体需要回收利用。因此， 为了完成气 体净化或液体回收， 需要对气液混合介质进行分离。 气液混合介质分离技术广泛应用于石油、 化工， 天然 气开采、 加工， 柴油加氢尾气回收［ 1 － 2］， 湿法脱硫， 烟 气余热利用， 湿法除尘［ 3］及发酵工程等。气液分离 的方法和设备很多， 分离设备工作原理不同其结构也 不同， 主要区别有 ①进料、 出料的方式不同， 包括底 部进气、 顶部出气， 侧面进气、 顶部出气， 侧面进气、 侧 面出气； ②分离器的筒体有圆柱立式和圆柱卧式， 以 圆柱立式为主； ③根据工艺分离介质不同有气液固三 相分离和气液两相分离。不同的设备结构根据使用 工艺不同有不同的优势， 应根据不同的应用目的选择 不同类型的设备。 目前， 应用较为广泛的气液分离设备主要有以下 3 类 ①净化分离器。分离气体中无用或有害的液 体， 有害的液体减少不仅降低了净化气体使用成本而 且降低了液体的危害程度。②工艺介质分离器。利 用工艺介质气液两相性质不同来循环运行， 如果气液 混合在一起， 会导致整个系统的运行质量和效率下 降。③产品分离器。把混合在原料气中的液态产品 或气态产品分离出来， 若不能进行气液分离， 则无法 获得产品。现有气液分离器通用性均有一定局限性， 如何实现高效分离， 增强设备通用性是未来发展研究 的重点。 1 气液分离器工作原理 气液分离器的结构形式因工艺需求的不同而多 种多样， 但其分离原理只有 2 种 一种是利用分离介 质的组分质量（ 重量） 的不同， 对混合物进行分离， 如 重力沉降、 折流分离、 离心力分离、 填料分离等， 由于 气体与液体的密度不同， 因此相同体积下气体的质量 比液体的质量小； 另一种是利用分散系粒子大小不同 对混合物进行分离， 如丝网过滤分离、 微孔过滤分离 等， 液体的分子聚集状态与气体的分子聚集状态不 同， 气体分子距离较远， 而液体分子距离要近得多， 所 以液体粒子比气体粒子大［ 4 － 5］。根据分离效率高低 对比可知， 微孔过滤分离优于丝网过滤分离， 丝网过 滤分离优于填料分离， 然后依次是离心力分离、 折流 分离、 重力沉降， 分离效率越高， 设备结构相对越复 杂， 成本相对较高。 1. 1 重力沉降 分离液体颗粒大于 200 μ m 时， 利用液体与气体 的重量不同达到分离的目的。结构设计制作简单， 阻 力小， 但分离效率较差， 气体流速受限， 相对较慢， 所 以设备设计横截面积较大， 体积较大。重力沉降气液 分离器结构见图 1。 1. 2 折流分离 气体与液体的密度不同， 液体的密度大、 惯性大， 气液混合介质遇折流板发生碰撞， 液体折流板着壁实 现分离。相比重力沉降分离设备体积小， 工作稳定， 但分离负荷范围相对窄。气体流速过慢， 液体的惯性 过小， 无法与折流板产生碰撞分离。气体流速过快会 万方数据 2020 年第 5 期／ 第 41 卷 机电与自动控制 47 图 1 重力沉降气液分离器结构示意图 把已经碰撞着壁的液体重新带走， 且液体与折流板在 碰撞碎化过程中会产生更细的液滴， 分离效果变差。 折流气液分离器结构见图 2。 图 2 折流气液分离器结构示意图 1. 3 离心力分离 离心力分离适用于正压供风系统， 需要保证进气 口的进气速度， 由于气液混合体旋转流动时， 液体受 到的离心力大于气体所受的离心力， 因此液体首先与 筒体壁面产生碰撞并附着在筒体壁面， 然后在重力的 作用下完成分离。离心力气液分离器结构见图 3。 设备体积更小， 工作稳定。气体流速过慢， 液态所受 离心力影响过小， 液体无法与筒壁产生碰撞导致气液 无法分离。气体流速过快会把已经碰撞着壁的液体 重新带走。 1. 4 填料分离 依靠液体的惯性， 使其与填料产生碰撞从而实现 分离。填料气液分离器结构见图 4。由于填料量大， 阻挡收集表面积在单位体积内较大， 而且多次不规则 反复折流， 液体更容易着壁； 结构简单， 但分离负荷范 围比离心力分离更窄， 气阻较大。在气液比一定的情 况下， 气液混合介质流速越大， 单位时间内分离负荷 越大， 气液混合介质在分离器内停留的时间越短。气 体在折流的同时推动着已经着壁的液体向上流动， 气 体流量太大或流速太快， 会导致液体下流不畅， 气体 图 3 离心力气液分离器结构示意图 的流通面积逐渐减小， 已经着壁的液体很容易被气体 重新带走形成液泛。填料材质不同， 则液体润湿性能 不同， 分离性能不同， 其表面的润湿性能越低越有利 于液体向下流动， 有利于介质分离。 图 4 填料气液分离器结构示意图 1. 5 丝网过滤分离 气体与液体的微粒大小不同， 液体的分子聚集状 态与气体的分子聚集状态不同， 气体分子距离较远， 而液体分子距离要近得多， 液体与气体混合一起流动 通过丝网时， 气体通过丝网而液体被拦截。丝网过滤 气液分离器结构见图 5。阻挡收集表面积在单位体 积内相对填料分离大很多， 分离负荷范围更窄。气体 流速过高， 聚集的液滴无法从丝网上落下， 造成液泛， 被捕集的液滴飞溅起被气体携带走。气体流速过低， 气体夹带的雾沫未与丝网碰撞就随着气流通过丝网 而被带走。液气比太大， 会造成丝网间气体的流通面 积减少， 从而导致气体流速越来越快， 造成液泛。不 同材质的丝网表面的润湿性能越低， 越有利于液体向 下流动， 有利于介质分离。 万方数据 48 机电与自动控制 黄 金 图 5 丝网过滤气液分离器结构示意图 1. 6 微孔过滤分离 气体与液体的微粒大小不同， 液体与气体混合通 过微孔过滤， 气体通过而液体被拦截， 从而达到分离 的目的。微孔过滤气液分离器结构见图 6。微孔过 滤气液分离器的筛分作用实现了真正意义的筛分分 离， 微孔直径一般在 50 μ m 以下， 大于微孔直径的液 体微粒均不能通过。相对于丝网过滤， 微孔过滤分离 器的阻挡收集表面积在单位体积内极大， 折流次数和 筛分次数在单位体积内更多， 分离效率更高； 而且体 积比丝网过滤气液分离器小。但是， 如果液气比太 大， 容易发生液阻现象， 阻力急剧上升。 图 6 微孔过滤气液分离器结构示意图 气液分离器应用的目的是实现气液分离， 但实际 上分离效率达不到 100 ％， 根据实际情况选择不同的 气液分离器。重力沉降分离适用于分离要求比较低 的情况， 普通的折流分离（ 挡板分离） 或普通的离心 力分离（ 旋流分离） 适用于分离要求一般的情况， 离 心力分离和填料分离适用于分离要求较高的情况， 丝 网过滤分离适用于分离要求高的情况， 微孔过滤分离 适用于分离要求很高的情况［ 5］。气液分离器分离效 率的选择跟待分离的液体物性有关， 如果液体黏度 大， 分子间作用力强， 相对来说容易分离， 所以油水分 离器一般分离极数比水分离器低。同样的分离要求， 较黏液体分离器的分离方式在上述顺序中可以降低 一档。但是， 较黏液体存在的问题在于液体下流时间 较长。 2 正压高效气液分离器设计 气液分离器在工业生产系统中有 2 种动力源的 作用方式 一种是正压条件下将系统中的气液混合体 高速送进气液分离器进行气液分离； 另一种是负压条 件下将系统中的气液混合体低速引入气液分离器进 行气液分离。负压引风应用较为普遍， 常用的重力沉 降、 折流分离、 丝网过滤分离和微孔过滤分离结构均 可采用负压引风的方式进行气液分离， 其工作过程气 速低， 气阻小， 设备承压小， 有毒有害气体泄漏的概率 小； 但对于气液处理量较大， 在含水率较高的工况环 境下， 正压供风的复合式高效气液分离器具有较好的 应用前景。例如 离心力分离需要正压供风， 以保证 进口物料初始速度， 使物料进入分离器前可以形成旋 流离心状态。 2. 1 结 构 本文设计的正压高效气液分离器是在正压供风 条件下集离心力分离 －重力沉降 －丝网过滤分离等 多种分离方法于一体， 通过离心、 降速、 凝聚等原理达 到气液分离的一种高效气液分离器。该分离器的目 的是为了解决工业生产中单独的离心力分离与丝网 过滤分离效率低， 设备结构庞大的问题。 正压高效气液分离器由气液进口、 旋流分离锥、 垂直连接板、 外壳体、 折流收集板、 丝网分离骨架、 丝 网分离器、 气体出口、 液体排口、 支腿等构成（ 见 图 7） 。其中， 上下封头与圆柱形筒体外壳内部通过 多个垂直连接板与旋流分离锥体连接； 旋流分离锥下 部一定距离设置折流收集板， 旋流分离锥与折流收集 板之间形成二次气液分离区， 折流收集板与外壳体之 间形成集液区， 旋流分离锥上部一段距离设置有丝网 分离骨架， 旋流分离锥与丝网分离骨架之间为气液降 速区， 再次重力分离， 丝网分离骨架上设置丝网分离 器； 外壳体顶部设置有气体出口， 底部设置有液体排 口、 支腿； 外壳体与旋流分离锥为同心布置， 气液进口 贯穿外壳体与旋流分离锥切线连接； 折流收集板上设 置有折流面和液体汇集口。 2. 2 工作过程 气液分离过程通常分为 3 个阶段 第一阶段为预 万方数据 2020 年第 5 期／ 第 41 卷 机电与自动控制 49 1气液进口 2旋流分离锥 3垂直连接板 4外壳体 5折流收集板 6丝网分离骨架 7丝网分离器 8气体出口 9液体排口 10支腿 11折流面 12液体汇集口 图 7 正压高效气液分离器结构示意图 分离， 即保证介质的初始速度， 利用气体中所夹带液 体的动量使大的液滴与入口切线进入， 在离心力的作 用下液体与气体分开， 液体与导流挡板碰撞， 然后利 用液滴自重进行沉降， 从而将气液分成以气体为主和 以液体为主的 2 个部分； 第二阶段为二次分离， 即气 体中较小液滴利用重力、 折流等方法分离； 第三阶段 为除雾， 小的液滴在捕雾器处聚集成较大的液滴， 然 后依靠重力实现气液分离。 正压高效气液分离器的气液混合体通过气液进 口切线给入旋流分离锥， 在上大下小的分离锥作用 下， 气液混合体沿着旋流分离锥内壁旋流向上螺旋运 动， 在离心力与重力的作用下， 气体向上流， 部分液体 紧贴内壁向上运动达到旋流分离锥顶部后， 离心力作 用使其进入旋流分离锥体与外壳体之间， 然后通过旋 流分离锥外壁或外壳体内壁向下落回折流收集板； 部 分液体向下流动， 在旋流分离锥内壁落回折流收集 板， 折流收集板上收集的液体通过液体汇集口进入外 壳体集液区。旋流向上未完全分离的气液混合体到 达降速区实现速度降低， 液体在重力作用下向下落， 而气体向上流动， 进入丝网分离器再次分离， 气体从 顶部出口排出， 气体中的少量液体由于重力作用返回 装置底部折流收集板。离心分离后液体中含有的少 量气体在经过底部折流收集板时实现折流分离， 通过 上部气孔排出。 2. 3 参数确定 2. 3. 1 气体流速 分离器分离锥气体流速是影响分离效率的重要 因素之一。如果气体流速太大容易形成液泛状态； 如 果气体流速太低， 由于达不到湍流状态而降低分离效 率［ 6 － 7］。气体流速对分离效率的影响见图 8。 vG与丝网自由横截面积相关的气体流速（ m／ s） vGmax最大气体流速（ m／ s） 图 8 分离效率与气体速度的关系 气体流速的计算方法见式（ 1） 。 vG＝ KG ρ L－ ρG ρ G 0. 5 （ 1） 式中 ρ L、 ρG分别为液体和气体的密度（ kg／ m 3） ； K G为 常数， 通常取 0. 107； 分离液滴直径 d ＝200 μ m 时， KG＝ 0. 051 2；分离液滴直径 d ＝350 μ m 时， KG＝ 0. 067 5。 经计算 vG＝ 2. 974 m／ s。实际的气液混合介质 流动状态与假设值有较大的差异， 从而导致计算结果 不够确切。因此， 近似估算法只适用于初步计算。 2. 3. 2 尺寸设计 1） 分离器分离锥直径为 DG＝ 0. 018 8 VG v G 0. 5 （ 2） 式中 DG为分离器分离锥直径（ m） ； VG为分离气体 体积流量（ m3／ h） 。 经计算 DG＝ 0. 767 m。 2） 分离器总体高度（ h） 。h ＝ 3D（ D 为分离器直 径， m） ， 分离器总体高度（ 指设备的圆柱体部分） 包括 气液分离高度、 气体空间高度和液体高度。低液位和 高液位之间的距离由式（ 3） 计算。 HL＝ QLt 47. 1D2 （ 3） 式中 HL为低液位和高液位之间的距离（ m） ； QL为 液体流量（ m3／ h） ； t 为停留时间（ min） 。 液体的停留时间（ 以分计） 用邻近控制点之间的 停留时间来表示， 停留时间应根据工艺操作要求确定。 3） 接管入口管径。两相混合物的接管入口直径 应符合下式［ 6 － 7］要求。 ρ Gv 2 GL＜ 1 500 Pa （ 4） Dp＞ 3. 02 10 － 3（ V L＋VG） 0. 5ρ G 0. 25 （ 5） 式中 vGL为接管内两相流速（ m／ s） ； Dp为接管入口直 径（ m） ； VL为液体体积流量（ m3／ h） 。 万方数据 50 机电与自动控制 黄 金 4） 气体进出口管径。气体管路进出口管径取值 为 0. 20D ～ 0. 25D。气体进出口流速取决于气体密 度， 当气体密度小时， 最大气体流速 vGmax≈20 m／ s。 当气体密度大时， 选用较小的气体流速。 5） 液体出口管径。液体出口接管可以用小于等 于 1 m／ s 的流速来设计。 6） 内筒直径。其值取 0. 5D ～ 0. 8D。 3 工业应用 正压高效气液分离器主要应用于工艺介质分离 和产品分离， 其能够保证整个工艺系统的运行质量和 运行效率， 可以分离气液混合介质， 实现其中产品的 制备。例如 黄金行业酸化法处理含氰废水废渣， 3R － O吹脱产生的氰化氢气体带有大量的酸性液体， 在进入碱液吸收塔前通过正压高效分离器分离， 实现 酸液与氰化氢气体分离， 有害酸液回到上级处理器， 氰化氢气体进入碱液吸收塔形成产品。 烟台某贵金属材料制备系统湿法溶金过程产生 大量烟气， 该烟气需要进入干式高效尾气处理装置进 行无害化环保处理， 但烟气含有一定量液体， 为防止 液体进入干式高效尾气处理装置导致干式药剂失效， 需要在干式高效尾气处理装置前进行气液分离处理。 因此， 应用 DN800 mm 2 200 mm 型正压高效气液分 离器（ 见图 9） 对该贵金属材料制备系统湿法溶金过 程中产生的烟气进行气液分离。其工作参数为 处理 风量 1 500 m3／ h， 内筒直径 600 mm， 气体管路进出口 管径200 mm， 气体进出口最大气流流速 13 m／ s， 材质 304 不锈钢。实践表明 设备运行稳定， 无明显风阻 振动， 无明显腐蚀， 气液分离效果明显。 4 结 语 正压高效气液分离器采用集离心力分离 －重力 沉降 － 丝网过滤分离多种分离方法于一体的气液分 离设计。 采用侧进上出的进出料方式和无导流旋流 图9 DN800 mm 2 200 mm 型正压高效气液分离器 板的上行离心式内筒分离， 通过离心、 降速、 凝聚等原 理达到气液分离的目的。该分离器的应用解决了传 统单一的重力式气液分离器处理量大、 分离效率低， 折流分离和离心力分离效率有所提高但处理量较小， 过滤分离成本高的问题； 实现了连续分离。其阻挡收 集表面积在单位体积内较大， 分离负荷范围较宽， 因 此分离效率相对较高， 处理能力大， 设备体积相对合 理， 占地小， 安装维护方便， 可广泛应用于工艺介质分 离和产品分离。 ［ 参 考 文 献］ ［ 1］ 李大明， 兰明安. 超滤技术在高效气液分离领域中的应用［ C］ ∥ 中国动力工程学会. 膜分离技术在工业气体生产中的应用技术 交流会论文集. 上海 中国动力工程学会， 1999 76 － 78. ［ 2］ 邓卫平， 吴德飞. 加氢装置气液分离器的研制［ J］ . 石油化工设 备技术， 2005， 26（ 3） 6 － 11. ［ 3］ 朱玉琴， 曹子栋， 唐强. 小直径水滴分离特性的实验研究［ J］ . 锅炉 技术， 2005， 36（ 3） 17 － 21. ［ 4］ 高根树. 高效离心除雾技术的设计与实践［ J］ . 石油化工设备， 2008（ 12） 10 － 12. ［ 5］ 李来君. 高压高效气液分离器的应用研究［ D］ . 西安 西安石油 大学， 2014 11， 25. ［ 6］ 中华人民共和国化学工业部. 工艺系统工程设计技术规定 国 际通用设计体制和方法 HG／ T 2057095［ S］ . 北京 中国标准 出版社， 1996. ［ 7］ 冯宇. 气液分离器设计计算［ J］ . 化工设计， 2011， 21 （ 5） 18 － 25. Design and application of a positive- pressure efficient gas liquid separator Ding Cheng， Gao Feixiang， Chu Jincheng （ Changchun Gold Research Institute Co. , Ltd. ） Abstract An efficient gas liquid separator is needed in industrial application for separcation of gas liquid mixed media so as to purify， recover or detoxify mixed gas liquid media. The paper in detail introduces the working principles of gas liquid separation and the advantages and disadvantages of different gas liquid separators， structural design scheme， working patterns， parameter selection， and the separation characteristics of the positive- pressure efficient gas liquid separators in industry. Industrial application shows that the efficiency is high， the capacity is great， the occupa- tion area is small， the installation and maintenance is convenient for the positive- pressure efficient gas liquid separator. The device is worth promotion. Keywords positive- pressure and efficient； gas liquid separator； working principle； structural scheme； separation efficiency万方数据