天然气系统相关设备——分离设备简易版

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天然气储运系统用分离设备主要用来除去天然气中悬浮的固、液相杂质。

脱除固、液相杂质的目的是降低管道及设备的输送负荷、防止或降低腐蚀或堵塞的发生、保证管道与设备安全可靠运行。

其中固态杂质主要是由气层中夹带出来的少量地层岩屑等杂物和设备管道中产生的腐蚀产物，而分离的主要对象是液相杂质，如地层水、凝析油等，因而天然气储运系统用的分离设备主要是气液分离设备。

天然气储运系统中所使用的分离器种类繁多，但按其作用原理主要可分为两大类，即重力分离器和旋风分离器。

其他类型的分离器有螺道式分离器、百叶窗式分离器、过滤分离器等。

一、重力分离器重力式分离器有各种各样的结构形式，但其主要分离作用都是利用天然气和被分离物质的密度差(即重力场中的重度差)来实现的，因而叫做重力式分离器。

重力式分离器根据功能可分为两相分离(气液分离)和三相分离(油气水分离)两种。

按流体流动方向和安装形式又可分为立式分离器、卧式分离器等。

1. 两相分离器(1) 立式分离器立式重力分离器的主体为一立式圆筒体，气流一般从该筒体的中段进入，顶部为气流出口，底部为液体出口，结构与分离作用如图5-1。

初级分离段——即气流入口处，气流进入简体后，由于气流速度突然降低，成股状的液体或大的液滴由于重力作用被分离出来直接沉降到积液段。

为了提高初级分离的效果，常在气液入口处增设入口挡板或采用切线入口方式。

二级分离段——即沉降段，经初级分离后的天然气流携带着较小的液滴向气流出口以较低的流速向上流动。

此时，由于重力的作用，液滴则向下沉降与气流分离。

本段的分离效率取决于气体和液体的特性、液滴尺寸及气流的平均流速与扰动程度。

积液段——本段主要收集液体。

一般积液段还应有足够的容积，以保证溶解在液体中的气体能脱离液体而进入气相。

对三相分离器而言，积液段也是油水分离段。

分离器的液体排放控制系统也是积液段的主要内容。

为了防止排液时的气体旋涡，除了保留一段液封外，也常在排液口上方设置挡板类的破旋装置。

除雾段一主要设置在紧靠气体流出口前，用于捕集沉降段未能分离出来的较小液滴(10～100μm)。

微小液滴在此发生碰撞、凝聚，最后结合成较大液滴下沉至积液段。

立式重力分离器占地面积小，易于清除筒体内污物，便于实现排污与液位自动控制，适于处理较大含液量的气体。

但单位处理量成本高于卧式。

(2) 卧式分离器卧式重力式分离器的主体为一卧式圆筒体，气流从一端进入，自另一端流出，其作用原理与立式分离器大致相同，由图5-2所示，可分为下列部分。

入口初级分离段——可具有不同的入口形式，其目的也在于对气体进行初级分离。

除了入口挡板外，有的在入口内增设一个小内旋器，即在入口对气-液进行一次旋风分离。

沉降二级分离段——此段也是气体与液滴实现重力分离的主体。

在立式重力分离器的沉降段内，气流一般向上流动，而液滴向下运动，两者方向完全相反，因而气流对液滴下降的阻力较大，而卧式重力分离器的沉降段内，气流水平流动与液滴下降成90°夹角，因而对液滴下降阻力小于立式重力分离器，通过计算可知卧式重力分离器的气体处理能力比同直径立式重力分离器的气体处理能力大。

除雾段——此段可设置在简体内，也可设置在简体上部紧接气流出口处，除雾段除设置纤维或金属网丝外，也可采用专门的除雾芯子。

液体储存段(积液段)——此段设计常需考虑液体必须的在分离器内的停留时间，一般储存高度按D/2考虑。

泥沙储存段——这段实际上在积液段下部，主要是由于在水平筒体的底部，泥砂等污物有45°～60°的静止角，因排污比立式分离器困难，有时此段需增设两个以下的排污口。

卧式重力分离器和立式分离器相比，具有处理能力较大、安装方便和单位处理量成本低等优点。

但也有占地面积大、液体控制比较困难和不易排污等缺点。

2. 三相分离器(1)立式分离器图5-3表示一个典型的立式三相分离器结构。

流体经过侧面的入口进入分离器，在进口挡板处，流体分离出大量气体。

分离出的液体经降液管输送到油气界面处而不影响撇沫。

连通管上下的压力通过连通管平衡。

油气水混合物经降液管出口处的分配器进入油水界面，气体从此处上升，油水也由于重力的原因分别向上向下运动从而最终达到分离油气水的目的。

有时三相分离器的底部也有采用锥形底的。

如果在生产中有较多量的砂粒时就可以使用这种结构。

锥体通常具有一个与水平线成45°和60°角度以有助于产出的砂子抵抗静止角达到排污的目的。

(2) 卧式三相分离式图5-4为卧式的带有界面控制器和堰板的典型卧式分离器的示意图。

流体进入分离器，并冲击到进口挡板上。

由于液流的动量突然变化，就产生液体和气体的初始预分离，进口挡板包括一个降液器，将液流导向油气界面的下边，到达油水界面的附近。

分离器的液体收集段提供足够的时间，以便油和乳化形成的液层或油垫层位于上面，游离水沉降到底部。

堰板保持水位。

油则掠过堰板，堰板下游的油位则由液位控制器来控制。

拍油阀又由液位控制器来操纵。

废水经过位于分离器油堰板上游的的喷嘴流出。

界面控制器接受油水界面高度的讯号，然后控制器就将此讯号传送到排水阀，这样就使规定的水量从分离器内流走以保持油水界面稳定在设计的高度。

气体成水平方向流经除雾器而流出，通过压力控制阀来保持分离器内的压力不变。

油气界面则根据气液分离的相对重要性可从直径的一半变到直径的75%。

最为常见的情况是半满状态。

图5-5表示“槽和堰”设计的代替结构，这种结构就不需要液体界面控制器，油和水二者流经堰板；在堰板处液位的控制，是用简单的变位浮子来实现的。

油溢过堰板，进到油槽内。

而油槽内的液位是由一个能操纵放油阀的液位控制器来控制。

水从油槽下面流过，然后再流过水堰板，这个堰板下的液位是由一个能操纵放水阀的液位控制器来控制。

二、旋风分离器旋风分离器又叫离心分离器，由筒体、锥形管、螺纹叶片、中心管和集液包等组成，如图5-6所示。

旋风分离器的主要特点是气体和被分离液体沿分离器筒体壁切线方向以一定速度进入分离器，并沿简体内壁作旋转运动。

由于被分离液滴的密度远大于气体，因而液滴在此旋转运动中被抛向筒体壁，并附着在筒体壁上，聚集成较大液滴而沿筒体壁向下流动，最后流入分离器的集流段而被排放出去。

旋风分离器体积小，效率高，但它的分离效果对流速很敏感，因而一般要求旋风分离器的处理负荷应相对稳定，这就限制了旋风分离器的使用范围。

三、循环分离器常用的旋风分离器经过改进后发展成循环分离器，如图5-7所示。

它分为两个有效分离段。

第一段，所有自由液滴即大部分夹带在气体中的液体靠离心力使其抛出。

第二段，夹在气体中的少量液体采用加大离心力的方法使其抛出。

这种分离器也叫内流式循环分离器，此处内流即向心流，指的是全部气流流向中央，如同在旋涡中心那样。

流体通过切向接管进入分离器，气流沿着入口室旋转，然后它沿着光滑套筒与外壳之间下移进入旋流室。

液体借离心作用被甩到旋流室壁上。

仍在旋转的气体经折流挡板向管中心汇聚，其速度增加并进入排气管。

此时残存的快速气旋中的液体抛向排气管内壁，并沿着壁被气体吹向气体出口。

然后此液体连同总气量约10%的气体支流，通过管壁上的空隙被吸出，进入循环管线后由挡板的中心孔返回进入旋流室。

其吸力来自于旋涡中心的低压区。

从循环管线来的液体和测流气体进入旋流室后，立即与快速旋转着气体相混合，液体再次被抛向管壁，此时已脱液的主气流继续向上，越过缝口从排气管排出。

四、组合离心式分离器组合离心式分离器如图5-8所示。

带液体的气体进入分离器后首先进行一级分离，经旋流发生器产生离心力，将液滴甩向器壁并在器壁处积聚。

液滴在重力作用和气体向下运动的带动下，流入一级储液室，然后气体沿环形空间向上流，进入螺道进行一级分离。

气体经螺道产生的高速旋流，将剩余的液沫有效地脱除。

分离出的液沫在器壁处聚积并下流至二级储液室。

液体中挟带的微量气体经文丘里-伯诺利管嘴返回气体出口管。

这种分离器的分离效率可达99%，能在较宽的操作压力和流量范围内进行有效的分离。

气液两相无反向流动，可防止液体的再飞散。

一、二级分离出的液体分段聚集和排出，避免了因两级的压差而导致的液体串流飞溅，而且这种分离器体积较小。

五、过滤分离器它主要由圆筒形玻璃过滤元件和不锈钢金属丝除雾网组成，如图5-9所示。

过滤分离器是一分成两级的压力容器。

第一级装有一可换的玻璃纤维膜滤芯(管状)，该滤芯安装在几根焊接在管板上的支座上，而管板则分隔一、二级分离室，设有一块快开封头，以便安装与更换滤芯。

第二级分离室装有金属丝网(或叶片式)的高效液体分离装置。

在容器上设有三个测压管嘴。

一个设置在第一级上，另两个设在第二级上，即在分离装置之前和其后。

或者在一、二级分离室各设一个，在原料气的进出管上各设一个测压管嘴。

压力降是操作者唯一的指示，为了便于清洗或更换过滤元件，一般在容器上装设一只精密差压计。

要过滤的气体进入一级分离室的容器内，大于或者等于10μm的固体与游离液滴，不能进入滤芯，而留在滤芯外，这些液滴聚集在一起排至容器的底部，并由排液管进入储液罐。

有些固体颗粒仍留在滤芯外边形成一种滤饼。

操作期间由于气流的脉动，这种滤饼常堆积并碎落到容器底部。

留在滤芯上的固体会堆积起来提高压力降，故一级分离室需要放空(达到规定的压力降时)进行清扫，以提高其效率。

玻璃纤维过滤元件属于深层过滤。

气体中的固体微粒和液滴在流过过滤层弯弯曲曲的通道时，不断与玻璃纤维发生碰撞，每次碰撞都要降低其动能，当动能降低到一定值时，所有大于或者等于1μm的固体微粒就黏附在玻璃纤维的过滤层中，滞留在玻璃纤维中的固体微粒的粒径随着过滤层的深度逐渐减小。

而气体中的液滴也会逐渐聚集成较大的液滴，这是由于玻璃纤维和粘接剂(酚甲醛)之间存在有电化学相溶性，提供了微小液滴聚结成大液滴的有利条件。

随着更多的液滴被分离，液滴因其表面相互吸引而凝聚和结合成大的液滴，当这些聚集起来的液滴比进入过滤层前增大100～200倍时，重力与气体通过过滤层摩擦阻力使这些液滴流出过滤层，进入滤芯的中心，而被带进容器的第二级。