气液两相流的分离

气液两相流的分离方法综述摘要：本文从气液两相流分离方法出发，分析了6种最常见的气液分离方法。

研究了各种气液两相流分离方法的原理，介绍了各方法的优缺点及利用这些方法制造出的气液分离器的结构，并介绍了各种分离方法适用的领域，并针对部分方法提出了可能的改进方法。

关键字：气液两相流分离机理气液分离器引言气液两相流的分离主要在气液分离器中进行，而气液分离器采用的分离结构很多,其分离方法主要有6种，分别是：1、重力沉降；2、折流分离；3、离心分离；4、丝网分离；5、超滤分离；6、填料分离等。

但综合起来分离原理只有两种：一、利用组分质量（重量）不同对混合物进行分离（如分离方法1、2、3、6）。

气体与液体的密度不同，相同体积下气体的质量比液体的质量小。

二、利用分散系粒子大小不同对混合物进行分离（如分离方法4、5）。

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，所以气体粒子比液体粒子小些。

下面就每种方法的原理进行介绍。

1.重力沉降1.1 重力沉降原理气液重力沉降分离是利用气液两相的密度差实现两相的重力分离,即液滴所受重力大于其气体的浮力时,液滴将从气相中沉降出来,被分离。

由于气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向，向下的液体附着在壁面上汇聚在一起通过排放管排出。

1.2 重力沉降式气液分离器图1 立式和卧式重力沉降气液分离器简图重力沉降分离器一般有立式和卧式(图1)两类，它结构简单、制造方便、操作弹性大，但操作需要较长的停留时间，分离器体积大，笨重，投资高，分离效果差，只能分离较大液滴，其分离液滴的极限值通常为100μm，主要用于地面天然气开采集输。

1.3 发展现状经过几十年的发展，该项技术已基本成熟。

当前研究的重点是研制高效的内部填料以提高其分离效率。

此类分离器的设计关键在于确定液滴的沉降速度，然后确定分离器的直径。

2.折流分离2.1 折流分离原理折流分离，又称惯性分离，其原理是利用气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，如果遇到阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯性，继续有一个向前的速度，向前的液体附着在阻挡壁面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。

2.2 折流分离器采用折流原理设计的分离器主要指波纹(折)板式除雾(沫)器。

它结构简单、处理量大。

气流速度一般在15～25 m/s，但阻力偏大，且在气体出口处有较大吸力造成二次夹带，对于粒径小于25 μm 的液滴分离效果较差，不适于一些要求较高的场合。

其除液元件是一组金属波纹板，如图2 所示，波纹板间形成“Z”字形气流通道。

其性能指标主要有：液滴去除率、压降和最大允许气流量(不发生再夹带时)，还要考虑是否易发生污垢堵塞。

因为液滴去除的物理机理是惯性碰撞，所以液滴去除率主要受液滴自身惯性的影响。

图2 除雾（沫）器常见板型2.3 折流分离的优缺点折流分离方法重力沉降的方法有以下优缺点：１）分离效率比重力沉降高。

２）体积比重力沉降减小很多，所以折流分离结构可以用在（高）压力容器内。

３）工作稳定。

但考虑到其结构特点，其缺点也很明显：１）分离负荷范围窄，超过气液混合物规定流速后，分离效率急剧下降。

２）阻力比重力沉降大。

它通常用于：①湿法烟气脱硫系统，设在烟气出口处，保证脱硫塔出口处的气流不夹带液滴；②塔设备中，去除离开精馏、吸收、解吸等塔设备的气相中的液滴，保证控制排放、溶剂回收、精制产品和保护设备。

2.4 研究现状2005年杨柳等对除雾器叶片形式作了比较，发现弧形叶片与折板形叶片的除雾效率相近，但弧形除雾器的压降明显小于折板形的，故弧形叶片除雾器的综合性能比折板式除雾器要好。

波纹板除雾器的分离理论和数学模型已经基本成熟，现在对其研究集中在结构优化及操作参数方面来提高脱液效率。

3.离心分离3.1 分离原理离心分离的原理是利用气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，液体受到的离心力大于气体，所以液体有离心分离的倾向，液体附着在分离壁面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。

3.2 4种离心式气液分离器气液离心分离主要是指气液旋流分离，即利用离心力来分离气流中的液滴，因其离心力能达到重力的数十倍甚至更多，所以它比重力分离具有更高的效率。

虽没有过滤分离效率高，但因其具有存留时间短、设备体积及占地面积小、易安装、操作灵活、运行稳定连续、无易损件、维护方便等特点，成为研究最多的气液分离方式。

其主要结构类型有管柱式、螺旋式、旋流板式、轴流式等。

3.21管柱式旋流气液分离器( GLCC)1995年Kouba等将GLCC(图3)用于多相流量计环，经过GLCC分离后的气液两相分别用单相流量计计量，然后再合并，避免了多相流测量中的问题；GLCC 在地面和海上油气分离、井下分离、便携式试井设备、油气泵、多相流量计、天然气输送以及火炬气洗涤等具有巨大的潜在应用。

2002年曹学文等在气液两相旋流分析的基础上，建立了包括了入口分离模型、漩涡模型、气泡及液滴轨迹模型的预测分离性能的机理模型，依据该模型，提出了管柱式旋流分离器工艺设计技术指标和工艺设计步骤。

在欧美陆上及海上油气田开发中已有多个成功应用的实例。

图3 GLCC 分离器结构3.22螺旋片导流式气液分离器(CS)1996年Franca等研制了螺旋片导流式气液旋流分离器，直接在井口将气液进行分离，增加了采油回收率，分离后的气体和液体用不同的管道输送各相，降低了多相流输送时易出现的断续流、堵塞和沉积等典型问题。

它主要用于石油天然气开采中的油气、气液分离，压缩空气的净化处理，航空宇宙中的氦气分离。

尤其在海上、偏远地区油井及远距离油气输送方面具有较广泛的前景。

图4 螺旋结构的三维几何模型图5 螺旋结构体网络2004 年周帼彦等用计算流体力学方法，分别对螺距和螺旋个数各不相同的9个螺旋结构流场进行数值模拟, 通过分析螺旋结构参数对压降的不同影响, 在达西公式的基础上拟合出压降的简化计算公式, 为工程设计提供了一种较准确的设计方法。

3.23旋流板式气液分离器旋流板式气液分离器的主体为一圆柱形筒体，上部和下部均有一段锥体，如图6所示。

在筒体中部放置的锥形旋流板是除液的关键部件。

旋流板由许多按一定仰角倾斜的叶片放置一圈，当气流穿过叶片间隙时就成为旋转气流，气流中夹带的液滴在惯性的作用下以一定的仰角射出而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，从而达到气液分离的目的。

其中，叶片数量、仰角α和径向角β是旋流板的3个重要参数。

该设备一般可分离气体中5～75μm直径的液滴。

其优点是压力降小，不易堵塞；其缺点是调节比小，气体流量减小时，分离效率显著下降。

图6 旋流板式气液分离器结构示意图3.24轴流式气液旋流分离器轴流式气液旋流分离器(见图7)与切向入口式旋流器的相比其离心力是靠导向叶片产生的，从而使旋转流保持稳定，并有助于维持层流特性，且阻力损失较小。

另外，此分离器结构简单、过流面积大，中间流道的连接和管柱整体结构形式简单，能够与常规坐封工艺和起下作业工艺吻合，显著降低了加工制造难度和加工成本及现场操作技术难度，适宜于井下狭长空间环境的安装操作，是用于井下气液分离的理想分离设备。

图7轴流式气液旋流分离器结构示意图2007 年中国石油大学多相流实验室研制了100mm轴流式气液旋流分离器，并进行了性能试验试验过程中发现，短路流和二次流夹带对于分离器的分离效率影响较大，采用合理的溢流管结构形式可以减少短路流和二次流夹带，提高分离效率。

4．填充分离由于气体与液体的密度不同，液体与气体混合一起流动时，如果遇到阻挡，气体会折流而走，而液体由于惯性，继续有一个向前的速度，向前的液体附着在独挡填料表面上由于重力的作用向下汇集到一起，通过排放管排出。

由于填料相对普通折流分类来说具有大得多的阻挡手机壁面积，而且多次反复折流，液体很容易着壁，所以其分离效率较惯性分离有所提高。

5．丝网分离5.1 丝网气液分离机理丝网气液分离主要是通过过滤介质将气体中的液滴分离出来的过程，即为过滤分离。

其核心部件是滤芯, 以金属丝网(图8) 和玻璃纤维较佳。

图8金属丝网丝网气液分离机理有三种情况：1）直接拦截气体流过丝网结构时，如果气体中的液滴大于丝网结构的孔径，它们将受到孔的拦截而被分离出来。

若液滴直接撞击丝网，它们也将被拦截。

直接拦截可以收集一定数量比其孔径小的颗粒，能产生这种结果除液滴直接撞击丝网外，还有以下几种因素：从某个方向看，大多数非常小的悬浮液滴的形状都是不规则的，它们可以桥接在孔上。

如果2个或多个颗粒同时投向1个孔时，也会产生桥接现象。

1个液滴一旦被1个孔拦截下来，则这个孔至少就会被局部阻塞，这样就可以将粒径更小的液滴分隔出来。

2）惯性撞击液滴在流动的气体中具有质量和速度，所以它具有动量。

当气体和它所夹带的液滴通过丝网时，气体将选取阻力最小的通道流过，并且将顺着丝网结构改变方向，即流线发生偏折。

因为液滴具有动量，所以较大液滴由于惯性作用仍然向前作直线运动，使位于气流中心或者接近气流中心处的液滴投向或撞击到丝网上而被分离出来。

在气液分离中，惯性撞击对粒径大于20um的大液滴所起的作用是比较明显的。

3）扩散拦截对于粒径小于1um的小液滴，可以从扩散拦截中分离出来。

在这种过程中，液滴以不规则形式沿着流体流线运动。

这种可以在显微镜下观察到的不规则布朗运动使这些较小的液滴从气体流动线上游离开来，并且因此增加了它们撞击纤维结构表面而被分离出来的可能性。

正如惯性撞击一样，扩散拦截在气体过滤中起较重要的作用。

5.2 丝网气液分离器丝网气液分离器是一种高效的气液分离装置，主要用于分离气体中直径大于5um的液滴，已被广泛应用于化工、石油、硫酸、医药、轻工、冶金、机械、建筑、航空、海运及环保等工业中，我国从国外引进的乙烯、合成氨和化纤等生产设备中，也是使用丝网结构作为气液分离装置的。

对粒径不小于5 um的液滴，其分离效率达98%～99.8%，而气体通过分离器的压降却很小，只有250～500Pa。

过滤型气液分离器具有高效、可有效分离0.1～10μm范围小粒子等优点，但当气速增大时，气体中液滴夹带量增加；甚至，使填料起不到分离作用，而无法进行正常生产；另外，金属丝网存在清洗困难的问题。

故其运行成本较高，现主要用于合成氨原料气净化除油、天然气净化及回收凝析油以及柴油加氢尾处理等场合。

5.3 发展现状对丝网的研究最早是由York和Poppele于上世纪五六十年代开始的。

而我国虽然也有相关丝网气液分离器的行业设计标准，但其所给设计公式只是针对定型结构，并且没有给出分离效率的计算公式。

2006年史永红对丝网气液分离器的分离机理进行了详细分析，并给出了能定量分析各种分离机理对分离的贡献的分离效率和压降计算公式。