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