闰志刚等 高效斜板分离器结构研究与开发 ３７ 高效斜板分离器结构研究与开发 闰志刚 杨中奇刘帅男天津市化工设计院天津３００１９３ 摘要 介绍斜板分离器的结构和工艺计算，确定临界分离液滴直径、所需沉降面积和排布方式。 关键词油水分离斜板沉降分相 ２．１沉降速度 随着石油的不断开采，石油的纯度会下降， 所以提高石油的利用率显得尤为重要，这就涉及 到石油的高效分离问题。 表面光滑的刚性球型颗粒置于静止的流体中， 由于小颗粒具有相当大的比表面积，使得颗粒与 流体间的接触表面积较大，故阻力在很短时间内 便与颗粒所受的净重力（重力减浮力）接**衡。 １影响液一液分离的基本因素 １－１液滴的直径 影响液一液分离的主要因素是被分离液滴的 直径。液体的粒径越大则越容易分离，粒径越小 因而，经历加速段的时间很短，其过程可以忽略， 然后进入等速阶段，等速阶段中颗粒相对于流体 的运动速度Ｕ。为沉降速度： …一则越难分离。液体粒径较小，且很难测得实际分 离粒径，故需要考虑多种情况，若为悬浮液，其 液滴直径相对较大，若混合液体处于胶体状态， 则最难分离，胶体又称胶状分散体，是一种均匀 混合物。胶体中含有两种不同相态的物质，一种 ３ｔ￣Ｄ 式中，ｕ 为颗粒自由的沉降速度，ｍ／ｓ；ｄ 为颗粒 直径，ｍ； 。为阻力系数；ｐ。、ｐ分别为颗粒和流 体的密度，ｋｇ／ｍ ；ｇ为重力加速度。 分散相，另一种连续相。分散相是由微小的液滴 所组成，分散质粒子直径在１ ｎｍ～１００ ｎｍ之问。 若液体处于胶体状态，则需要相当大的沉降 面积 引。 用上述公式计算时，首先要确定阻力系数 。 值，通过刚量分析得知， 。是颗粒与流体相对运 动时的雷诺系数Ｒｅ 的函数，根据实验测得Ｒｅ 一 。关系曲线，从图中看出球形颗粒的曲线按Ｒｅ １．２混合液体的密度差 分离过程是轻相向混合液体上方聚集，重相 向混合液体下方聚集的过程，这个过程和液体的 密度有关。轻相液体密度越小，则越容易向上方 可分为三个区，从而推出颗粒在各区相应的沉降 速度公式： 滞留区： （Ｐｅ－ｐ） “ 一１ 浮动；重相液体密度越大，则越利于沉降过程的 进行。综合两种不同液体的性质可以看出，液液 分离过程与两相液体的密度差有关。密度差越大， 则越容易分离；密度差越小，则分离效果越不 明显。 过渡区： ７√ 湍流区： “。＝１．７ ／４（ｐｐ）ｇ －１．３液体的粘度 ｐ液体的粘度影响液体的分离，液体的粘度越 ２．２普通分离器沉降 大，则越不利于分离；若液体粘度越小，则越利 于分离。 液体沉降原理类似于固体颗粒沉降，首先确 ２液一液分离基本原理 定液体沉降颗粒直径，由于液体颗粒大小比较难以 确定，主要依托于实际操作过程中的进程和适当 闫志刚：高级工程师。１９８５年毕业于天津大学金属腐蚀与防护专业。从事化工设备设计工作。联系电话：（０２２）２７４５９６２３－７００２。 ３８ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＤＥＳＩＧＮ 化工设计２０１２，２２（１） 的假设缩小，以利于实际分离过程的完全实现。 查得两相密度及粘度，根据下式计算得到液体沉 降速度。 Ｆｇ—Ｆｂ—Ｆｄ：ｒｎａ ＡＩ．－ Ｂ１．． ｃ 根据液体的沉降速度与底面积的乘积与液体 入口的体积流量比较：若前者的乘积比人口体积 流量大（Ｖｓ＞Ａｕ ），则证明沉降过程可以充分进 行，在分离器出口处可以得到分离开的轻重两相 液体；反之（Ｖｓ＜Ａｕ ），则证明分离过程进行不充 分，也许会得到一定的分离，但出口处仍然有一 定量的两相混合液体 Ｊ。 ２．３斜板分离器的沉降 图１用于液一液分离的重力沉降器 板作用，最后形成基元流束，在板的下表面形成 流动薄膜见图２ｔｓｌ。 为了合理减小设备尺寸以及提高沉降效率， 可以考虑在分离器中加入一定角度和间隔的斜板， 其目的是增加底面沉降面积，从而高效利用有效 的空间，实现最大程度的沉降分离。斜板油水分 离装置具有体积小、效率高、结构简单、无需外 加化学试剂、无二次污染、设备占地面积小、且 基建费用较低等优点，前景很好 Ｊ。 图２斜板分离器流动薄膜示意 ３斜板油水分离器结构及聚结原理 斜板分离器由平行斜板组成，这些板被安装 在分层器内。被分离的液体经进料管流人分层器 后，液体通过一个短的稳定室后，进分布器（即 左立板），进实际分离装置（分层室），该分层室 内容纳有斜板，见图１。 层膜以流束或被分离出大液滴的形式流动离 开斜板。后续的液滴到达层膜表面时，仍以一定 的速度向层膜浸入，在层膜及斜板的阻滞下减速 并产生振荡运动，此时液滴与层膜表面发生变形， 见图３（ａ）和（ｂ），变形的液滴和层膜表面间存 在着一个液相夹层，夹层受压逐渐向外排液减薄， 见图３（ｃ），该过程对液滴聚结起着决定性作用， 当液相夹层减薄达到临界厚度为８ｃ时，液滴破裂， 在液一液分离过程中，轻液滴由于浮力的作 ●●●＿－＿Ｉ●■＿■●■■＿Ｉ 融人层膜，聚结过程结束，见图３（ｄ）、（ｅ）。 用上升，在开始阶段湿润板，形成大液滴，并受斜 圃曲 图３液滴凝结过程示意图 （ｄ） （ｅ） 此时，分散相的液滴就会脱离主界面最终进 它的澄清母液中，由于斜板的作用，使得形成的薄 膜沿板持续流动，这样就阻止表面活性剂在流动 层流状态。 （２）假设液滴上升、聚结、层膜稳定三个过程 彼此互不干扰，不考虑液滴之间的聚并，液 薄膜上（或层膜）的聚集，因此，同一物质的聚结 过程能极大地得到推进而不被液体涌动影响，使 聚结过程得到加快，在分层器出口即可得到两种 清液相 引。 滴为刚性小球并且在上升过程中保持球形不变。 （３）不考虑器壁效应和液滴表面可动性及液 滴内环流的影响。 （４）液滴沿流道垂直方向均匀分布。 基本模型假设是实现正确计算的前提，也是 实现有效分离的前提条件，所以在设计设备尺寸 和结构时要充分考虑上述假设条件，并给予一定 ４计算的基本模型假设 （１）斜板沉降器内的流体处于稳定充分发展的 闫志刚等高效斜板分离器结构研究与开发 ３９ 的设计余量，以保证分离效果。 ５设计计算 ５．１设计条件 对从换热器中冷却后的油水混合物进行油水 分离，分离温度为４０￣Ｃ，分离压力为常压。油水 混合物为水与二甲苯的混合物：水的流量为 １．１６６７ ｋｍｏｌ／ｈ，二甲苯流量为０．２９６７２ ｋｍｏｌ／ｈ。要 求在分离器出口处油中含水量不得高于５％，并且 达到连续分离的效果。 水的密度ｐ＝１０００ ｋｇ／ｍ 粘度 ＝０．６５６ ｘ ｌＯ一 Ｐａ．ｓ 二甲苯的密度Ｐ＝８８４．７ ｋｇ／ｍ 粘度 ＝０．５７ ×１０一Ｐａ．ｓ ５．２沉降面积 （１）水的质量流量为： １．１６６７×１８＝２１．００６ ｋｇ／ｈ 体积流量为： Ｖｓ水＝２１．００６／１０００＝Ｏ．０２１ ｍ ／ｈ 二甲苯的质量流量为： ０．２９６７×１０６＝３１．４５ ｋｗｈ 体积流量为： Ｖｓ二 苯＝３１．４５÷８８４．７＝０．０３６ ｍ ／ｈ 液体的体积总流量： Ｖｓ＝０．０２１＋０．０３６＝０．０５７ ｍ ／ｈ （２）假设液体颗粒的分离直径为６ Ｉｘｍ，则根 据斯托克斯公式计算沉降速度： －３．４４￣１０－６ ｍ／ｓ （３）液体分离所需沉降面积： Ａ： ：４．７３ ｍ “ｃ ５．３沉降面积 对于不同粒径的分离颗粒，分离所需的沉降 面积有着比较大的区别，液体不同粒径分离对于 沉降面积的要求量见表１。 ５．４斜板 ５．４．Ｉ基本结构 由表１可以看出沉降面积大部分集中在１０ ｍ 左右，根据ＡＰＩ推荐的斜板分离器的板间距为 ６．３５—１００ ｍｍ，选择板间距为１４．１４ ｍｍ（两板间 水平间距为２０ ｒｌｌｌｎ），根据ＡＰＩ推荐的斜板倾斜角度 最佳值为４５。，故采用４５。斜板倾斜角度，见图４。 表１ 不同液滴直径对应的沉降面积 图４斜板基本结构 ５．４．２尺寸 （１）计划每隔２０ ｍｍ放置隔板： 设备直径若为４００ ｍｍ，则所有隔板的水平长 度之和为４００１．２ ｍｍ。 设备直径若为５００ ｍｍ，则所有隔板的水平长 度之和为６２５２．５ ｍｍ。 设备直径若为６００ ｍｍ，则所有隔板的水平长 度之和为９０００．６ ｍｍ。 设备直径若为７００ ｍｍ，则所有隔板的水平长 度之和为１２２５０．１ ｍｍ。 （２）计划设备长度取７００ ｍｍ，８００ ｍｍ和９００ ｍｍ，斜板沉降面积见表２。 ５．５设备尺寸 根据以上分析，设备最终选择直径为６００ ｍｍ， 长度为８００ ｍｍ，其沉降面积为７．２ ｒｌ ，可以分离 直径为０．００５ ｍｍ的液滴。 分析计算发现，选用的最小液滴的分离直径 越小则设备的体积越大，投资越高，而最小液滴 分离直径太大则分离效率不高。分界面的位置应 该是使液滴层不要延伸到容器的底部（或顶部）， 那里的液滴是在分界面处集中等候聚结和穿过界 面的分子。在结构设计中要保证设计面积大于上述 ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＤＥＳＩＧＮ 表２沉降面积表 化工设计２０１２，２２（１） Ｓｔｏｋｅｓ方程为基础，推导出斜板问液一液分层两相 层流流动的速度分布以及流动液层厚度的计算 公式。 （２）在化工单元操作过程中使用斜板分离器 经济适用，因此具有推广价值。 参１常勇，吴剑华，杨考文献 芙．斜板重力分离器的研究［Ｊ］． 沈阳化工大学学报．２００５，５（３）：１６—２１． ２侯海瑞，吴剑华，孟辉波．斜板沉降分离器分离模型 ［Ｊ］．化工装备技术．２００６，２７（１）：１４—１６． ３臧维良，郑远扬．带翼斜板油水分离装置的数学模型 ［Ｊ］．石油学报．１９９２，８（４）：７５—８３． 计算面积，使设备在运行操作中能适应变化的工 况条件。 ４万楚筠，廖李，祝俊．重力油水分离技术研究进展 ［Ｊ］．工业水处理．２００８，２８（７）：１２—１６． ５刘洪河．新型重力式油水分离器的优化设计［Ｊ］．油气田 ６结语 （１）分析了斜板沉降器的特点，并以Ｎａｖｉｅｒ— 地面工程．２００９，１２（１Ｏ）：２１—２３． （修改回稿２０１１一ｏ９一ｏ６） （上接第１５页） ３．２．６泄压口面积与泄压罐顶面积比值 紧急泄压设施进行的计算选择，验证了选择在规 范框架内是安全合理的。 （２）介质为原油时泄压罐紧急泄压口规格及 （５） 通过计算过程推导分析得到如下结果： Ａ１＝５０２４×３÷１０００＝１．５０７２ ｍ Ａ２＝积 数量选择，按流量面积比值０．３％～０．５％是较为 适宜的经验参数，可供工程设计参考。 参考文献 ＝３．１４×（２２．５／２）、 ＝ｊ ３９８ ｍ 式中，Ａ１为泄压口面积，ｍ ；Ａ２为泄压罐锥顶面 积，ｍ 。 １ ＥＲＧＩＬＧＲＯＵＰ Ｓｅｒｖｉｎｇ Ｏｉｌ，Ｇａｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ ｓｉｎｃｅ １９８３，ＵＡＥ． Ａ１与Ａ２比值为０．３８％（１．５０７／３９８）。 通过计算选择和推理得出，泄压罐的泄压口 流量的最大面积与罐锥顶面积的比值在０．３％一 ２ ＡＰＩ ｓｔａｎｄａｒｄ ２０００ ｎ舢ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｖｅｎｔｉｎｇ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ａｎｄ Ｌｏｗ—Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔａｎｋｓ（Ｎｏｎ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｅｄ ａｎｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａ－ ｔｅｄ），Ａｐｒｉｌ １９９８． ３ ＡＰＩ ｓｔａｎｄａｒｄ ６２０ ＴＥＮＴＨ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｒｇｅ，Ｗｅｌｄｅｄ，Ｌｏｗ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｔａｎｋｓ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００２． ０．５％较为适宜，选值是在ＡＰＩ ２０００规范内。 ４结语 （１）结合ＡＰＩ ２０００规范进行全过程分析，对 ４任洪理等．大型储罐双浮盘无胎架建造方法研究［Ｊ］．化 工设计．２０１０，２０（６）． （修改回稿２０１２—０１—２７） １ １∈（ 习 ）｜
