过滤式联合分离器的原理与结构论文

过滤式联合分离器的原理与结构

过滤式联合分离器的原理与结构

摘 要

过滤分离器是油气生产中主要用来除去油气中悬浮的固、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。

关键词

分离器 过滤

1. 概述

1.1 油气中杂质的危害

在油气生产中的杂质，由于液态水的存在将加速管道和设备的腐蚀。随着积砂的增加，将堵塞管道和设备。

1.2 产出流体的分离要求

对于天然气处理而言：从气流中分离液体、固体及机械杂质。 对于原油处理而言：从油流中分离气体、固体和及游离水。

1.3 原油处理的最终目的

（1）分离器出油水混合液中的污水，污水进污水处理系统。经处理后，油中含水可降至0.5%-15%，以利于原油进一步优化。

（2）分离器出油水混合液中的伴生气，伴生气进伴生气处理系统。经处理后，油中含气达到如下要求：

分离质量（%）K≤0.5cm3/m3(气) 分离程度（%）S≤0.05m3/m3(液) （3）除去油水混合液中的砂等杂质。

2.过滤式分离器

2.1过滤式分离器结构

过滤分离器主要由圆筒金属壳体是由一个内部装有一级滤芯（过滤聚结滤芯）、二级滤芯（分离滤芯）的组成，同时配有捕雾器，排污阀、放水阀、压差表、安全阀、伴热装置等部件。其中最重要结构为滤芯。

1

4

7

5

图—1过滤式分离器结构图

2

1—快开封头 2—排液出口 3—集液器 4—气出口 5—捕雾器

6—气进口 7—过滤部件

2.2过滤式分离器工作原理

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组件，一般在容器上装设一只精密差压计。 过滤式分离器工作原理是把要过滤的气体进入一级分离室的容器内，大于或者等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。

玻璃纤维过滤组件属于深层过滤。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的固体微粒就粘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。由于液滴具有这样大的尺寸，所以它们被二级分离装置迅速地分离出，排至容器底部，通过排液管进入储液罐。这种过滤组件不是根据一定的流量和流速来达到脱除微粒的目的，因此这种过滤分离器的操作弹性范围大，在50%负荷时仍能达到满意的分离效果。而且这种深层过滤所脱除的固体微粒和液滴的粒径，要比离心式、重力式及表层过滤器小许多倍。只是玻璃纤维过滤组件尚须进行处理使液滴不能浸润纤维，而让分离出的液体以液珠的形式附在过滤组件上。否则当玻璃纤维浸湿之后静电力要下降。气体经过过滤组件后，进入不锈钢金属丝网除雾器，进一步脱除微小液滴来达到高的脱除效率。其作用是基于带有雾沫或雾滴的气体，以一定的流速所产生的惯性作用，不断的与金属表面碰撞，由于液体表面张力而在金属丝网上聚结成较大的液滴，当聚集到其本身重力足以超过气体上升的速度力与液体表面张力的合力时，液体就离开金属网而沉降。因此当气体速度显著地降低时，就不能产生必要地惯性作用，其结果导致气体中的雾沫漂浮在空间，而不撞击金属丝网，于是得不到分离。如果气体速度过高，那么聚集在金属网上的液滴不易脱落，液体便充满金属丝网，当气体通过金属丝网时又重新被带入气体中。由于除雾器是气、液两相以一定的流速流动而得到分离的方法，所以不管操作压力多大，设计的除雾器组件均能保持一个相当稳定的压力降。在最大流速时，其压力降约为1KPa。

2.3过滤式分离器的性能分类

过滤分离器是基于干式过滤器的筛除效应，深层效应，静电效应原理清除气体中杂质的设备，由于使用了通过特殊处理的滤芯对少量的液体杂质也有一定的分离效应。

筛除效应：筛除就是利用多孔过滤介质直接来接受固体杂质，筛除是一种表面式过滤，过滤介质具有过固体杂质的筛除功能。

深层效应：多孔过滤介质具有许多弯曲通道，当含尘天然气流经过这些通道的时候，气体中的粉尘就与过滤介质不断发生碰撞，固体粉尘的动能不断损失，直至不能运动而停止在过滤介质中，深层效应比筛除效应过滤的杂质要小，效果更好。

静电效应：当气体流过非导体纤维过滤介质是，流动引起的摩擦力致使过滤介质上带有静电荷，而固体杂质通常都带有与介质相反的电荷，二种相反的静电荷产生静电引力，使固体杂质附在过滤介质上，这就是静电效应。 过滤分离器的分离除尘效果要好于旋风分离器，分离除尘是它的主要功能，而对于液体的分离效果来说，由于玻璃纤维被液体湿润而是静电效应降低，致使过滤效果下降，所以，过滤分离器对液体的分离只是附加功能。

2.4过滤式分离器检验标准

1.分离质量K

定义：分离器出口处每标准立方米气体所带走液体量的多少。 计算公式： 2.分离程度S

定义：分离器在分离温度、压力下，从其出液口排出的液体所携带的游离气体体积和液体体积之比值。

计算公式： S

KV液/V气100% （2-1）

V气\V液100%

（2-2）

气混和物组成、分离压力和分离温度相同的条件下， 和愈大表示分离器内气液两相愈接近平衡状态，分离器的平衡分离愈完善。

分离器还必须具有良好的机械分离效果，即希望由分离器流出的气体尽量少带液滴，原油中尽量少带气泡。这分别用气体带液率和液体带气率表示。 显然，气体带液率的大小主要取决于分离器重力沉降部分和除雾器工作的优劣，而液体带气率主要取决于集液部分的工作质量，而分离器的入口分流器与两者均有关。但过高地追求净化程度往往导致分离器结构复杂，外形尺寸增大。

3.5过滤式分离器算例

一个过滤式分离器，处理流量为1714.3m，气体相对密度为0.75（分子量21.72），压力为3.45kp，温度100℃，液体相对密度为0.5，压缩系数0.9，估算这个过滤式分离器的直径。

根据临界速度方程得： VtK g

g

10.562.4499.8kg/m （2-6）

499.833.2

33.2

3

3

1g

g

（2-3）

P(MW)RTZ

（2-4）

514.721.7210.735600.9

33.2kg/m （2-5）

3

V10.3 M QA

1.1m/s （2-7）

1714.321.72379243600

18.1kg/s （2-8）

M

g



18.133.2

0.55m/s （2-9）

3

A

QAV

1



0.551.1

0.5m

2

（2-10）

K－确定分离器尺寸的经验常数（卧式分离器0.18－0.35）

ρ1－液相密度，液滴或微粒，kg/m3 ρg－气相密度，kg/m3

P－系统压力，kp

M－质量流量，kg/s W－总的液体流量，kg/s T－系统温度，℃ Z－压缩因数，无因次 R－气体常数，8.3145J/mol·K QA－气体实际流量m/s

V1－气体速度m/s

最小直径：DV0.797m （2-11） 取整后，选用内径1m的分离器。

很多情况下，过滤式分离器的尺寸是由过滤部分而不是捕雾部分确定的。过滤器的滤筒把液雾聚成液滴，靠捕雾部分就很容易把液滴除掉，在设计考虑中通常被忽略的是这些过滤管到捕雾器的部分的出口速度。出口速度可根据：

JgVt

2

3

20kg(ms

2

) （2-12）

算出，其中Vt为气体通过捕雾器的速度。公式中J可取1250，对于轻烃或低压气体应该取值更小些，因为这方面资料是每个制造厂的专利，所以没有公开的资料可以采用。

2.6过滤式分离器的检修维护

1.关闭分离器进出口阀。

2..打开分离器放空阀将压力下降到0.2Mpa左右，按排污程序将分离器内的污物排净，然后放净过滤分离器内的压力直至压力表读数为零。

3.拧松过滤分离器顶盖螺母查看是否漏气，如果不漏气则打开过滤器顶盖，除掉壳体0型圈。

4.抓住滤芯扭转. 从管板上拔除滤芯，清除滤芯上的赃物，用清洁的布擦净壳体内表面污物，检查滤壳中的各部件，特别是壳体 0型圈和滤芯0型圈，看是否有损坏或过渡磨损、腐蚀的现象，更换已破坏或磨损的部件。

5.装好滤芯及其他组件.特别要注意检查过滤器滤芯的密封圈是否与滤芯密封面紧贴，保证滤芯的内端密封可靠，不出现气体短路现象。

6.仔细检查过滤器的内部组件，确保组件齐全、安装正确。 7.盖好盖子，上好螺栓和拧紧螺母. 关闭排污阀。

8.打开过滤器上游阀门对过滤器进行置换. 将空气置换干净，检查是否漏气，如果漏气，则进行紧固。

9.关闭过滤式分离器上游阀门及排污阀，作为备用，或恢复分离器生产工艺流程。 10.整理工具、收拾现场。

2.7其他形式过滤分离技术

１微孔过滤分离的原理简述

由于气体与液体的微粒大小不同，液体与气体混合一起流动时，如果必须通过微孔过滤，就象过筛一样，气体通过了，而液体被拦截而留在微孔过滤器上，并在重力的作用下下流至分离器底部排出。微孔过滤分离器的筛分作用是真正意义上的筛分，其微孔直径一般在50微米以下，也就是说大于它微孔直径的液体微粒不能通过。当然其分离机理比较复杂，由于其属于微观过程，所以需要深入研究。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比丝网更多。 ２微孔过滤分离的优缺点 优点：

１）分离效率极高。

２）结构简单，只需制作一个微孔过滤器固定装置。 ３）体积比丝网分离器小。 缺点：

１）分离负荷范围极窄，超过气液混合物规定流速或者液气比后，分离效率急剧下降 2）超过气液混合物规定流速或者液气比后，而且容易发生液阻现象，阻力急剧上升。 3）阻力比普通的折流分离器或普通的离心分离器大。 4）工作极不稳定，很容易带液。 5）极易堵。

6）微孔过滤器的种类以及材质选择很重要。

2.8国内外过滤分离技术进展

图-2 金属丝网

过滤分离其核心部件是滤芯，以金属丝网（图2）和玻璃纤维较佳。气体流过丝网结构时，大于丝网孔径的液滴将被拦截而分离出来。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，除液滴直接撞击丝网外，还有以下因素： ①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； ②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；

③１个液滴一旦被１个孔拦截下来，则这个孔至少会被局部阻塞，就可以将粒径更小的液滴分隔出来过滤型气液分离器具有高效、可有效分离0.1-10μm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。对丝网的研究由Ｙｏｒｋ和Ｐｏｐｐｅｌｅ开始于上世纪五六十年代，Ｒｏｂｉｎｓｏｎ和Ｈｏｍｂｌｉｎ的试验结果表明：在达到相同的分离效果的情况下，丝网除雾器相比旋风分离器、纤维丝床、叶片式惯性分离器着最低的总压损失。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。

参考文献

1 姜正侯燃气工程技术手册上海同济大学出版社1997  2 冯淑初油气集输北京石油大学出版社1988 

3 四川石油管理局天然气工程手册北京石油工业出版社1984  4 李长俊天然气管道输送北京石油工业出版社2000 

5 梁平 天然气操作技术与安全管理北京化学工业出版社2006  6 王光然油气储运设备东营中国石油大学出版社2005  7 肖祖骐、李长春海上油气集输上海上海交通大学出版社1993

8 戴静君 海上油、气、水处理工艺及设备 武汉 武汉理工学出版社 , 2002 9 [美]气体加工和供应者协会 气体加工工程数据手册 北京 石油工业出版社 1992