燃油和化学品

液体/气体分离技术方面的最新发展

去除机制

在评估特定技术之前,重要的是要了解用于气体中液体和固体的去除工作机制。这些机制可分为四类。首先要了解的、也是最容易理解的是重力沉降——发生在液滴或颗粒的重量(即重力)超过流动气体形成的拖拽力时。

一种与之相关的、更有效的机制是离心分离——发生在离心力超过流动气体形成的拖拽力时。离心力可能比重力大几倍。

第三种分离机制被称为惯性碰撞,发生在气体通过网络(如纤维和冲击屏障)时。在这种情况下,气流会沿上述障碍物周围的曲折路径流动,而固体或液滴则会笔直前行,从而与上述障碍物发生碰撞。一旦发生这种情况时,液滴或粒子就会失去动力和/或聚结,并最终落至容器底部或仍然留在纤维介质中。
最后,第四种分离机制与极小的气溶胶有关(小于 0.1 微米)。这种机制又称为扩散拦截或布朗运动,发生在小气溶胶与气体分子发生碰撞时。上述碰撞会导致气溶胶偏离屏障周围的流体流动路径,增加了气溶胶撞击纤维表面并被清除的可能性。

本文中所涉及的液滴和颗粒尺寸均采用微米单位。一微米等于 1/1000 毫米或 39/1,000,000 英寸。图 1 展示了各种微粒的尺寸。

图 1:
典型污染物的粒径



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液体/气体分离技术

重力分离器
在重力分离器或分离罐中,重力可控制分离。气流速度越慢并且容器尺寸越大,液体/气体分离效率就更高。由于实现沉降所需的容器尺寸较大,重力分离器很少用于清除小于 300 微米的液滴。分离罐通常用于大量分离或用作第一级洗涤器。分离罐也可用于容器内部必须保持在最低限度的情况(泄压系统或除垢作业中)。如需较高的分离效率,那么不建议将重力分离器用作主要的清除装置。

离心分离器
在离心或旋风分离器中,离心力可以以比重力大几倍的力作用于气溶胶。通常,旋风分离器可用于清除直径大于 100 微米的气溶胶,适当大小的旋风分离器可以拥有低至 10 微米的合理的气溶胶清除效率。对于小于 10 微米的雾粒,旋风分离器的清除效率非常低。6 对于蜡状或焦化材料,推荐使用旋风分离器和分离罐。

除雾器
除雾器垫的分离机制是惯性碰撞。通常情况下,由纤维或编织网构成的除雾器垫可以清除低至 1-5 微米的液滴,但一般来说容器相对较大,因为它们必须在较低速度下运行,以防止液体再夹带。

过滤器叶片分离器
叶片分离器就是容器内的一系列挡板或板件。再次控制分离的机制是惯性碰撞。叶片分离器对清除效率相关的质量流速很敏感,但通常可以以比除雾器更快的速度运行,主要是因为更有效的排液减少了液体再夹带。然而,由于板件之间构成曲折网络的通路相对较大,叶片分离器只能清除尺寸相对较大的液滴(10 微米及以上)。通常情况下,叶片分离器用于在气流速度超过设计速度时改装除雾器垫。

液体/气体聚结器
液体/气体聚结器管芯结合了除雾器垫和叶片分离器的功能,但通常不用于清除大体积液体。在大体积液体系统中,高效聚结器通常置于分离罐或冲击式分离器的下游。气体流经纤维材料(外表面被裹敷)超细孔道,并在纤维材料表面形成一定的流到,以促进排液(见下文的图 2)。聚结器管芯可捕获低至 0.1 微米的液滴。如果设计和大小合适,相比除雾器垫和叶片分离器,从纤维包排放聚结液滴可实现的气流速度要快很多(整个组件无液体再夹带或压降上升情况)。

图 2: 聚结器剖视图




表 1 总结了上述每种技术,并提供了相应的选择指南。如您所见,对于包含 5 微米以下超细气溶胶的系统,应选择聚结器。清除气体中的超细气溶胶可在经济性、可靠性和维护性方面给压缩机系统带来极大的优势。

表 1:液体/气体分离器的类型

技术 清除的液滴尺寸
重力分离器 低至 300 微米
离心分离器 低至 8-10 微米
除雾器垫 低至 10 微米
叶片分离器 低至 10 微米
高效 L/G 聚结器 低至 0.1 微米

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微气溶胶的形成

超细液态气溶胶可以以多种方式进入气流。

• 通过饱和蒸汽凝结,
• 雾化(通过限流实现喷雾效果)
• 液体再夹带。8

最近有关天然气气流中气溶胶粒径分布的研究表明,无论是否安装节流阀和其他控制元件或者蒸汽达到其露点,天然气中气溶胶的尺寸大量分布在5微米左右。
如 图 3 所示,叶片分离器(结合了重力分离器和水平过滤器屏障,相当于除雾器垫)下游天然气中气溶胶的液滴尺寸以及浓度分部。结果表明,在很多情况下,会有大量气溶胶通过此类分离器,原因是液滴太小,此类分离装置无法将其捕获。因此,如需获得高去除效率,对下游设备进行保护或回收有价值的液体产品,应首选液体/气体聚结器。

图 3:
气溶胶尺寸




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等级/尺寸

要注意的是,聚结器与过滤器的不同之处在于:它既可过滤精细固体颗粒,又可以聚结气流中的液态气溶胶。聚结器的尺寸选择和分级标准(因为它涉及液体清除)对于聚结器的最终性能至关重要。尺寸过小的聚结器会造成连续的液体再夹带、超低的液体分离效率,并且容易受到各种工艺变化的影响。图 4 说明了聚结器尺寸选择的关键性质,同时还说明,一旦液体过多,聚结器的性能可能会迅速下降(原因可能是气流中气溶胶浓度过高,或者气体流速过快)。这是聚结器不同于大多数其他分离设备的地方,其他设备的性能会随着被推动通过其额定最大值的过程中而逐渐减退。

图 4:
聚结器的效率变化与气体流速



聚结器性能验证的传统方法是 DOP(邻苯二甲酸二酯)测试。11 在此测试中,一种 0.3 微米直径的单分散气溶胶在受控条件下通过 DOP 蒸汽冷凝持续生成。当气溶胶的生成情况稳定后(恒定的粒径和气溶胶浓度),将通过散射光度计在聚结器的上游和下游测量 DOP 浓度。结果表示为所使用流速条件下的 DOP 渗透百分比。

DOP 测试的一些主要缺点包括:12

1.测试针对干燥或不饱和的聚结元件进行。干燥元件在本质上就像一个海绵,可以吸收通过它的任何液体。DOP 测试不会测量聚结器保留液体的能力(液体使聚结器介质饱和并可在下游被重新夹带)。

2.这就导致了第二个缺点;相比整个饱和元件的实际压降,整个组件测得的压降被低估。饱和 DP 比干净的 DP 大了近 2-4 倍。

3.测试在局部真空条件下进行,其气体属性(密度和粘度)与实际操作压力条件下一般气体属性有很大不同。DOP 测试条件往往会超出聚结器元件的效率。

为了避免 DOP 测试的缺点,颇尔已经研发出“液态气溶胶分离效率 (LASE) 测试。该测试的研发目的仅仅在于:在更类似于炼厂或气体加工工厂中实际条件下的压缩气流中测量聚结器的性能。图 5 概要地展示了用于此测试的系统。

图 5:液态气溶胶分离效率测试示意图
 


LASE 测试与 DOP 测试的不同之处包括:

1.它提供了更准确和更接近实际状况下的效率测试。DOP 效率基本上说明了多少比例的 0.3 微米邻苯二甲酸二辛酯液滴将被干燥的聚结器清除;而 LASE 测试则说明了聚结器下游气体中污染物的 ppmw 是多少。换言之,LASE 测试说明的是您的下游设备将接触到多少污染物。

2.DOP 采用了 DOP 的单分散(即相同尺寸)液滴——气体加工或炼厂气流中不常见的一种液体;而 LASE 测试则使用了液滴尺寸在 0.1-0.9 微米之间的润滑油。

3.LASE 测试在饱和聚结元件和正压条件下进行,更真实地模拟了工艺条件。

表 2 展示了 DOP 和 LASE 测试的对比情况。



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设计及其对尺寸的影响

改进聚结器设计的目的是最大限度地提高效率,同时防止液体再夹带。再夹带发生在聚结器元件上积聚的液滴被排出气体带走时。这种情况发生在排出气体的速率或环空速率超过排出液滴的重力时。

我们之前讨论过正确选择聚结器尺寸的重要性。在设计聚结器以及确定聚结器尺寸时,必须考虑以下因素:
  • 通过介质的气体速率,
  • 排出介质的气体的环空速率,
  • 入口气体的固态和液态气溶胶浓度,
  • 聚结器的滤水性

上述每种因素(入口气溶胶浓度除外)均可控。在气体流速恒定的情况下,可通过改变介质孔隙结构的粗糙度或增减所使用管芯的数量对介质速率进行控制。但是,介质越粗,聚结器清除液体的效率就越低。

在气体流速恒定的情况下,可以通过增减容器尺寸或聚结元件间的空间来控制气体排出速率。

排水可通过选择低表面能聚结器材料,或通过可以将介质表面能降低到小于液体聚结表面张力值以下的化学品处理聚结器介质来得到改善。13 使用低表面能材料可避免液体弄湿过滤器介质并加速液体沿介质纤维向下排出。聚结在纤维材料中的液体通过纤维网络迅速下降而不是存积在那里,如果存积在那里的话,将会因气体推动而产生再夹带。图 6 显示的是化学处理对聚结器的作用。它表明:化学处理滤芯的最大流量是类似未处理滤芯的两倍以上。

图 6:
化学处理对聚结器性能的影响



人们可以从这些设计参数中得出结论:使用较大滤壳以及大量具有非常细小气孔的滤芯很容易消除在气流中可能遇到的任何流体问题。显然,与此类容器相关的成本也会非常高。在容器尺寸和滤芯数量减少时,就可能出现再夹带和清除效率下降。此外,组件尺寸减小时,压力降也会增大,而这样就会导致操作成本的增加。因此,必须进行优化。在评估聚结器组件时,一定要考虑到确定组件尺寸时的所有这些参数。最好使用带有分离罐或其他冲击式分离器的聚结器。


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液体/气体聚结器的现场测试

通过在需要清除液体的地方进行气体流现场测试,可以提供以下信息:

1. 气体中的液体量,
2. 有效聚结液体的能力,和
3. 出现的固体颗粒物质数量。

因此,准确采样变得非常重要。一定要通过测试聚结器滤芯来精确测量气体流速,从而确定气体中存在的液体数量和性质。

出于这一目的,我们设计了完整的检测套件来完成侧面流液体/气体聚结器测试。检测套件如图 7所示。其中包括:(1) 聚结器滤壳,用来存放一个通过小球阀连接到独立贮槽的滤芯;(2) 位于聚结器滤壳下游的孔板流量计,包括法兰、孔板和压差压力表;(3) 通过聚结器滤壳调控气体流速的针状阀门;(4) 两个采样端口(分别位于聚结器滤壳的上游和下游),可连接两个气体检测套件以分析流入和流出的气体质量;以及 (5) 将检测套件连接到主要排气管和排出管道的两个灵活的长不锈钢水管。

图 7:
颇尔 LG 聚结器检测台概要



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测试程序

在前往现场进行现场测试之前,应与工厂联系以获取系统条件(压力、温度、气体流速、气体类型以及气流中可能存在的液体浓度)。根据这些信息,可选择孔板以测量指定范围的气体流速。还要选择能使压降减到最小的孔,以便不会导致形成气体凝结和水合物。

在线内放置侧面流检测套件之后,要将流速调整至临界流速以下,以便不会发生再夹带。在聚结器滤芯饱和之后,将测试膜插入聚结器滤壳上游和下游的测试夹具、清除贮槽在滤芯饱和期间可能累积的任何液体,然后开始实际测试。
在测试结束时,测量贮槽中累积的液体量并收集在样品瓶中以用于后续实验室分析。测试膜也被收集以便确定气体中悬浮的污染物数量并进行固体污染物定性识别。液体气溶胶浓度通过聚结的液体数量和采样的气体数量进行判断。

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现场测试结果

在天然气处理厂和炼油厂对 49 种气流(天然气、二氧化碳、氢气和燃料气体)进行的现场测试结果表明:大多数气体流中都存在大量液体。图 8 总结了这些测试结果。在 49 种接受测试的气流中,超过 85%(49 种测试中的 43 种)的气流的液体浓度大于 1 ppmw。这种液体浓度可能会造成严重的设备问题,还可能在胺接触装置中造成不佳的工艺操作。

图 8:炼油厂和天然气处理工厂的气流现场试验结果





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结论

1.在选择气体/液体分离技术时,不仅需要具有有关工艺条件的知识,而且还要拥有有关液体污染物特性的知识。选择应基于液滴大小、浓度以及液体上是否有蜡膜或结垢倾向。

2.现场数据分析结果表明:由于大部分气体工艺中都存在很细的液滴(小于 1 微米),因此无论是需要高恢复率来保护下游设备,还是要回收有价值的液体,都应推荐使用高效率的液体/气体聚结器。

3.聚结器的尺寸和设计至关重要。如果聚结器面临液体过多的挑战(不论是由于气溶胶浓度过高还是气体流速太大),其效果都将迅速下降。

4.液体气溶胶分离效率 (LASE) 测试是液体/气体聚结器的重要性能测试,因为它允许聚结器滤芯在极其类似的实际操作条件(饱和滤芯、现实压降和气体特性(密度、黏度))的情况下进行测试。

5.聚结器介质的表面处理改善了纤维材料中的液体排出,能让处理给定气流时所需滤芯数量减少 50% 。

6.现场测试表明:炼油厂和天然气处理厂的气流中存在大量液体。

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参考文献

1.C.R. Pauley、D.G. Langston 和 F. C. Betts,“重新设计的过滤器解决路易斯安那州天然气厂的发泡、胺损失问题”,《Oil & Gas Journal》,4,1991 年 2 月。

2.Perry 的《化学工程师手册》,第 6 版,McGraw-Hill,纽约,1984,18 章,第 48-56 页。

3.Perry 的《化学工程师手册》,第 6 版,McGraw-Hill,纽约,1984,18 章,第 48-56 页。

4.K. J. Fewel Jr.、J. A. Kean,“计算机建模帮助实现分离器改造”,《Oil & Gas Journal》,1992 年 7 月 6 日。

5.A. K. Coker,“计算机程序加强有关气液分离设计的指导”,《Oil & Gas Journal》,1993 年 5 月 10 日。

6.Perry 的《化学工程师手册》,第 6 版,McGraw-Hill,纽约,1984,18 章,第 48-56 页。

7.K. J. Fewel Jr.、J. A. Kean,“计算机建模帮助实现分离器改造”,《Oil & Gas Journal》,1992 年 7 月 6 日。

8.Perry 的《化学工程师手册》,第 6 版,McGraw-Hill,纽约,1984,18 章,第 48-56 页。

9.C. A. G. Regan 和 M. Baker,“新型分离器/洗涤器设计方案 - 上游和下游设备对分离性能的影响”,在天然气加工协会第 9 届大陆会议上演讲的论文,欧洲分会, 1992 年 5 月 14-15 日。

10.Perry 的《化学工程师手册》,第 6 版,McGraw-Hill,纽约,1984,18 章,第 48-56 页。

11.C. Dickenson,“过滤器和过滤手册”,第 3 版,Elsevier Adv. Tech, Oxford,1992 年,第44-47 页。

12.K. Williamson、S. Tousi 和 R. Hashemi,“气体/液体聚结器性能评价的最新发展”,在美国过滤协会第 1 届年度会议上发表的论文,3 月 21-25 日,马里兰州大洋城。

13.J. D. Miller、E. E. Koslow、K. W. Williamson,美国专利 4,676,807,1987 年 6 月 30 日;id.,美国专利 4,759,782,1988 年 7 月 26 日。

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