畢業(yè)設(shè)計三相分離器的設(shè)計三相閃蒸器材的設(shè)計

1、第五章：三相閃蒸罐設(shè)計 5.1概述 在甲苯甲醇烷基化過程中，需要將氫氣分離出去和把反應(yīng)產(chǎn)物提純， 這需要用 三相閃蒸罐對原料進行預(yù)處理。常規(guī)工藝先采用氣液分離器進行氣液兩相閃蒸， 閃蒸后的油相再利用沉降罐進行熱化學重力閃蒸，或采用電熱化學脫水。這種工 藝存在工藝復(fù)雜、設(shè)備多、投資大，管理和維護工作量大的問題。三相閃蒸器將 產(chǎn)物的脫氣、脫水結(jié)合。工藝簡單，投資少，管理和維護簡單，有利于實現(xiàn)產(chǎn)品 處理工藝的密閉。 5.1.1閃蒸器的類型 工業(yè)上常用的分離器，按其外形分主要有立式和臥式兩種；按功能分有氣液兩 相閃蒸器和油、氣、水三相閃蒸器等；按操作壓力可分為負壓 (0.1MPa)、低壓 (6.0MP

2、a)分離器等。 立式閃蒸器 5-1立式閃蒸器的簡單結(jié)構(gòu)示意圖 立式閃蒸器一般用于處理高氣液比的油氣混合物，如用作氣體洗滌器、分液罐 等，以便除去大量氣體中所含少量液體。 立式閃蒸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，混合物由側(cè)面進入閃蒸器，經(jīng)入口分流器使 油氣得到初步分離，液體向下沉降至閃蒸器的集液部分，析出所攜帶的氣泡后經(jīng) 液控閥流入管線；經(jīng)入口分流后的氣體向上流向氣體出口 ，氣體所攜帶的較重油 滴在重力作用下沉降至集液部分；較小的液滴經(jīng)出口捕霧器碰撞聚集后進一步 脫除，然后氣體流出閃蒸器。 臥式閃蒸器 臥式閃蒸器多用于液氣比較高的情況，像原油分離器、緩沖罐等。閃蒸器的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)如圖5-2所示 1 三相流體

3、入口； 2 擋板；3 氣相整流件；4填料或防浪板；5 捕霧器； 6氣出口； 7下液管；8溢流堰板；9防渦器；10水出口； 11油出口 流體進入閃蒸器，經(jīng)過入口分流器后氣、液的流向和流速突然改變，使氣液得 以初步分離。氣體水平地通過液面上方的重力沉降部分，被氣流攜帶的液滴在此 部分靠重力沉降至氣液界面，未沉降至液面的粒徑更小的液滴在出口捕霧器碰 撞聚集成大液滴，在重力作用下沉降至集液部分。 經(jīng)過初步分離的液體在重力作用下流入閃蒸器的集液部分，集液部分需要有 一定的空間，使液體流出前有足夠的停留時間；對于兩相閃蒸器，足夠的停留時 間可以使原油中氣泡升至液面并進入氣相；對于三相閃蒸器，足夠的停留時間

4、除 使油中氣泡析出至氣相外，還可以使油中水滴沉降至水層，水層的油滴升至油層 然后再通過控制閥流出閃蒸器。油氣界面的高度一般控制在（1/23/4）D之間。 為了提高脫水效果，容器內(nèi)部一般加設(shè)填料。填料的形式有斜板、波紋板，或填 料和斜板合一等。油水混合液流過這些填料時，可使水滴吸附其表面，在液體的 剪力作用下破壞水滴表面張力，使水滴易于聚結(jié)；同時，順著填料下沉，縮短沉 降時間。 有的閃蒸器氣相也設(shè)置填料。由于氣相主要是分出液體，填料可能與油水分離 段的填料不同。 填料段一般設(shè)置12段，如果太多，不經(jīng)濟，且占去較大的閃蒸空間。 根據(jù)填料和波紋板的功用，它們應(yīng)滿足以下要求： a. 具有良好的潤濕性，

5、混合物流經(jīng)其表面時，水滴（或油滴）易于吸附； b. 能長期使用，不易破碎，并不與油、水發(fā)生化學變化； c. 來源廣，價格低廉。 對于用于浮式生產(chǎn)儲油設(shè)施上的閃蒸器，由于波動原因必須考慮增加內(nèi)部防浪 設(shè)施穩(wěn)定界（液）面。比較簡單的辦法是采用防浪板，如圖所示，有時填料兼作 防浪板。防浪板的多少根據(jù)閃蒸器閃蒸段的長度來定。我們采用的是臥式閃蒸罐。 5.1.2閃蒸器結(jié)構(gòu) 臥式三相閃蒸罐包括入口分流區(qū)、集液區(qū)、重力沉降區(qū)和除霧器區(qū)四個部分： 1）入口分流區(qū) 入口分流區(qū)也正是利用了混合液較高的動能， 通過突然改變混合液的方向吸收其 動能，達到氣液的初步分離。 2）集液區(qū) 集液區(qū)位十二相閃蒸器的底部，主要為

6、液體中氣體的析出及油水的沉降閃蒸提 供充足的停留時間。需要指出的是油與水的閃蒸時間要明顯高于氣液的閃蒸時 間。 3）重力沉降區(qū) 重力沉降區(qū)一般是對于氣體而言，即進入該區(qū)域后氣體的速度下降，氣體中攜 帶的較大的液滴由于重力的作用落到氣液交界面，而更小的液滴則需要依靠后面 的除霧器除去，以保證閃蒸所得氣體中不含液體或含量很少。 4）除霧器區(qū) 氣體在經(jīng)過重力沉降區(qū)后，較大的液滴已經(jīng)沉降至液體中，但氣體中仍含有大 量的小液滴（通常為小于100卩m液滴），這些液滴將在氣體通過除霧器時得以去 除，去除的液滴在聚并成為較大液滴后落入集液區(qū)。 5.1.3閃蒸器工作原理 1 入口 23J 口擋板3.重力沉降區(qū)4

7、”除霧器5.壓力控制閥 入I丨分流區(qū)X堰板 Dm液滴直徑（m）; 當液滴所受重力與浮力之差等于阻力時， 液滴作勻速運動，此速度即為沉降 速度V。令Fd二Fb，可得: Vt 4gDm(訂) 3Cd Pg 當液滴周圍流動是層流時，斯托克斯定律適用于此過程且Cd Re，此時 5.56 10J 冷g dm Vt Jg 然而，在實際生產(chǎn)當中，斯托克斯定律并不適用于一切情況, 根據(jù)流體流動 狀態(tài)不同可根據(jù)雷諾數(shù)（Re） 的大小確定此時運用的阻力系數(shù)表達式: CD = 500 L Rez2 2 Re 乞 500 Re 乞 2 105 Re 2 105 Cd二空 Re Cd =1.85ReJ.6 CD =0.

8、44 CD =0.1 (5) 在產(chǎn)品設(shè)計過程中，當需要獲得更準確的阻力系數(shù)時，就需要引入更加完整 的阻力系數(shù)方程: 243 (6) Cf rJ 0 Re =0.001 mW 此時，可令Fd二Fb，即可得沉降速度的方程如下: Vt 二 0.0036 dm Cd (8) 式中，dm液滴直徑（）； Re雷諾數(shù)； 冉 液滴對于水的相對密度（kg/m3）； 札氣體對于水的相對密度（kg/m3）； 幾水的密度（kg/m3）; 訂氣體的密度（kg/m3 ）； Jg 氣相粘度（mPa s）； Cd阻力系數(shù)； 水相中油滴的上浮和油相中水滴的沉降都處于層流狀態(tài)，符合斯托克斯定 律，所以沉降速度都可用上式表示。而所

9、不同的地方是在于計算時需根據(jù)具體情 況，使用不同的相對密度差、粘度和液滴尺寸。 液滴尺寸 對于氣液分離部分而言，重力沉降區(qū)的作用在于除去預(yù)先選定好尺寸的液 滴，為氣體進入除霧器做準備。因為如果有過多大顆粒的液滴存在， 那么除霧器 就會被浸漬，不能完成其應(yīng)有的高純度凈化。根據(jù)一般分離經(jīng)驗，重力沉降區(qū)可 以去除直徑大小大約為100的液滴，即直徑大于100的顆粒在經(jīng)過重力沉 降區(qū)之后可以被認為已經(jīng)去除，而直徑更小的液滴會在離開閃蒸器時被除霧器處 理。所以在設(shè)計時，為了去除直徑大小為100的液滴，可以在該區(qū)域使用氣 體容量方程進行設(shè)計。但是對于油中水滴的脫除和水中油滴的脫除，要預(yù)測其尺 寸是十分困難的

10、，所以在進行閃蒸器設(shè)計時通常將直徑為100m油滴的沉降速 度作為閃蒸器參數(shù)設(shè)計依據(jù)。 而水相中油滴的脫出通常很少考慮，是因為油滴從水相中脫出要比水滴從油 相中分離容易的多，這可以從沉降速度公式中看出，油的粘度是水的 5-20倍， 所以，油滴的沉降速度要比水滴大得多。 停留時間 停留時間是指一個液體分子在容器中停留的平均時間。 它需要保證氣液在閃 蒸器中達到平衡，而原油的儲存量要保證可以使閃蒸汽析出，同時油相中的水滴 可以凝結(jié)成液滴沉降公式中所述的下沉尺寸。根據(jù)實際經(jīng)驗來看，對于氣液閃蒸， 氣相的停留時間通常為 30s3mi n,而液相的停留時間則較長，通常需要 3 30min，對于水相而言，若

11、沒有可用的合適數(shù)據(jù)，通常采用 10min作為其停留時 間。 5.2.2氣相中的液滴閃蒸 對重力式三相閃蒸器進行尺寸設(shè)計，需要先確定閃蒸器的有效長度和閃蒸器尺寸直徑。對于氣液閃蒸部分來講，所確定的閃蒸器尺寸必須能夠滿足使液滴從 氣體落入液體的氣體容量，并有足夠的時間使閃蒸器內(nèi)各相內(nèi)達到相平衡。 根據(jù)沉降原理可以設(shè)立出針對氣體容量約束的尺寸方程（13），該方程的設(shè) 立依據(jù)是氣體停留時間等于液滴沉降至液面所需的時間。對于半滿式”容器來 說，液面位于容器的1/2高度處。在臥式閃蒸器中，氣體流向和油滴沉降的方向 垂直，只有液滴隨氣流流過有效長度的時間不大于液滴沉降至液面的時間時，才 能保證液滴沉降的順利

12、進行。如圖 4所示氣體沿水平方向流動，其速度為 Vg， 顆粒的沉降速度為Vt，為了保證顆粒沉降的順利進行，必須保證處于最靠近輸入 點的顆粒能夠沉降在沉降區(qū)尾部之前， 沉降至沉降區(qū)末尾時為臨界狀態(tài)，在這種 情況下，可以保證所有液滴都可在有效長度內(nèi)沉降至氣液分界面。 圖5-4臥式閃蒸器液滴沉降模型 設(shè)液滴隨氣流流過有效長度的時間為tg，液滴沉降至液面的時間為td，則 tg Leff Vg D 2 Vt (9) (10) 而氣體的流速可以通過氣體流量與橫截面積之比求得，即 Vg ，其中 Ag冷 101.3 TZ 1 P 288.6 3600 (11) (12) 而Vt可通過沉降速度公式（8）求得，臨

13、界狀態(tài)時液滴隨氣流流過有效長度 的時間tg與液滴沉降至液面的時間td相等，設(shè)tg =td,可求得氣體容量約束方程: TZQg 肝 PgCD (13) DLeff =34.5 D P丿加-Pg丿dm 以上各式中，D容器外徑（m）； Leff有效長度（m）; T運行溫度（K）; Qg常溫常壓下氣體流量（m3/h ）; P運行壓力（KPa ）; Z氣體壓縮系數(shù)； Vg氣體流速（m/s ）; 八液滴對于水的相對密度（kg/m3 ）； 氣體對于水的相對密度（kg/m3 ）； dm液滴直徑（Jm ）; CD阻力系數(shù); 5.2.3油水的沉降閃蒸 在對三相閃蒸器進行液液分離之前需先考慮其的停留時間，這里的停留

14、時間 指水相停留時間和油相停留時間，產(chǎn)物的儲存量或者說油相的停留時間要保證游 離水在該時間內(nèi)可以聚結(jié)至足夠大的尺寸以達到下沉分離的目的，同時液相當中 的氣體可以釋放出，使氣相和液相達到相平衡。該約束對于油氣兩相分離而言， 即是指液體容量約束。設(shè)閃蒸器有效長度部分的容積為V m3，液體流量為 Q m3/h，停留時間為t min則V =宜 且V二ALeff，進而可知閃蒸器內(nèi)油相的體 60 積如下： V。二 A）Leff（14） 60 閃蒸器內(nèi)水相的體積為： V八等wLeff 因為容器為半滿式容器，故液體體積為容器體積的一半，即可知: V =2V。Vw二 二D2Leff 4 （ 聯(lián)立以上三個式子就可

15、以得到停留時間限制而得的閃蒸器直徑與有效長度 的可取組合： (17) D Leff - 0.042 QwtrwQotro 以上式中，V、V。、Vw容器有效體積、容器中油相體積、容器中水相 體積（m3）; t、tro、tw停留時間、油相停留時間、水相停留時間（min ）； Q、Qo、Qw液體流量、油流量、水流量（m3/h ）; A、Ao、Aw液體、油相、水相的橫截面積（m2）; D容器外徑（m）; Leff有效長度（m）; 油滴在水相中的沉降及水滴在油相中的沉降為層流狀態(tài)，即顆粒沉降速度Vt （m/s）可以用斯托克斯公式計算，即上式中雷諾數(shù)計算公式（7）。綜合考慮水 滴在油相中的沉降速度以及在油

16、相中的停留時間，可以確定水滴所能夠沉降的距 離，從而可進一步推得油相厚度的最大尺寸。 設(shè)油相中水滴的沉降時間為tw（ s）， ho. 油層的厚度是ho （ mm ），則有tw =1000，即： Vt 卩h tw=1800J 2（18） （也w - Ao dm 要使水滴能夠穿過油層，則必須使水滴在油相停留時間內(nèi)的沉降距離大于油 層本身的厚度，或者說水滴穿過油層的沉降時間小于在油相中的停留時間， 臨界 狀態(tài)下即二者相等。考慮油相的停留時間單位為分鐘，故臨界狀態(tài)時為tw=60tro， 即有: 式中，ho油層最大厚度（mm ）; tw水滴在油相中的沉降時間（S ）； Jo油相的粘度（mPa s）; 仏

17、、厶。水相、油相對于水的相對密度; tro水在油相中的停留時間（min ）; dm液滴直徑（Jm ）； 5.3閃蒸器的最大直徑 在油相和水相的停留時間都已知的情況下， 得到油層的最大厚度以后，可按 以下步驟確定閃蒸器的最大直徑： 計算水相在閃蒸器內(nèi)體積的比例，即其在閃蒸器內(nèi)所占截面積與閃蒸器 截面積的比例： Aw Qwt rw 2 troQotrwQw (20) 根據(jù)截面積的比例，可通過閃蒸器半滿狀態(tài)下截面積比例確定系數(shù)1 圖5-5閃蒸器半滿狀態(tài)下的系數(shù) 3 計算最大直徑dmax =匹 因為水相中油滴的分離與油相中水滴的沉降原理及計算過程一致，只需將黏 度及停留時間等參數(shù)替換即可得出，又由于油

18、滴從水相中分離較水滴從油相中分 離容易，所以設(shè)計時通常以油層中水珠的分離為設(shè)計依據(jù)。 5.4閃蒸器的縫間長度及長細比 除了已經(jīng)經(jīng)計算可以求解的閃蒸器的有效長度Leff以及閃蒸器的直徑d以 夕卜，閃蒸器的縫間長度還應(yīng)包括圖5-4閃蒸器中除了有效閃蒸沉降部分以外的前 端入口分流區(qū)L1及后端出口區(qū)L2部分。 基于氣體容量設(shè)計的閃蒸器尺寸，縫間長度一部分用來均勻分布入口分流區(qū) 的液流，另一部分需要用來安置氣出口處用于去除小液滴的除霧器裝置，其經(jīng)驗 計算公式為: L = Leff + 1000 而根據(jù)液體容量設(shè)計的閃蒸器尺寸，閃蒸器的縫間長度的一部分需用來均勻 分布入口分流區(qū)及出口區(qū)的液流，該長度的經(jīng)驗

19、公式為： 4 L = 4 Leff（ 22） 3 所以在計算閃蒸器的總體長度時，應(yīng)選取上述二式中的較大值。閃蒸器尺寸 設(shè)計的原則是在完成規(guī)定閃蒸要求的前提下使閃蒸器的成本盡可能達到最低。然 而毫無疑問的一點是，閃蒸器的直徑越低其總體成本就越低， 但隨著閃蒸器直徑 的減小，會增加湍流的產(chǎn)生，還會增大氣體再次進入液體的可能性。 根據(jù)以往資 料及實際經(jīng)驗表明，閃蒸器的縫間長度與直徑的比值應(yīng)控制在 35之間，即最 佳長細比為35。 5.5三相閃蒸器的設(shè)計計算 5.5.1閃蒸器的主體尺寸 由Aspen模擬可知，水相最大液體流量Qw = 269.3m3/h，油相最大液體流量 Qo=17.068m3/h混合

20、物粘度為0.00127188Pas。油相的粘度是 0.00067162Pas。 油相的密度為872.6kg/m3 通過經(jīng)驗可取水在油相中的停留時間tro =10min，故可通過之前所得公式計 算最大油層厚度： ,0.033tro - o dm 0.033 10 1 -0.873 5002 ho1554.5mm Jo6.74 再由此前所得公式可求解水相所占截面積與閃蒸器筒體截面積比值： 2 troQo trwQw 269.30 2 10 17.068 10 269.3 :0.470 截面積比值已知，可通過上圖查得系數(shù) 0.03,進而可求得閃蒸器最大直徑: max h。_ 1554.5 P 0.0

21、3 = 51816mm 因此閃蒸過程中溫度控制可假定維持10 C，而氫氣的動力粘度： 1-8.686 10(Pa s 而阻力系數(shù)也可以根據(jù)經(jīng)驗初定為 0.34,氣相密度由Aspen模擬可知為 1.403kg / m3，以此即可通過VB編寫簡易循環(huán)程序迭代求解氣相中液滴的沉降 速度Vt與阻力系數(shù)Cd，迭代結(jié)果如下： Vt = 2.4517m/s CD =0.6708 在求得阻力系數(shù)后，即可通過求解滿足氣體容量約束方程且不大于最大閃蒸 器直徑dmax的閃蒸器直徑d與有效長度Leff的組合，據(jù)前式有： (2837.99漢80.607 W 1.38106708F2 * “ DLeff =34.5 2

22、ill I1 69 150丿8731.381 丿 100 一 再通過上式即可求得滿足停留時間約束且閃蒸器直徑不大于dmax的閃蒸器 直徑d與有效長度Leff的組合： D2Leff = 0.042 Qwtrw Qotro =0.0420 10 269.3 10 17.068 =120.27 由于在上述兩式中，閃蒸器直徑d的單位為mm，有效長度Leff的單位為m， 理論上在閃蒸器直徑相同的情況下應(yīng)該取上述兩個約束方程中較大的有效長度 值。但計算后可以發(fā)現(xiàn)氣體容量約束方程的與d Leff的組合要明顯小于停留時間 所確定的d與Leff的組合。因此可以得知，本課題在求解合適的閃蒸器直徑與長 度的組合時可

23、以僅以停留時間約束方程為依據(jù)。縫間長度取之前兩式中計算所得 的較大值。所得直徑與長度的組合關(guān)系如下表5-1所示： 表5-1計算所得直徑與長度組合關(guān)系表 直徑d mm 有效長度Leff m 縫間長度L m 長細比k 2500 6.92 9.226 3.69 3000 6.33 8.442 2.81 3500 5.86 7.816 2.23 4000 5.48 7.311 1.83 4500 5.17 6.89 1.53 由表5-1可繪制閃蒸器直徑與閃蒸器長度的關(guān)系曲線圖5-6與閃蒸器直徑與 長細比的關(guān)系曲線圖圖7。 圖5-6閃蒸器直徑與閃蒸器長度的關(guān)系曲線圖 9.5 9.U 7.0- 廳-5 I

24、|r|iJi| 25003000350040004500 直徑(mm) 圖5-7閃蒸器直徑與長細比的關(guān)系曲線圖 根據(jù)經(jīng)驗，閃蒸器的長細比應(yīng)控制在35之內(nèi)，而由閃蒸器直徑關(guān)系圖可知，閃 蒸器直徑大約在2.62.9m之間時，其長細比滿足要求，而當閃蒸器直徑在該范 圍內(nèi)時，其長度約為8.59m。為了計算方便，閃蒸器直徑選為 2.8m，對應(yīng)的閃 蒸器長度取整為9m。 5.5.2三相閃蒸器的主要內(nèi)部構(gòu)件分析及選取 三相閃蒸器的閃蒸計算是建立在一個穩(wěn)定的流場基礎(chǔ)上的， 同時理想化了一 些因素，而閃蒸器內(nèi)液位控制等更需要一個相對穩(wěn)定的流場， 為了能夠順利實現(xiàn) 閃蒸器的閃蒸性能，有時需要添加一些內(nèi)部構(gòu)件，以使

25、閃蒸器的內(nèi)部環(huán)境更適合 閃蒸的進行或者說能夠提高閃蒸性能和穩(wěn)定性。 進口構(gòu)件的選取 進口構(gòu)件也可以稱為入口分流器，他的作用主要是實現(xiàn)氣體和液體的預(yù)分 離。進口構(gòu)件有很多種，最基本的有以下兩種，分別是碰撞式和離心式。碰撞式 的進口構(gòu)件通常使用平板、彎板、圓盤等任意可以迅速改變進口流體的方向而不 會在其中殘存液體或氣體的構(gòu)件。 在速度相同的情況下，密度越大的組分其擁有的能量越大，也因此越不容易改變方向。對于油氣水三相閃蒸器而言，在產(chǎn)物液 進入閃蒸器撞擊進口構(gòu)件后，氣體迅速改變方向，流過進口構(gòu)件，而液體則落至 容器底部，從而完成氣體與液體的預(yù)分離。 碰撞式入口分流器依靠的是撞擊所造成的速度的急劇變化

26、，這種構(gòu)件主要要 求擋板是耐沖擊的結(jié)構(gòu)，而由于結(jié)構(gòu)簡單，所以在早期得到了較多的應(yīng)用。 圖6-1典型的離心式入口分流器 離心式入口分流器依靠離心力對進入閃蒸器的混合液進行預(yù)分離， 這種分離 器內(nèi)通常安裝有旋流噴嘴或者將入口部分設(shè)計成切向流體軌道， 使得入口流體進 入后形成旋轉(zhuǎn)流。離心式的進口構(gòu)件相對于其它進口構(gòu)件而言， 具有更高的分離 效率，同時還可以減少閃蒸液的泡沫與乳化問題， 但是它的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且要 求較嚴格的計算，最重要的一點是離心式進口構(gòu)件對流量的變化非常敏感， 流量 小或者流量不穩(wěn)定的情況下，這種進口構(gòu)件很難發(fā)揮其作用，這也是這種構(gòu)件在 實際應(yīng)用中受到的主要限制。 由于本設(shè)計中開采量較大，故應(yīng)選用離心式進口構(gòu)件。 除霧器 除霧器也叫捕霧器或者霧沫脫除器， 通常安裝于閃蒸器內(nèi)氣出口的前方，以 避免在沉降分離段因尺寸過小而未能沉降的小液滴隨氣體流出閃蒸器。閃蒸器中 如果不安裝除霧器而對氣出口所流出的氣體的純凈度又有較高要求，那么就必須 增大閃蒸器的沉降閃蒸段或者采用其它手段使重力沉降的液滴范圍更大，即使如 此也很難保證更小的液滴都能夠順利完成沉降，所以除霧器的作用與效果對三相 閃蒸器是至關(guān)重要的。除霧器的種類繁雜，在選型或者設(shè)計前，必須考慮以下幾