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(xué)重力閃蒸，或采用電熱化學(xué)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(fù)壓(0.1MPa)、低壓(6.0MPa)分離器等。立式

2、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所示圖5-2 一般三相閃蒸器的簡單結(jié)構(gòu)示

3、意圖1三相流體入口；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

4、時間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，混合

5、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(xué)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，主要為液體中氣體的析出及油

6、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100m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5-3臥式三相閃蒸器結(jié)構(gòu)示意圖5-3是典型的臥式三相閃蒸器結(jié)構(gòu)示意圖，產(chǎn)物進入閃

7、蒸器后首先進入入口分流區(qū)，并撞擊到入口擋板上，使混合液的方向和速度發(fā)生很大變化，這種液流動量的突然改變，造成了氣液的預(yù)分離。預(yù)分離后的液體落入集液區(qū)，在集液區(qū)閃蒸器提供充足的時間使油能聚集到上層而水沉降到底層，在大多數(shù)設(shè)計中，入口分流區(qū)往往裝有液相導(dǎo)管，將預(yù)分離后的液體引入油水界面以下，這樣可以促進水珠的聚沉。在經(jīng)過集液區(qū)后，上層的油液溢過堰板進入其后的油室，通過液位控制閥實時排出油液控制油室的油位；為保持油水界面的高度，下層的水相經(jīng)另一液位控制閥控制后由排水閥離開閃蒸器。預(yù)分離后的氣體進入重力沉降區(qū)，并在氣相中攜帶的較大液滴完成沉降后經(jīng)除霧器到達壓力控制閥，通過壓力控制閥控制氣體的排出量保證

8、閃蒸器壓力的恒定。氣液界面根據(jù)油氣閃蒸的相對重要性可由直徑的 1/2 變到 3/4，但在通常情況下會選擇半滿狀態(tài)。重力式閃蒸器的設(shè)計主要是依據(jù)已有的設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，而已有規(guī)范中只有對兩相閃蒸器設(shè)計的規(guī)定21，對于三相閃蒸器的設(shè)計計算，規(guī)范中并未涉及。另外，國內(nèi)目前沒有通用的三相閃蒸器的計算方法，探討較多的是以氣液沉降理論為依據(jù)進行的尺寸設(shè)計，盡管具體設(shè)計的名稱、公式、符號等略有差異，但其原理一致，且設(shè)計步驟基本通用，本章將以臥式三相閃蒸器的設(shè)計為例對三相閃蒸器設(shè)計進行理論研究。5.2三相閃蒸器基礎(chǔ)設(shè)計理論對三相閃蒸器進行尺寸設(shè)計，可以分為以下兩個部分，即氣液分離和油水分離。而無論是油水沉降部分

9、還是氣體分離部分，都是以相關(guān)的約束條件為基礎(chǔ)，通過計算求取閃蒸器的有效長度和閃蒸器的直徑又或者二者的關(guān)系式22。閃蒸器的設(shè)計不論是氣體分離部分還是油水分離部分，都需要考慮以下三個條件，即液滴沉降、液滴的大小和停留時間。5.2.1液滴沉降在閃蒸過程中，液滴在各個具體條件下分離效果不能進行直接計算，所以為了簡化計算過程，通常假設(shè)液滴是球形液滴，并目液滴之間不存在相互作用力，而液滴的沉降速度為液滴所受重力與浮力之差與阻力相等時的勻速運動時的速度。下面以氣體中液滴的沉降為例進行說明，設(shè)氣體中的液滴所受重力與浮力之差為，液滴下落時氣體對其阻力為，則可知： （1） （2）式中，重力與浮力之差（N）；阻力（

10、N）；阻力系數(shù)；液滴沉降速度（）；g重力加速度（）；液體密度，氣體密度（）；液滴直徑（m）；當(dāng)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。令，可得： （3）當(dāng)液滴周圍流動是層流時，斯托克斯定律適用于此過程且，此時 （4）然而，在實際生產(chǎn)當(dāng)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：（5）在產(chǎn)品設(shè)計過程中，當(dāng)需要獲得更準(zhǔn)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：（6）（7）此時，可令，即可得沉降速度的方程如下：（8）式中，液滴直徑（）；Re雷諾數(shù)；液滴對于水的相對密度（）；氣體對于水的相對密度（

11、）；水的密度（）；氣體的密度（）；氣相粘度（）；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(zhǔn)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(rèn)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

12、，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，所以在進行閃蒸器設(shè)計時通常將直徑為100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

13、閃蒸，氣相的停留時間通常為30s3min,而液相的停留時間則較長，通常需要330min，對于水相而言，若沒有可用的合適數(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

14、，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進行。如圖4所示氣體沿水平方向流動，其速度為，顆粒的沉降速度為，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，液滴沉降至液面的時間為，則（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，其中（11）（12）而可通過沉降速度公式（8）求得，臨界狀態(tài)時液滴隨氣流流過有效長度的時間與液滴沉降至液面的時間相

15、等，設(shè)=，可求得氣體容量約束方程：（13）以上各式中，D容器外徑（m）；有效長度（m）；T運行溫度（K）；常溫常壓下氣體流量（）；P運行壓力（）；Z氣體壓縮系數(shù)；氣體流速（）；液滴對于水的相對密度（）；氣體對于水的相對密度（）；液滴直徑（）；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(dāng)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

16、，液體流量為，停留時間為則且，進而可知閃蒸器內(nèi)油相的體積如下：（14）閃蒸器內(nèi)水相的體積為：（15）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：（16）聯(lián)立以上三個式子就可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）以上式中，、容器有效體積、容器中油相體積、容器中水相體積（）；、停留時間、油相停留時間、水相停留時間（）；、液體流量、油流量、水流量（）；、液體、油相、水相的橫截面積（）；D容器外徑（m）；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（）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

17、沉降速度以及在油相中的停留時間，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（），油層的厚度是（），則有，即：（18）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?？紤]油相的停留時間單位為分鐘，故臨界狀態(tài)時為，即有：（19）式中，油層最大厚度（）；水滴在油相中的沉降時間（）；油相的粘度（）；、水相、油相對于水的相對密度；水在油相中的停留時間（）；液滴直徑（）；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，

18、可按以下步驟確定閃蒸器的最大直徑：1 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：（20）2 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)。圖5-5 閃蒸器半滿狀態(tài)下的系數(shù)3 計算最大直徑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(xì)比除了已經(jīng)經(jīng)計算可以求解的閃蒸器的有效長度以及閃蒸器的直徑以外，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

19、后端出口區(qū)L2部分?；跉怏w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：（21）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)驗公式為：（22）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

20、的縫間長度與直徑的比值應(yīng)控制在35之間，即最佳長細(xì)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，油相最大液體流量=17.068m3/h混合物粘度為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，故可通過之前所得公式計算最大油層厚度：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：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：因此閃蒸過程中溫度控制可假定維持10，而氫氣的動力粘度：而阻力系數(shù)也可以根據(jù)經(jīng)驗初定為0.34，

21、氣相密度由Aspen模擬可知為，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與阻力系數(shù)，迭代結(jié)果如下：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的閃蒸器直徑與有效長度的組合，據(jù)前式有：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的閃蒸器直徑與有效長度的組合：由于在上述兩式中，閃蒸器直徑的單位為，有效長度的單位為，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的組合要明顯小于停留時間所確定的與的組合。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以僅以停留時間約束方程為

22、依據(jù)?？p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)系表直徑有效長度縫間長度長細(xì)比25006.929.2263.6930006.338.442 2.813500 5.867.8162.2340005.487.3111.8345005.176.891.53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(xì)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)系曲線圖圖5-7 閃蒸器直徑與長細(xì)比的關(guān)系曲線圖根據(jù)經(jīng)驗，閃蒸器的長細(xì)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

23、間時，其長細(xì)比滿足要求，而當(dāng)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

24、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，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

25、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(yán)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，必須考慮以下幾點：閃蒸器沉降分離