張濰然，陳宇慧，劉亞莉，王會(huì)林，張永海，董華東

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

淺析油氣分離設(shè)備及相關(guān)技術(shù)

張濰然，陳宇慧，劉亞莉，王會(huì)林，張永海，董華東

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

首先介紹了幾種不同油氣分離原理技術(shù)，分析了不同油氣分離技術(shù)的特點(diǎn)，其次對(duì)油氣分離器在不同應(yīng)用領(lǐng)域里的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，指出油氣分離器在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，最后簡(jiǎn)單介紹了濾材的研究現(xiàn)狀，并對(duì)濾材的研究進(jìn)展進(jìn)行了展望。

油氣分離器;結(jié)構(gòu)特點(diǎn);油氣分離技術(shù);濾材

在石油開采、天然氣生產(chǎn)、汽車、航天發(fā)動(dòng)機(jī)以及壓縮機(jī)等領(lǐng)域，油氣分離被視作一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。油氣分離器作為油氣分離過程中的一個(gè)核心部件，它的主要目的是完成油和氣的基本'相'的分離，脫除氣體中所夾帶的油滴或者脫除液體中所夾帶的氣泡，以及在分離后引出氣相和液相，不允許它們重新夾帶或摻混。

本文從油氣分離技術(shù)、不同領(lǐng)域的油氣分離器結(jié)構(gòu)、濾材及其過濾性能的研究現(xiàn)狀等方面，對(duì)油氣分離設(shè)備及相關(guān)技術(shù)做了總結(jié)展望。

1 油氣分離技術(shù)

1.1 重力分離

重力分離是利用油氣兩相密度不同來實(shí)現(xiàn)分離。在油氣混合物流動(dòng)的過程中，油滴隨氣流運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在重力作用下向下沉降，經(jīng)過一段時(shí)間，油滴就會(huì)沉降下來。該方法特點(diǎn)是處理量大，流動(dòng)阻力小，操作彈性大，但分離效果低下，只能分離直徑大于100μm的油滴[1]。此外，重力沉降分設(shè)備的體積大、制造成本高，在某些操作空間狹窄的場(chǎng)合不適合使用[2]。

1.2 慣性分離

慣性又稱為碰撞分離，是利用油滴的慣性作用來實(shí)現(xiàn)分離的。該方法對(duì)氣流速度大小要求較高，氣流速度較大時(shí)，會(huì)吹散已經(jīng)聚集在隔板上的油滴，使油滴重新?lián)交爝M(jìn)氣體中，造成二次夾帶現(xiàn)象，而氣流速度較小時(shí)，混合物中的油滴又無(wú)法在慣性作用下撞擊聚集到隔板上，造成分離效率下降[3]。慣性分離法的分離設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理量大、分離效果較好等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)于直徑25μm以下的液滴分離效果較差[4]。

1.3 離心分離

離心分離是利用離心力場(chǎng)來分離氣相中的油滴。在離心分離過程中，由于離心加速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重力加速度，因此離心分離比重力分離具有更高的效率[2]。而且離心分離法的分離設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于粒徑10μm以下顆粒，分離效率較低[5]。

1.4 過濾分離

過濾分離是通過在氣流通道上加裝過濾元件或過濾介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)分離。其核心部件為濾芯，主要由金屬絲網(wǎng)和玻璃纖維組成[6]。濾芯對(duì)于直徑不小于5μm的油滴，可以達(dá)98%～99.8%的分離效率[7]。其缺點(diǎn)是濾材清洗困難、設(shè)備運(yùn)行成本較高、使用壽命短等。

近年來，由于對(duì)油氣分離效率的要求不斷提高，使用一種分離方法進(jìn)行油氣分離已無(wú)法滿足行業(yè)的需求，一般都采用幾種分離技術(shù)耦合的分離設(shè)備實(shí)現(xiàn)油氣分離。

2 油氣分離器在不同應(yīng)用領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)：汽車行業(yè)

油氣分離器早在十九世紀(jì)前葉就被人們所利用，但是油氣分離器用在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上還是上世紀(jì)六十年代的事，而國(guó)內(nèi)對(duì)油氣分離技術(shù)的研究還要更晚一些。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量較小，油氣分離器安裝空間較小的特點(diǎn)，常用的分離器形式有：容積式、迷宮式、旋風(fēng)式、濾網(wǎng)式。

容積式油氣分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)用了重力分離的原理，需要的重力沉降室尺寸較大。且容積式油氣分離器分離效率很低，所以在實(shí)際應(yīng)用中很少單獨(dú)使用，常用作預(yù)分離器。

迷宮式油氣分離器的分離原理是在氣流運(yùn)動(dòng)的路徑中設(shè)置多塊擋板，通過慣性作用實(shí)現(xiàn)分離。該結(jié)構(gòu)曾廣泛采用，但分離效果欠佳，隨著時(shí)間的推移，有日益減少的趨勢(shì)[8]。

離心式油氣分離器，運(yùn)用了離心分離原理。早期的離心力場(chǎng)用靜止的葉片形成渦流氣流，氣流中的微粒在離心力的作用下沿徑向向外運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工困難?，F(xiàn)在多以切向進(jìn)氣形成離心力場(chǎng)，該分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中被廣泛使用。

濾網(wǎng)式油氣分離器，它的分離原理是過濾和聚結(jié)。由于過濾材質(zhì)的再生性很差，使用壽命不長(zhǎng)，一般不單獨(dú)使用，但它可分離粒徑較小，常用作二次分離[9]。

在當(dāng)前市場(chǎng)上，發(fā)動(dòng)機(jī)用油氣分離器更多的是多種分離方法相結(jié)合的分離方式，比如：濾網(wǎng)式+擋板式或?yàn)V網(wǎng)式+旋風(fēng)式。多種方式結(jié)合的油氣分離器在對(duì)不同直徑油滴分離時(shí)都能達(dá)到較好的效果。未來，為了提高分離效率，減少大氣污染物的排放，車用油氣分離器的發(fā)展可能會(huì)結(jié)合更多種的分離方式。

2.2 壓縮機(jī)行業(yè)

該行業(yè)特點(diǎn)：氣體是高溫高壓，分離效率要求高，一般專業(yè)廠家生產(chǎn)的油氣分離器已經(jīng)可使氣體中的含油量降到2×10-6～3×10-6[10]。其中以噴油螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用最多。其結(jié)構(gòu)大致有以下三種設(shè)計(jì)。

第一種：為了提高分離效果，早期采用多層過濾介質(zhì)進(jìn)行油氣分離。但由于分層過多，阻力大、壓降大，且維護(hù)維修困難，經(jīng)改進(jìn)后油氣分離器結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，經(jīng)過10年的使用檢驗(yàn)，分離元件2年更換一次，延長(zhǎng)了該部位的維修周期，而且，節(jié)油和節(jié)電效果也非常明顯，從而獲得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[11]。這種結(jié)構(gòu)一般使用在LGF型移動(dòng)式螺桿空壓機(jī)上。

第二種分離器結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，在筒體內(nèi)設(shè)置了濾芯，油氣混合物沿著筒體與濾芯間的通道 ，旋轉(zhuǎn)形成了離心力，從而達(dá)到粗分離的目的[12]。二次過濾聚結(jié)分離在濾芯中完成，此時(shí)的油氣混合物中的油滴直徑多在1μm以下，經(jīng)過過濾和聚結(jié)兩個(gè)過程分離直徑在1μm以下的油滴。油氣分離器不但可以提高壓縮空氣的純度，而且被分離出的潤(rùn)滑油經(jīng)過冷卻后會(huì)重新回到機(jī)組的油回路中重復(fù)利用，從而起到節(jié)能環(huán)保的作用。廠家較多采用此結(jié)構(gòu)。

第三種是油氣分離器結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示， 這種結(jié)構(gòu)采用兩級(jí)分離，把一次分離和二次分離分開進(jìn)行，并在一次油分罐和二次油分芯進(jìn)口處分別設(shè)置擋板。其中，一次分離效率的高低對(duì)其總的分離效率有重要影響[13]。

圖1 空氣壓縮機(jī)行業(yè)用油氣分離器結(jié)構(gòu)

3 濾材過濾性能的研究現(xiàn)狀

濾材是過濾分離中最主要的一部分，主要包括進(jìn)氣口處的不銹鋼擋板和濾芯中的過濾介質(zhì)。目前，利用慣性力和重力分離的機(jī)械碰撞法要在流體的流動(dòng)方向上設(shè)置障礙物。這些障礙物元件主要以不銹鋼為材料做成板或網(wǎng)。利用過濾與聚結(jié)原理分離是通過在氣流通道上加裝過濾元件或介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)分離，油氣分離濾芯中的濾材主要有金屬纖維絲網(wǎng)，玻璃纖維，陶瓷等材料。近些年，專家對(duì)濾芯氣液過濾性能做了研究。

G.Vasudevan[14]等對(duì)B-玻璃纖維、無(wú)堿玻璃纖維和B-無(wú)堿復(fù)合型玻璃纖維做了大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，B-無(wú)堿復(fù)合型玻璃纖維的聚結(jié)過濾速度、使用壽命較高，且介質(zhì)表面沾油后硬度不會(huì)有明顯改變。常誠(chéng)[15]等通過對(duì)孔隙大小不同的纖維做和親油疏油纖維分別做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，孔隙越小的纖維越容易把液滴聚結(jié)成液膜，而親油濾材比疏油濾材的表面能更大。Mullins[16]等對(duì)液滴與單根纖維之間相互作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明纖維表面能越大，液滴與纖維的接觸角越小，液滴越容易浸潤(rùn)纖維。

在氣液過濾介質(zhì)性能影響的研究上，液滴物性參數(shù)對(duì)過濾性能的影響也不能被忽略。Contal[17]等通過實(shí)驗(yàn)比較了十甲基環(huán)五硅氧烷、甘油和鄰苯二甲酸二辛酯3種液體對(duì)氣液過濾壓降的影響，結(jié)果表明，甘油的表面張力和黏度較大，導(dǎo)致濾材壓降變化最快，濾材最終的壓降也最大。李柏松[18]等利用濾材實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)表面張力和黏度等液體物性參數(shù)對(duì)氣液過濾性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，液體表面張力較大時(shí)出口液滴濃度較大；液體黏度對(duì)濾材壓降影響較小。

目前，對(duì)濾材過濾過濾性能的研究主要集中在外部流體對(duì)其的影響，而對(duì)濾材本身的物性參數(shù)如孔隙大小，厚度，滲透率，過濾層數(shù)等對(duì)過濾性能的研究較少，未來可以考慮更多的對(duì)濾材本身定量定性來研究其過濾性能。在濾材的使用方面，更多的是使用單一種類的濾材或添加特殊材料，在實(shí)驗(yàn)研究中，其實(shí)可以根據(jù)不同濾材的特性，結(jié)合過濾介質(zhì)的特點(diǎn)，讓不同種類的濾材結(jié)合使用來達(dá)到更好的過濾效果。

4 總結(jié)

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源重復(fù)利用意識(shí)的加強(qiáng)，物質(zhì)重復(fù)利用以及對(duì)污染物排放的處理技術(shù)的更新發(fā)展將會(huì)不斷加快，而油氣分離過程中的相關(guān)技術(shù)也將得到持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用。近些年，在不同領(lǐng)域的油氣分離相關(guān)技術(shù)得到了穩(wěn)步發(fā)展，除了在優(yōu)化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上朝著符合我國(guó)國(guó)情的方向發(fā)展外，也要加大力度發(fā)展創(chuàng)新屬于自己的油氣分離相關(guān)技術(shù)。未來，油氣分離相關(guān)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新上，要注重：①對(duì)多種不同油氣分離方法的耦合使用，提升過濾效率，提高分離效果；②對(duì)不同行業(yè)使用的油氣分離得結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)更加合理、輕便、耐用；③對(duì)濾材的創(chuàng)新研究，不斷開發(fā)出新型的過濾材料，為不同行業(yè)創(chuàng)造出重要價(jià)值。

[1] 劉承昭. 橇裝式集氣裝置用分離器的研制及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[J].天然氣與石油, 1994(1):36-40.

[2] 李明道. 采油廠中油氣及油水分離相關(guān)技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué), 2014.

[3] 梁 政, 王惠明, 梁春平. 斜板式氣液重力分離技術(shù)研究[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 31(4):154-158.

[4] 王紹周. 氣液分離及高效分離器的應(yīng)用探索[J].小氮肥, 2007, 35(3):25-25.

[5] 于 洲, 馬春元. 動(dòng)態(tài)旋風(fēng)分離器數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J].化工進(jìn)展, 2014, 33(7):1684-1690.

[6] 陳明鵬. 氣液分離技術(shù)設(shè)備發(fā)展[J]. 企業(yè)導(dǎo)報(bào), 2010(6):287-287.

[7] 虢國(guó)成,王滿生. 絲網(wǎng)氣液分離器分離機(jī)理分析研究[J].食品與機(jī)械,2010(4):98-101+108.

[8] 黃 闊,蔣升龍,袁兆成. 車用發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器的設(shè)計(jì)匹配[J]. 汽車技術(shù),2012(3):32-35.

[9] 黃 誠(chéng). 柴油機(jī)油氣分離器開發(fā)[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2012.

[10] 練浩強(qiáng). 噴油螺桿空壓機(jī)油氣分離器設(shè)計(jì)探討[J]. 科學(xué)之友, 2012(11):11-12.

[11] 杜德軍. LGF型螺桿式空氣壓縮機(jī)油氣分離器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J]. 礦山機(jī)械, 2007(3):118-119.

[12] 白茹芳. 油氣分離器常見結(jié)構(gòu)分離效果分析[J]. 化工裝備技術(shù),2009(4):21-22.

[13] 馮健美, 暢云峰, 張 勇,等. 噴油壓縮機(jī)臥式油氣分離器特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 42(5):561-564.

[14] Vasudevan G, Chase G G. Performance of B-E-glass fiber media in coalescence filtration[J]. Journal of Aerosol Science, 2004, 35(1):83-91.

[15] 常 程,姬忠禮,黃金斌,等. 氣液過濾過程中液滴二次夾帶現(xiàn)象分析[J]. 化工學(xué)報(bào),2015(4):1344-1352.

[16] Mullins B J, Pfrang A, Braddock R D, et al. Detachment of liquid droplets from fibres-Experimental and theoretical evaluation of detachment force due to interfacial tension effects[J]. Journal of Colloid & Interface Science, 2007, 312(2):333-340.

[17] Contal P, Simao J, Thomas D, et al. Clogging of fibre filters by submicron droplets. Phenomena and influence of operating conditions[J]. Journal of Aerosol Science, 2004, 35(2):263-278.

[18] 李柏松, 姬忠禮, 馮 亮. 液體黏度和表面張力對(duì)濾材氣液過濾性能的影響[J]. 化工學(xué)報(bào), 2010, 61(5):1150-1156.

(本文文獻(xiàn)格式：張濰然，陳宇慧，劉亞莉，等.淺析油氣分離設(shè)備及相關(guān)技術(shù)[J].山東化工，2016，45(24)：96-97，101.)

Elementary Analysis of Oil-Gas Separation Equipment and Related Technology

Zhang Weiran, Chen Yuhui, Liu Yali, Wang Huilin, Zhang Yonghai, Dong Huadong

(School of Energy and Power Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002,China)

This paper first introduced several different oil-gas separation principles, analyzed the characteristics of different oil-gas separation technology, followed by the comparative analysis of the structural characteristics of oil-gas separator in different application fields, pointed out that the improvement in the structure of the oil-gas separator, finally introduced the research status and prospected research progress of the filter.

oil-gas separator; structural characteristics; oil-gas separation principles; filter

2016-11-09

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：152102210148)，鄭州輕工業(yè)學(xué)院研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目

張濰然(1992—)，河南商丘人，研究生，主要研究方向?yàn)榛み^程機(jī)械；通訊作者：陳宇慧(1986—)，女，黑龍江鶴崗人，講師，主要研究方向?yàn)榛み^程機(jī)械。

TQ051

A

1008-021X(2016)24-0096-02