毕业设计-三相分离器的设计三相闪蒸器材的设计(共19页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第五章：三相闪蒸罐设计5.1概述 在甲苯甲醇烷基化过程中，需要将氢气分离出去和把反应产物提纯，这需要用三相闪蒸罐对原料进行预处理。常规工艺先采用气液分离器进行气液两相闪蒸，闪蒸后的油相再利用沉降罐进行热化学重力闪蒸，或采用电热化学脱水。这种工艺存在工艺复杂、设备多、投资大，管理和维护工作量大的问题。三相闪蒸器将产物的脱气、脱水结合。工艺简单，投资少，管理和维护简单，有利于实现产品处理工艺的密闭。5.1.1闪蒸器的类型 工业上常用的分离器, 按其外形分主要有立式和卧式两种; 按功能分有气液两相闪蒸器和油、气、水三相闪蒸器等；按操作压力可分为负压(<0.1MPa)、低压(<1.5MPa)、中压(1.56.0MPa)和高压(>6.0MPa)分离器等。立式闪蒸器5-1立式闪蒸器的简单结构示意图 立式闪蒸器一般用于处理高气液比的油气混合物,如用作气体洗涤器、分液罐等, 以便除去大量气体中所含少量液体。 立式闪蒸器的内部结构如图所示，混合物由侧面进入闪蒸器, 经入口分流器使油气得到初步分离, 液体向下沉降至闪蒸器的集液部分, 析出所携带的气泡后经液控阀流入管线；经入口分流后的气体向上流向气体出口, 气体所携带的较重油滴在重力作用下沉降至集液部分; 较小的液滴经出口捕雾器碰撞聚集后进一步脱除, 然后气体流出闪蒸器。 卧式闪蒸器 卧式闪蒸器多用于液气比较高的情况,像原油分离器、缓冲罐等。闪蒸器的内部结构如图5-2所示图5-2 一般三相闪蒸器的简单结构示意图1三相流体入口；2挡板；3气相整流件；4填料或防浪板；5捕雾器；6气出口；7下液管；8溢流堰板；9防涡器；10水出口；11油出口 流体进入闪蒸器，经过入口分流器后气、液的流向和流速突然改变, 使气液得以初步分离。气体水平地通过液面上方的重力沉降部分, 被气流携带的液滴在此部分靠重力沉降至气液界面, 未沉降至液面的粒径更小的液滴在出口捕雾器碰撞聚集成大液滴, 在重力作用下沉降至集液部分。经过初步分离的液体在重力作用下流入闪蒸器的集液部分, 集液部分需要有一定的空间, 使液体流出前有足够的停留时间；对于两相闪蒸器, 足够的停留时间可以使原油中气泡升至液面并进入气相；对于三相闪蒸器, 足够的停留时间除使油中气泡析出至气相外, 还可以使油中水滴沉降至水层, 水层的油滴升至油层, 然后再通过控制阀流出闪蒸器。油气界面的高度一般控制在(1/23/4)D之间。为了提高脱水效果，容器内部一般加设填料。填料的形式有斜板、波纹板，或填料和斜板合一等。油水混合液流过这些填料时，可使水滴吸附其表面，在液体的剪力作用下破坏水滴表面张力，使水滴易于聚结；同时，顺着填料下沉，缩短沉降时间。 有的闪蒸器气相也设置填料。由于气相主要是分出液体，填料可能与油水分离段的填料不同。 填料段一般设置12段，如果太多，不经济，且占去较大的闪蒸空间。根据填料和波纹板的功用，它们应满足以下要求： a. 具有良好的润湿性，混合物流经其表面时，水滴（或油滴）易于吸附； b. 能长期使用，不易破碎，并不与油、水发生化学变化； c. 来源广，价格低廉。 对于用于浮式生产储油设施上的闪蒸器，由于波动原因必须考虑增加内部防浪设施稳定界（液）面。比较简单的办法是采用防浪板，如图所示，有时填料兼作防浪板。防浪板的多少根据闪蒸器闪蒸段的长度来定。我们采用的是卧式闪蒸罐。5.1.2闪蒸器结构卧式三相闪蒸罐包括入口分流区、集液区、重力沉降区和除雾器区四个部分： 1)入口分流区入口分流区也正是利用了混合液较高的动能，通过突然改变混合液的方向吸收其动能，达到气液的初步分离。2)集液区 集液区位十二相闪蒸器的底部，主要为液体中气体的析出及油水的沉降闪蒸提供充足的停留时间。需要指出的是油与水的闪蒸时间要明显高于气液的闪蒸时间。3)重力沉降区 重力沉降区一般是对于气体而言，即进入该区域后气体的速度下降，气体中携带的较大的液滴由于重力的作用落到气液交界面，而更小的液滴则需要依靠后面的除雾器除去，以保证闪蒸所得气体中不含液体或含量很少。4)除雾器区 气体在经过重力沉降区后，较大的液滴已经沉降至液体中，但气体中仍含有大量的小液滴(通常为小于100m液滴)，这些液滴将在气体通过除雾器时得以去除，去除的液滴在聚并成为较大液滴后落入集液区。 5.1.3闪蒸器工作原理5-3卧式三相闪蒸器结构示意图5-3是典型的卧式三相闪蒸器结构示意图，产物进入闪蒸器后首先进入入口分流区，并撞击到入口挡板上，使混合液的方向和速度发生很大变化，这种液流动量的突然改变，造成了气液的预分离。预分离后的液体落入集液区，在集液区闪蒸器提供充足的时间使油能聚集到上层而水沉降到底层，在大多数设计中，入口分流区往往装有液相导管，将预分离后的液体引入油水界面以下，这样可以促进水珠的聚沉。在经过集液区后，上层的油液溢过堰板进入其后的油室，通过液位控制阀实时排出油液控制油室的油位；为保持油水界面的高度，下层的水相经另一液位控制阀控制后由排水阀离开闪蒸器。预分离后的气体进入重力沉降区，并在气相中携带的较大液滴完成沉降后经除雾器到达压力控制阀，通过压力控制阀控制气体的排出量保证闪蒸器压力的恒定。气液界面根据油气闪蒸的相对重要性可由直径的 1/2 变到 3/4，但在通常情况下会选择半满状态。重力式闪蒸器的设计主要是依据已有的设计规范和标准，而已有规范中只有对两相闪蒸器设计的规定21，对于三相闪蒸器的设计计算，规范中并未涉及。另外，国内目前没有通用的三相闪蒸器的计算方法，探讨较多的是以气液沉降理论为依据进行的尺寸设计，尽管具体设计的名称、公式、符号等略有差异，但其原理一致，且设计步骤基本通用，本章将以卧式三相闪蒸器的设计为例对三相闪蒸器设计进行理论研究。5.2三相闪蒸器基础设计理论对三相闪蒸器进行尺寸设计，可以分为以下两个部分，即气液分离和油水分离。而无论是油水沉降部分还是气体分离部分，都是以相关的约束条件为基础，通过计算求取闪蒸器的有效长度和闪蒸器的直径又或者二者的关系式22。闪蒸器的设计不论是气体分离部分还是油水分离部分，都需要考虑以下三个条件，即液滴沉降、液滴的大小和停留时间。5.2.1液滴沉降在闪蒸过程中，液滴在各个具体条件下分离效果不能进行直接计算，所以为了简化计算过程，通常假设液滴是球形液滴，并目液滴之间不存在相互作用力，而液滴的沉降速度为液滴所受重力与浮力之差与阻力相等时的匀速运动时的速度。下面以气体中液滴的沉降为例进行说明，设气体中的液滴所受重力与浮力之差为，液滴下落时气体对其阻力为，则可知： （1） （2）式中，重力与浮力之差（N）；阻力（N）；阻力系数；液滴沉降速度（）；g重力加速度（）；液体密度，气体密度（）；液滴直径（m）；当液滴所受重力与浮力之差等于阻力时，液滴作匀速运动，此速度即为沉降速度。令，可得： （3）当液滴周围流动是层流时，斯托克斯定律适用于此过程且，此时 （4）然而，在实际生产当中，斯托克斯定律并不适用于一切情况，根据流体流动状态不同可根据雷诺数（Re）的大小确定此时运用的阻力系数表达式：（5）在产品设计过程中，当需要获得更准确的阻力系数时，就需要引入更加完整的阻力系数方程：（6）（7）此时，可令，即可得沉降速度的方程如下：（8）式中，液滴直径（）；Re雷诺数；液滴对于水的相对密度（）；气体对于水的相对密度（）；水的密度（）；气体的密度（）；气相粘度（）；阻力系数；水相中油滴的上浮和油相中水滴的沉降都处于层流状态，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计算时需根据具体情况，使用不同的相对密度差、粘度和液滴尺寸。液滴尺寸对于气液分离部分而言，重力沉降区的作用在于除去预先选定好尺寸的液滴，为气体进入除雾器做准备。因为如果有过多大颗粒的液滴存在，那么除雾器就会被浸渍，不能完成其应有的高纯度净化。根据一般分离经验，重力沉降区可以去除直径大小大约为100的液滴，即直径大于100的颗粒在经过重力沉降区之后可以被认为已经去除，而直径更小的液滴会在离开闪蒸器时被除雾器处理。所以在设计时，为了去除直径大小为100的液滴，可以在该区域使用气体容量方程进行设计。但是对于油中水滴的脱除和水中油滴的脱除，要预测其尺寸是十分困难的，所以在进行闪蒸器设计时通常将直径为100油滴的沉降速度作为闪蒸器参数设计依据。而水相中油滴的脱出通常很少考虑，是因为油滴从水相中脱出要比水滴从油相中分离容易的多，这可以从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。停留时间停留时间是指一个液体分子在容器中停留的平均时间。它需要保证气液在闪蒸器中达到平衡，而原油的储存量要保证可以使闪蒸汽析出，同时油相中的水滴可以凝结成液滴沉降公式中所述的下沉尺寸。根据实际经验来看，对于气液闪蒸，气相的停留时间通常为30s3min,而液相的停留时间则较长，通常需要330min，对于水相而言，若没有可用的合适数据，通常采用10min作为其停留时间。5.2.2气相中的液滴闪蒸对重力式三相闪蒸器进行尺寸设计，需要先确定闪蒸器的有效长度和闪蒸器尺寸直径。对于气液闪蒸部分来讲，所确定的闪蒸器尺寸必须能够满足使液滴从气体落入液体的气体容量，并有足够的时间使闪蒸器内各相内达到相平衡。根据沉降原理可以设立出针对气体容量约束的尺寸方程（13），该方程的设立依据是气体停留时间等于液滴沉降至液面所需的时间。对于“半满式”容器来说，液面位于容器的1/2高度处。在卧式闪蒸器中，气体流向和油滴沉降的方向垂直，只有液滴随气流流过有效长度的时间不大于液滴沉降至液面的时间时，才能保证液滴沉降的顺利进行。如图4所示气体沿水平方向流动，其速度为，颗粒的沉降速度为，为了保证颗粒沉降的顺利进行，必须保证处于最靠近输入点的颗粒能够沉降在沉降区尾部之前，沉降至沉降区末尾时为临界状态，在这种情况下，可以保证所有液滴都可在有效长度内沉降至气液分界面。图5-4 卧式闪蒸器液滴沉降模型设液滴随气流流过有效长度的时间为，液滴沉降至液面的时间为，则（9）（10）而气体的流速可以通过气体流量与横截面积之比求得，即，其中（11）（12）而可通过沉降速度公式（8）求得，临界状态时液滴随气流流过有效长度的时间与液滴沉降至液面的时间相等，设=，可求得气体容量约束方程：（13）以上各式中，D容器外径（m）；有效长度（m）；T运行温度（K）；常温常压下气体流量（）；P运行压力（）；Z气体压缩系数；气体流速（）；液滴对于水的相对密度（）；气体对于水的相对密度（）；液滴直径（）；阻力系数；5.2.3油水的沉降闪蒸在对三相闪蒸器进行液液分离之前需先考虑其的停留时间，这里的停留时间指水相停留时间和油相停留时间，产物的储存量或者说油相的停留时间要保证游离水在该时间内可以聚结至足够大的尺寸以达到下沉分离的目的，同时液相当中的气体可以释放出，使气相和液相达到相平衡。该约束对于油气两相分离而言，即是指液体容量约束。设闪蒸器有效长度部分的容积为，液体流量为，停留时间为则且，进而可知闪蒸器内油相的体积如下：（14）闪蒸器内水相的体积为：（15）因为容器为半满式容器，故液体体积为容器体积的一半，即可知：（16）联立以上三个式子就可以得到停留时间限制而得的闪蒸器直径与有效长度的可取组合：（17）以上式中，、容器有效体积、容器中油相体积、容器中水相体积（）；、停留时间、油相停留时间、水相停留时间（）；、液体流量、油流量、水流量（）；、液体、油相、水相的横截面积（）；D容器外径（m）；有效长度（m）；油滴在水相中的沉降及水滴在油相中的沉降为层流状态，即颗粒沉降速度（）可以用斯托克斯公式计算，即上式中雷诺数计算公式（7）。综合考虑水滴在油相中的沉降速度以及在油相中的停留时间，可以确定水滴所能够沉降的距离，从而可进一步推得油相厚度的最大尺寸。设油相中水滴的沉降时间为（），油层的厚度是（），则有，即：（18）要使水滴能够穿过油层，则必须使水滴在油相停留时间内的沉降距离大于油层本身的厚度，或者说水滴穿过油层的沉降时间小于在油相中的停留时间，临界状态下即二者相等。考虑油相的停留时间单位为分钟，故临界状态时为，即有：（19）式中，油层最大厚度（）；水滴在油相中的沉降时间（）；油相的粘度（）；、水相、油相对于水的相对密度；水在油相中的停留时间（）；液滴直径（）；5.3闪蒸器的最大直径在油相和水相的停留时间都已知的情况下，得到油层的最大厚度以后，可按以下步骤确定闪蒸器的最大直径： 计算水相在闪蒸器内体积的比例，即其在闪蒸器内所占截面积与闪蒸器截面积的比例：（20） 根据截面积的比例，可通过闪蒸器半满状态下截面积比例确定系数。图5-5 闪蒸器半满状态下的系数 计算最大直径因为水相中油滴的分离与油相中水滴的沉降原理及计算过程一致，只需将黏度及停留时间等参数替换即可得出，又由于油滴从水相中分离较水滴从油相中分离容易，所以设计时通常以油层中水珠的分离为设计依据。5.4闪蒸器的缝间长度及长细比除了已经经计算可以求解的闪蒸器的有效长度以及闪蒸器的直径以外，闪蒸器的缝间长度还应包括图5-4闪蒸器中除了有效闪蒸沉降部分以外的前端入口分流区L1及后端出口区L2部分。基于气体容量设计的闪蒸器尺寸，缝间长度一部分用来均匀分布入口分流区的液流，另一部分需要用来安置气出口处用于去除小液滴的除雾器装置，其经验计算公式为：（21）而根据液体容量设计的闪蒸器尺寸，闪蒸器的缝间长度的一部分需用来均匀分布入口分流区及出口区的液流，该长度的经验公式为：（22）所以在计算闪蒸器的总体长度时，应选取上述二式中的较大值。闪蒸器尺寸设计的原则是在完成规定闪蒸要求的前提下使闪蒸器的成本尽可能达到最低。然而毫无疑问的一点是，闪蒸器的直径越低其总体成本就越低，但随着闪蒸器直径的减小，会增加湍流的产生，还会增大气体再次进入液体的可能性。根据以往资料及实际经验表明，闪蒸器的缝间长度与直径的比值应控制在35之间，即最佳长细比为35。5.5三相闪蒸器的设计计算5.5.1闪蒸器的主体尺寸由Aspen模拟可知，水相最大液体流量，油相最大液体流量=17.068m3/h混合物粘度为0.Pas。油相的粘度是0.Pas。油相的密度为872.6kg/m3通过经验可取水在油相中的停留时间，故可通过之前所得公式计算最大油层厚度：再由此前所得公式可求解水相所占截面积与闪蒸器筒体截面积比值：截面积比值已知，可通过上图查得系数0.03，进而可求得闪蒸器最大直径：因此闪蒸过程中温度控制可假定维持10，而氢气的动力粘度：而阻力系数也可以根据经验初定为0.34，气相密度由Aspen模拟可知为，以此即可通过VB编写简易循环程序迭代求解气相中液滴的沉降速度与阻力系数，迭代结果如下：在求得阻力系数后，即可通过求解满足气体容量约束方程且不大于最大闪蒸器直径的闪蒸器直径与有效长度的组合，据前式有：再通过上式即可求得满足停留时间约束且闪蒸器直径不大于的闪蒸器直径与有效长度的组合：由于在上述两式中，闪蒸器直径的单位为，有效长度的单位为，理论上在闪蒸器直径相同的情况下应该取上述两个约束方程中较大的有效长度值。但计算后可以发现气体容量约束方程的与的组合要明显小于停留时间所确定的与的组合。因此可以得知，本课题在求解合适的闪蒸器直径与长度的组合时可以仅以停留时间约束方程为依据。缝间长度取之前两式中计算所得的较大值。所得直径与长度的组合关系如下表5-1所示：表5-1 计算所得直径与长度组合关系表直径有效长度缝间长度长细比25006.929.2263.6930006.338.442 2.813500 5.867.8162.2340005.487.3111.8345005.176.891.53由表5-1可绘制闪蒸器直径与闪蒸器长度的关系曲线图5-6与闪蒸器直径与长细比的关系曲线图图7。图5-6 闪蒸器直径与闪蒸器长度的关系曲线图图5-7 闪蒸器直径与长细比的关系曲线图根据经验，闪蒸器的长细比应控制在35之内，而由闪蒸器直径关系图可知，闪蒸器直径大约在2.62.9m之间时，其长细比满足要求，而当闪蒸器直径在该范围内时，其长度约为8.59m。为了计算方便，闪蒸器直径选为2.8m，对应的闪蒸器长度取整为9m。5.5.2三相闪蒸器的主要内部构件分析及选取 三相闪蒸器的闪蒸计算是建立在一个稳定的流场基础上的，同时理想化了一些因素，而闪蒸器内液位控制等更需要一个相对稳定的流场，为了能够顺利实现闪蒸器的闪蒸性能，有时需要添加一些内部构件，以使闪蒸器的内部环境更适合闪蒸的进行或者说能够提高闪蒸性能和稳定性。进口构件的选取进口构件也可以称为入口分流器，他的作用主要是实现气体和液体的预分离。进口构件有很多种，最基本的有以下两种，分别是碰撞式和离心式。碰撞式的进口构件通常使用平板、弯板、圆盘等任意可以迅速改变进口流体的方向而不会在其中残存液体或气体的构件。在速度相同的情况下，密度越大的组分其拥有的能量越大，也因此越不容易改变方向。对于油气水三相闪蒸器而言，在产物液进入闪蒸器撞击进口构件后，气体迅速改变方向，流过进口构件，而液体则落至容器底部，从而完成气体与液体的预分离。碰撞式入口分流器依靠的是撞击所造成的速度的急剧变化，这种构件主要要求挡板是耐冲击的结构，而由于结构简单，所以在早期得到了较多的应用。图6-1 典型的离心式入口分流器离心式入口分流器依靠离心力对进入闪蒸器的混合液进行预分离，这种分离器内通常安装有旋流喷嘴或者将入口部分设计成切向流体轨道，使得入口流体进入后形成旋转流。离心式的进口构件相对于其它进口构件而言，具有更高的分离效率，同时还可以减少闪蒸液的泡沫与乳化问题，但是它的结构相对复杂，且要求较严格的计算，最重要的一点是离心式进口构件对流量的变化非常敏感，流量小或者流量不稳定的情况下，这种进口构件很难发挥其作用，这也是这种构件在实际应用中受到的主要限制。由于本设计中开采量较大，故应选用离心式进口构件。除雾器除雾器也叫捕雾器或者雾沫脱除器，通常安装于闪蒸器内气出口的前方，以避免在沉降分离段因尺寸过小而未能沉降的小液滴随气体流出闪蒸器。闪蒸器中如果不安装除雾器而对气出口所流出的气体的纯净度又有较高要求，那么就必须增大闪蒸器的沉降闪蒸段或者采用其它手段使重力沉降的液滴范围更大，即使如此也很难保证更小的液滴都能够顺利完成沉降，所以除雾器的作用与效果对三相闪蒸器是至关重要的。除雾器的种类繁杂，在选型或者设计前，必须考虑以下几点：闪蒸器沉降分离段可去除的液滴范围以及除雾器需要去除的液滴尺寸；捕雾器对液体的处理能力；闪蒸器内是否适合安装捕雾器以及除雾器的成本。所有的闪蒸器的设计都是以重力和拖曳力的平衡为设计依据的，对于重力式油气水三相闪蒸器而言，可以通过降低气体流速的方法减小拖曳力从而完成去除气体中小液滴的目的，也可以通过使小液滴撞击聚并为更大尺寸的方法去除。在类型众多的除雾器产品中，应用最为广泛的是冲击型的除雾器，它在适应范围、工作效率等很多方面都有优势。这种类型的除雾器通常是在闪蒸器内安装盘或者安装折板，当气流运动到折板或者盘的表面时，气流会沿着其展开，气流的速度越大，它所携带的液滴越是靠近盘或者折板的表面，而这些液滴是会被折板或者盘捕获的，其机理有以下三种：惯性冲击图9（a）、直接拦截图9（b）和布朗扩散图9（c）。图6-2 冲击型捕雾器作用机理惯性冲击又称为间隙冲击。经过闪蒸器沉降分离部分的气流中较大的液滴（110 m），由于本身具有较大的质量，故其有足够的能量冲破气流的影响继续沿直线运动，直到撞击到除雾器折板或者说盘表面上。撞击是除雾器最重要的机理。直接拦截。对于气体流中更小的液滴（0.31m），它们的能量不足以摆脱气流的束缚，不能继续沿直线撞击到折板或盘的表面，相反的这些小液滴会被气流携带，若这些运动的气流非常接近除雾器折板，以至于液滴的中心线到折板的实际距离比小液滴的半径小，那么这些液滴就会碰到折板从而聚结起来。布朗扩散。气流中携带的更小的液滴（指的是小于0.3m的液滴），尽管能量很小，难以冲破气流的约束，也不会被气流携带至非常接近折板的表面，但它们由于足够小，在和其他的气体分子撞击后会产生随机的布朗运动，其结果是这种随机的运动能够使这些小液滴撞击到折板并最终聚并。冲击型的除雾器可以是丝网填料式也可以是平行板式，前者成本低但易堵塞，后者价格较高但不宜损坏或堵塞，而其尺寸通常交由生产商确定。而因本设计中闪蒸器尺寸设计较大的同时，流量也较大，故可选用故障率较低的平行板除雾器，除雾器大小自取。专心-专注-专业