CN101502727B - 基于多孔介质板的气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孔介质板的气液分离装置，本装置由过滤器、气液分离容器、压力调节阀门、管路构成；其特征在于气液分离容器分别与过滤器、压力调节阀门相连，过滤器、气液分离容器、压力调节阀门、管路之间采用管接头或焊接衔接，在过滤器的一端有进口，在压力调节阀门的一端有排气管路，过滤器为过滤气液混合流体中的固体。气液分离容器包含压力容器、多孔介质板，在气液分离容器的上端设有排气管路，下端装有亲液相多孔介质板，在亲液相多孔介质板一端装有排液管路。本发明结构简单，使用方便，可实时、宽负载范围、连续分离气液混合流体，可广泛应用于各类压力、流量范围的气液分离领域。

Description

基于多孔介质板的气液分离装置 

技术领域

本发明涉及一种气液分离装置，尤其涉及一种基于多孔介质板的气液分离装置。可广泛应用于各类气液分离领域，特别是高精度、微小流量的气液分离领域和低含液量的气液混合流体的实时分离。该气液分离装置可应用于高中低压力条件下的油气、水气、含气溶液等气液混合流体的分离，适用于石油、化工、水利、电力、医药、机械等需要气液分离的行业。 

背景技术

气液分离器采用的分离结构很多，其分离利用的原理有：重力沉降；折流分离；离心力分离；丝网分离；超滤分离等方法。重力沉降体积非常庞大，丝网分离比较适合于气液分离，但体积偏大，分离负荷范围窄，设备复杂，很难实现小型化，特别不适合微小流量条件下的实时气液分离；微孔过滤分离工作极不稳定，容易带液，离心力分离等分离方法同样面临分离负荷范围窄、对低流量的分离效果不好的问题。 

现代工程运用中对气液分离设备的要求是越来越高，需要一种简单、高效、实时、适应微小流量、宽分离负荷范围的气液分离装置。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺点和不足，提供了一种基于多孔介质板的气液分离装置，该装置结构简单，实现现有工程的要求，高精度、高效、实时、宽分离负荷范围的气液分离装置，特别是高精度、微小流量条件下气液分离。 

本发明的目的是这样实现的： 

其原理是利用亲液相的多孔介质可通过液体，不能通过气体的特性。通过压力调节阀门增加液体通过气液分离器中的压力，从而促进气液混合流体中的液体部分快速通过气液分离容器下部的多孔介质板，而气体通过压力调节阀门排出气液分离容器，实现气液混合流体的气液分离，参见图1。 

一种基于多孔介质板的气液分离装置，其装置构成是： 

本装置由过滤器、气液分离容器、压力调节阀门、管路组成，气液分离容器分别与过滤器、压力调节阀门相连，过滤器通过管路与气液分离容器连接，气液分离容器通过管路与压力调节阀门连接，过滤器、气液分离容器、压力调节阀门、管路之间采用管接头或焊接衔接，在过滤器的一端有进口，在压力调节阀门的一端有排气管路，在气液分离容器的下端有排液管路，过滤器为过滤气液混合流体中的固体；所述的气液分离容器包含压力容器、多孔介质板，气液分离容器下端装有亲液相多孔介质板，在亲液相多孔介质板一端装有排液管路。避免堵塞气液分离容器中的多孔介质板的孔隙结构；气液分离容器为本装置的核心部件，气液两相流体在该容器中实现分离；压力调节阀门为调整气液分离容器中的气体压力与排液管路中液体压力之间的差值，实现气液分离容器中的分离后的液体迅速排出。 

进口，排气管路，排液管路隶属于管路，进口为气液混合流体的进入通道，排气管路气液分离后的气流通道，排液管路为气液分离后液体的通道。所述的在气液分离容器的上端装有排气管路，下端装有排液管路。 

在气液分离容器的一端装有亲液相多孔介质板，在亲液相多孔介质板一端装有排液管路，气液分离容器包含压力容器、多孔介质板、密封圈、垫块等，在气液分离容器的一端装有排气管路，另一端有进口。压力容器、密封圈、多孔介质板、垫块隶属于气液分离容器，是气液分离容器的一部分；其中气液相多孔介质板和压力容器为气液分离容器的必须部件，其他部件为衔接和密封多孔介质板和压力容器的部件，为可选项，根据具体设计的不同可以调整。 

1、过滤器 

该装置中的过滤器为辅助设备，属于可选项，取决于溶液中是否含有细小颗粒。过滤器为一般工业产品，主要去除气液混合流体中的细颗粒，避免颗粒堵塞多孔介质板21，对气液分离效果产生影响。去除过滤器后，进口直接与气液分离容器相连。 

2、气液分离容器 

为一般压力容器，在容器底部设置多孔介质板，参见图2。多孔介质板与容器之间注意密封，防止气体通过它们之间的间隙泄露进入液相中，降低气液分离效果； 

多孔介质板为一般工业性加工产品，材料例如：砂岩板、透水板、多孔陶瓷板、多孔金属板、多孔塑料板等多孔材料。 

3、压力调节阀门 

压力调节阀门为一般工业产品，优先选用差压阀或背压阀，主要作用为控制高压容器内的压力与排液管路内的压力，保证气液分离后的液体快速通过多孔介质板，实现液相的快速流出气液分离容器。 

4、管路 

为一般性工业管路，管路与各个部件之间的连接参照一般的管路连接规范(螺纹管连接、卡套连接、焊接连接等规范)。管路部分包含进口、排气管路、排液管路。 

装置工作原理： 

气液分离装置利用的原理为多孔介质板的进气值特征，主要由气液之间的表面张力引起，多孔介质的进气值服从以下公式： 

$p_c=\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{r}---\left(1\right)$

p_c-是多孔介质板的进气值，超过该压力后，气体会进入多孔介质板中； 

σ-是气液之间的表面张力；参照一般气液之间表面张力值； 

θ-是液相与多孔材料的接触角；参照一般液面与多孔材料的接触角数据； 

r-是多孔介质中的孔隙半径或最大孔径半径； 

p_c-为多孔介质板的进气值，可以通过试验测试直接获取。若气液分离装置的应用条件范围跨度很大，该值取各条件下的最小进气值。 

保证进入气液分离容器中的液体能够及时排出气液分离容器外，需要控制气液分离容器与排液管路之间的差压，使得分离的液体及时排出气液分离容器。 

$\mathrm{\Δ}{p}_{\min }=\frac{Q_{\max }\·\mathrm{\μ}\·L}{A\·k}---\left(2\right)$

Δp_min为气液分离容器内气体压力与排液管路内液体压力的最小差值(kPa)； 

Q_max气液混合流体中液体的最大流量(m³/s)； 

μ液体的粘度(Pa.s)； 

γ_f液体容重(N/m³)； 

k多孔介质板的绝对渗透系数(m²)，可直接通过渗透系数测试试验获取； 

A多孔介质板与流体的接触面积(m²)； 

L多孔介质板的厚度(m)； 

Δp＝p_分离容器-p_排液管路                        (3) 

Δp为气液分离容器内气体压力与排液管路内液体的压力差值； 

p_分离容器为气液分离容器内气体压力，kPa； 

p_排液管路为排液管路内液体的压力，kPa； 

压力调节阀门控制压力容器内的压力与排液管路压差的范围为两者之间： 

Δp_min＜Δp＜p_c                    (4) 

保证气液分离的液体能够快速排出，同时保证气体不会混入液体中。理论上该分离装置可实现任意微小流量的气液分离(分离量的下限由其他的非分离方面的原因决定，例如：装置泄露率、测量精度等原因)，同时压力调节阀门30的压力调节范围非常大，由此气液分离的流量范围至少可以跨越6个数量级以上，负载范围非常广，可从微小流量到中等流量条件下的气液分离，特别适合高精度微小流量条件下的气液分离，可以实现装置的小型化。 

气液分离装置的使用方法： 

1、直接将该装置的带滤芯的进口连接到需要进行气液分离的接口，即开始进行气液分离，分别在排气管路和排液管路中获取气体和液体。 

2、压力调节阀门的压力调整根据(1)(2)(3)(4)进行调整，可以保证气液分离的效果。 

本发明具有下列优点和积极效果： 

1、特别适合微小流量的气液分离装置，实现高效、实时的分离； 

2、该装置可以实现小型化，实现气液分离容器的内容积非常小； 

2、该装置气液分离负荷范围广，特别适合微小流量条件下的气液分离； 

3、结构简单，拆装、清洗方便，整个取样器的各个部件加简单、装配简单，可以很好的控制成本； 

总之，由于本发明优点明显，因此可广泛应用于各种室内试验和工业过程的气液分离。 

附图说明

图1为一种基于多孔介质板的气液分离装置结构图； 

图2为气液分离容器核心部件结构图； 

图3为一种气液分离装置结构图 

其中： 

10-过滤器； 

20-气液分离容器； 

21-亲液相多孔介质板 

22-压力容器 

23-密封圈 

24-垫块 

30-压力调节阀门； 

40-管路构成； 

41-进口 

42-排气管路 

43-排液管路 

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明： 

1)装置基本构成 

本装置由过滤器10、气液分离容器20、压力调节阀门30、管路40构成；通过压力调节阀门30增加液体通过气液分离容器20中的压力，从而促进气液混合流体中的液体快速通过气液分离容器下部的多孔介质板21，而气体通过压力调节阀门30排出气液分离容器20，实现气液混合流体的气液分离。 

一种基于多孔介质板的气液分离装置，部件之间的关系为：气液分离容器20分别与过滤器10、压力调节阀门30相连，过滤器10、气液分离容器20、压力调节阀门30、管路40之间采用标准管接头或焊接衔接，(连接标准参见管螺纹、卡套接头、管路焊接等管路连接标准)，在过滤器10的一端有进口41，在压力调节阀门30的一端有排气管路42，在气液分离容器20的一端有排液管路 43，过滤器10为过滤气液混合流体中的固体，避免堵塞气液分离容器中的多孔介质板21的孔隙结构；气液分离容器20为本装置的核心部件，气液两相流体在该容器中实现分离；压力调节阀门30为调整气液分离容器20中的气体压力与排液管路中液体压力之间的差值，实现气液分离容器20中的分离后的液体迅速排出。 

进口41，排气管路42，排液管路43隶属与管路40，进口41为气液混合流体的进入通道，排气管路42气液分离后的气流通道，排液管路43为气液分离后液体的通道。气液分离容器20的上端装有排气管路42，下端装有排液管路43。 

根据图2、图3可知，在气液分离容器20的一端装有亲液相多孔介质板21，在亲液相多孔介质板21一端装有排液管路43，气液分离容器20包含有压力容器22、多孔介质板21、密封圈23、垫块24等，在气液分离容器20的一端装有排气管路42，另一端有进口41，压力容器22、密封圈23、垫块24隶属于气液分离容器20，是气液分离容器的一部分；其中气液相多孔介质板21和压力容器22为气液分离容器20的必须部件，其他部件为衔接和密封多孔介质板21和压力容器的部件，为可选项，有具体设计的不同可以调整。 

若设备需要大型化，可通过放大该装置的规模和其他辅助分离，例如：增加多孔介质板面积、减小多孔介质板的厚度、 

2)气液分离容器： 

气液分离容器20主要由多孔介质板21和压力容器22构成，并辅助其他的密封、连接等零件构成，如图2所示。 

多孔介质板21的制造工艺：多孔介质板的材料可以选择砂岩、透水石、多孔陶瓷、多孔金属、多孔塑料、针孔塑料等多孔材料，进行一般工业加工获得，现有市场该类产品较多。多孔介质材料的孔径范围一般为0.1微米～10毫米之间，多孔材料对液相具有浸润性(或通过物理化学处理多孔材料表面实现对液体的浸润性或亲液性)，可实现各种气液混合流体的气液分离工作。 

多孔介质板的进气值 $p_c=\frac{2\mathrm{\σ}\cos \mathrm{\θ}}{r},$ 具体参见公式(1)，可根据试验测试获取；压力调节阀门设置的压力范围参见公式(2)(3)(4)； 

多孔介质板的孔径尺寸和渗透系数根据(1)(2)(3)共同协调选取。 

在气液分离容器20底部设置多孔介质板21，注意多孔介质板21与压力容 器22之间的密封。普通气液分离可采用橡胶垫圈、密封胶等密封措施密封；需要化学防腐处理的，可采用硅橡胶、聚四氟乙烯、硅胶、PEEK等材料进行密封。多孔介质板21与压力容器22之间的连接有各种工业密封连接方式进行，基本连接情况可参见图3中的方式，也可以采用其他的实施，特别需要注意是压力容器22与多孔介质板之间不能气体发生泄露。 

气液分离容器20中可以放置传统的气液分离方式，例如：重力沉降；折流分离；离心力分离；丝网分离等方式加速气液分离过程，优化整个气液分离装置的效果。 

压力容器22为一般工业性产品或加工产品，容器需要设置三个通道，分别连接过滤器10、压力调节阀门30、和排液管路43连接；同时压力容器中需要考虑与多孔介质板之间21进行衔接，保证多孔介质板的正常工作，多孔介质板下部预留部分空间汇集排出的液体。 

3)压力调节阀门 

压力调节阀门30可以选用背压阀、差压阀、阀门等压力调节阀门，直接采用现有的工业产品，选型方便，参照参见公式(1)(2)(3)(4)设定的范围进行选型。 

压力调节阀门30控制气液分离容器内气体压力与排液管路内液体的压力差值Δp_min＜Δp＜p_c范围内，保证气液分离的液体能够及时排出，同时保证气体不会混入液体中。理论上该分离装置可实现任意微小流量的气液分离(分离量低质由其他的非分离效果方面的原因决定)，装置的最大分离液体量为： 

$Q_{\max }\≤\frac{\mathrm{\Δp}\·A\·k}{\mathrm{\μ}\·L}$ 参数参见公式(1)(2)(3)(4) 

压力调节阀门30推荐使用差压阀、背压阀。压力调节阀门的压力调节范围非常大，气液分离的流量范围至少可以跨越6个数量级以上，负载范围非常广，特别适合高精度、微小流量条件下的气液分离，可以实现轻巧化。最小分离流量为测量设备精度和整个设备的泄露率等其他因素确定，该装置理论上的气液分离流量可无限小。 

4)装置实施需要注意的问题： 

气液分离容器需要保证排气管路位于气液分离容器20的上方，排液管路位于气液分离容器20的下方，利用重力和气液离析将气液分开，气液分离装置的 倒置将导致气液分离过程失效。 

本装置不适合微乳状的气液混合流体，这些流体可能堵塞多孔介质板，特别是微乳状短时间内无法气液分层的混合流体，同时气泡直径接近与多孔介质板的孔隙直径，如：混有气泡的冰激凌液体、含有表面活性剂的气液混合流体等，将会导致该装置失效。 

该装置在进行实时分离状态是，在低流量不稳定状态下进行气液分离时，由于分离容器的体积和压力调节阀门30的工作原理会发生气体流量缓冲，导致气体部分流量为间歇性的，同时液体部分也会有部分间歇性，对高精度流量测量会有一定时延效应，降低气液分离容器20的内容积可降低时延效应。 

实施范例： 

一个小型的气液分离试验装置： 

由于分离溶液不含细小颗粒杂质，省略过滤器10，该装置由气液分离容器20、压力调节阀门30共同组成，压力调节阀门30选用背压阀(压力范围0～500kPa)。系统如图1所示(忽略过滤器10)。分离气液混合流体为高压饱和溶液中离析的混合流体，气液比约为0.2∶0.8。 

气液分离容器中采用亲水性的砂岩作为多孔介质板，对N₂与水溶液进行气水分离，排液管路内压力接近与100kPa，砂岩孔隙平均直径约为0.2mm，多孔介质板的进气值约为50kPa，渗透系数为5D左右，多孔介质板的直径4cm，面积为12.56cm²，厚度为0.5cm，加工后进行气液分离，设置背压阀压力为130kPa，稳定气液分离装置中压力与排液管路中液体压力差值为30kPa，可稳定实现分离水溶液体积为0～2.4升/分钟水溶液范围内的气水混合流体，理论上的气液分离流量可无限小，实际分离量下限为测量设备精度和整个设备的泄露率确定，本小型室内试验装置的最小分离量约0.001毫升/分钟。 

Claims (3)

1.一种基于多孔介质板的气液分离装置，由过滤器(10)、气液分离容器(20)、压力调节阀门(30)、管路(40)组成，其特征在于：

气液分离容器(20)分别与过滤器(10)、压力调节阀门(30)相连，过滤器(10)通过管路(40)与气液分离容器(20)连接，气液分离容器(20)通过管路(40)与压力调节阀门(30)连接，过滤器(10)、气液分离容器(20)、压力调节阀门(30)、管路(40)之间采用管接头或焊接衔接，在过滤器(10)的一端有进口(41)，在压力调节阀门(30)的一端有排气管路(42)，在气液分离容器(20)的下端有排液管路(43)，过滤器(10)为过滤气液混合流体中的固体；

所述的气液分离容器(20)包含压力容器(22)、多孔介质板(21)，气液分离容器(20)下端装有亲液相多孔介质板(21)，在亲液相多孔介质板(21)一端装有排液管路(43)。

2.根据权利要求1所述的一种基于多孔介质板的气液分离装置，其特征在于：

所述的气液分离容器(20)的上端装有排气管路(42)，下端装有排液管路(43)。

3.根据权利要求1所述的一种基于多孔介质板的气液分离装置，其特征在于：

所述的气液分离容器(20)中含有多孔介质板(21)，多孔介质板(21)的材料具有亲液属性或液相浸润性。

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