浅析油气分离设备及相关技术

张潍然，陈宇慧，刘亚莉，王会林，张永海，董华东

(郑州轻工业学院 能源与动力工程学院，河南 郑州 450002)

浅析油气分离设备及相关技术

张潍然，陈宇慧，刘亚莉，王会林，张永海，董华东

(郑州轻工业学院 能源与动力工程学院，河南 郑州 450002)

首先介绍了几种不同油气分离原理技术，分析了不同油气分离技术的特点，其次对油气分离器在不同应用领域里的结构特点进行对比分析，指出油气分离器在结构上的改进，最后简单介绍了滤材的研究现状，并对滤材的研究进展进行了展望。

油气分离器;结构特点;油气分离技术;滤材

在石油开采、天然气生产、汽车、航天发动机以及压缩机等领域，油气分离被视作一个重要的环节。油气分离器作为油气分离过程中的一个核心部件，它的主要目的是完成油和气的基本'相'的分离，脱除气体中所夹带的油滴或者脱除液体中所夹带的气泡，以及在分离后引出气相和液相，不允许它们重新夹带或掺混。

本文从油气分离技术、不同领域的油气分离器结构、滤材及其过滤性能的研究现状等方面，对油气分离设备及相关技术做了总结展望。

1 油气分离技术

1.1 重力分离

重力分离是利用油气两相密度不同来实现分离。在油气混合物流动的过程中，油滴随气流运动的同时，在重力作用下向下沉降，经过一段时间，油滴就会沉降下来。该方法特点是处理量大，流动阻力小，操作弹性大，但分离效果低下，只能分离直径大于100μm的油滴[1]。此外，重力沉降分设备的体积大、制造成本高，在某些操作空间狭窄的场合不适合使用[2]。

1.2 惯性分离

惯性又称为碰撞分离，是利用油滴的惯性作用来实现分离的。该方法对气流速度大小要求较高，气流速度较大时，会吹散已经聚集在隔板上的油滴，使油滴重新掺混进气体中，造成二次夹带现象，而气流速度较小时，混合物中的油滴又无法在惯性作用下撞击聚集到隔板上，造成分离效率下降[3]。惯性分离法的分离设备具有结构简单、处理量大、分离效果较好等优点，但其对于直径25μm以下的液滴分离效果较差[4]。

1.3 离心分离

离心分离是利用离心力场来分离气相中的油滴。在离心分离过程中，由于离心加速度远远大于重力加速度，因此离心分离比重力分离具有更高的效率[2]。而且离心分离法的分离设备具有结构简单、性能稳定等优点，但对于粒径10μm以下颗粒，分离效率较低[5]。

1.4 过滤分离

过滤分离是通过在气流通道上加装过滤元件或过滤介质来实现分离。其核心部件为滤芯，主要由金属丝网和玻璃纤维组成[6]。滤芯对于直径不小于5μm的油滴，可以达98%～99.8%的分离效率[7]。其缺点是滤材清洗困难、设备运行成本较高、使用寿命短等。

近年来，由于对油气分离效率的要求不断提高，使用一种分离方法进行油气分离已无法满足行业的需求，一般都采用几种分离技术耦合的分离设备实现油气分离。

2 油气分离器在不同应用领域的结构特点

2.1 发动机：汽车行业

油气分离器早在十九世纪前叶就被人们所利用，但是油气分离器用在汽车发动机上还是上世纪六十年代的事，而国内对油气分离技术的研究还要更晚一些。由于发动机排气量较小，油气分离器安装空间较小的特点，常用的分离器形式有：容积式、迷宫式、旋风式、滤网式。

容积式油气分离器结构简单，运用了重力分离的原理，需要的重力沉降室尺寸较大。且容积式油气分离器分离效率很低，所以在实际应用中很少单独使用，常用作预分离器。

迷宫式油气分离器的分离原理是在气流运动的路径中设置多块挡板，通过惯性作用实现分离。该结构曾广泛采用，但分离效果欠佳，随着时间的推移，有日益减少的趋势[8]。

离心式油气分离器，运用了离心分离原理。早期的离心力场用静止的叶片形成涡流气流，气流中的微粒在离心力的作用下沿径向向外运动，结构复杂，加工困难。现在多以切向进气形成离心力场，该分离器结构简单，成本较低，在当前的实际应用中被广泛使用。

滤网式油气分离器，它的分离原理是过滤和聚结。由于过滤材质的再生性很差，使用寿命不长，一般不单独使用，但它可分离粒径较小，常用作二次分离[9]。

在当前市场上，发动机用油气分离器更多的是多种分离方法相结合的分离方式，比如：滤网式+挡板式或滤网式+旋风式。多种方式结合的油气分离器在对不同直径油滴分离时都能达到较好的效果。未来，为了提高分离效率，减少大气污染物的排放，车用油气分离器的发展可能会结合更多种的分离方式。

2.2 压缩机行业

该行业特点：气体是高温高压，分离效率要求高，一般专业厂家生产的油气分离器已经可使气体中的含油量降到2×10-6～3×10-6[10]。其中以喷油螺杆压缩机的应用最多。其结构大致有以下三种设计。

第一种：为了提高分离效果，早期采用多层过滤介质进行油气分离。但由于分层过多，阻力大、压降大，且维护维修困难，经改进后油气分离器结构如图1(a)所示，经过10年的使用检验，分离元件2年更换一次，延长了该部位的维修周期，而且，节油和节电效果也非常明显，从而获得较好的技术经济效果[11]。这种结构一般使用在LGF型移动式螺杆空压机上。

第二种分离器结构如图1(b)所示，在筒体内设置了滤芯，油气混合物沿着筒体与滤芯间的通道 ，旋转形成了离心力，从而达到粗分离的目的[12]。二次过滤聚结分离在滤芯中完成，此时的油气混合物中的油滴直径多在1μm以下，经过过滤和聚结两个过程分离直径在1μm以下的油滴。油气分离器不但可以提高压缩空气的纯度，而且被分离出的润滑油经过冷却后会重新回到机组的油回路中重复利用，从而起到节能环保的作用。厂家较多采用此结构。

第三种是油气分离器结构如图1(c)所示， 这种结构采用两级分离，把一次分离和二次分离分开进行，并在一次油分罐和二次油分芯进口处分别设置挡板。其中，一次分离效率的高低对其总的分离效率有重要影响[13]。

图1 空气压缩机行业用油气分离器结构

3 滤材过滤性能的研究现状

滤材是过滤分离中最主要的一部分，主要包括进气口处的不锈钢挡板和滤芯中的过滤介质。目前，利用惯性力和重力分离的机械碰撞法要在流体的流动方向上设置障碍物。这些障碍物元件主要以不锈钢为材料做成板或网。利用过滤与聚结原理分离是通过在气流通道上加装过滤元件或介质来实现分离，油气分离滤芯中的滤材主要有金属纤维丝网，玻璃纤维，陶瓷等材料。近些年，专家对滤芯气液过滤性能做了研究。

G.Vasudevan[14]等对B-玻璃纤维、无碱玻璃纤维和B-无碱复合型玻璃纤维做了大量实验，结果表明，B-无碱复合型玻璃纤维的聚结过滤速度、使用寿命较高，且介质表面沾油后硬度不会有明显改变。常诚[15]等通过对孔隙大小不同的纤维做和亲油疏油纤维分别做对比实验，结果表明，孔隙越小的纤维越容易把液滴聚结成液膜，而亲油滤材比疏油滤材的表面能更大。Mullins[16]等对液滴与单根纤维之间相互作用进行了研究，结果表明纤维表面能越大，液滴与纤维的接触角越小，液滴越容易浸润纤维。

在气液过滤介质性能影响的研究上，液滴物性参数对过滤性能的影响也不能被忽略。Contal[17]等通过实验比较了十甲基环五硅氧烷、甘油和邻苯二甲酸二辛酯3种液体对气液过滤压降的影响，结果表明，甘油的表面张力和黏度较大，导致滤材压降变化最快，滤材最终的压降也最大。李柏松[18]等利用滤材实验装置，对表面张力和黏度等液体物性参数对气液过滤性能的影响进行了研究，结果表明，液体表面张力较大时出口液滴浓度较大；液体黏度对滤材压降影响较小。

目前，对滤材过滤过滤性能的研究主要集中在外部流体对其的影响，而对滤材本身的物性参数如孔隙大小，厚度，渗透率，过滤层数等对过滤性能的研究较少，未来可以考虑更多的对滤材本身定量定性来研究其过滤性能。在滤材的使用方面，更多的是使用单一种类的滤材或添加特殊材料，在实验研究中，其实可以根据不同滤材的特性，结合过滤介质的特点，让不同种类的滤材结合使用来达到更好的过滤效果。

4 总结

随着我国对环境保护和能源重复利用意识的加强，物质重复利用以及对污染物排放的处理技术的更新发展将会不断加快，而油气分离过程中的相关技术也将得到持续发展和应用。近些年，在不同领域的油气分离相关技术得到了稳步发展，除了在优化国外技术的基础上朝着符合我国国情的方向发展外，也要加大力度发展创新属于自己的油气分离相关技术。未来，油气分离相关技术的发展创新上，要注重：①对多种不同油气分离方法的耦合使用，提升过滤效率，提高分离效果；②对不同行业使用的油气分离得结构进行优化设计，使结构更加合理、轻便、耐用；③对滤材的创新研究，不断开发出新型的过滤材料，为不同行业创造出重要价值。

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(本文文献格式：张潍然，陈宇慧，刘亚莉，等.浅析油气分离设备及相关技术[J].山东化工，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

河南省科技攻关计划项目(项目编号：152102210148)，郑州轻工业学院研究生科技创新基金项目

张潍然(1992—)，河南商丘人，研究生，主要研究方向为化工过程机械；通讯作者：陈宇慧(1986—)，女，黑龙江鹤岗人，讲师，主要研究方向为化工过程机械。

TQ051

A

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