气液分离器的设计

　　1 概述

　　FGD湿法石灰石-石膏脱水系统是近些年来在我国火力发电厂中最流行的成熟烟气脱硫技术，该系统中的石膏脱水装置是利用旋流器和真空皮带脱水机把来自吸收塔的含固量为20%的石膏浆液脱水为可供工业中利用的含水量为10%的石膏作为副产物。根据钢制压力容器（GB150）的规定，全真空容器属于压力容器标准范围，同时由于滤液具有较强的腐蚀性，分离器内部需要进行衬胶防腐，因此气液分离器设计标准的不但要从气液分离功能方面也要从钢制压力容器设计和橡胶衬里化工设备标准三个方面对气液分离器进行设计、制造、检验和验收。本文对这方面的设计进行探讨是有必要的，下面我们就使用一个一个气液分离器的设计实例来进行介绍。

　　2 气液分离器功能方面的设计

　　由于系统要求气液分离器具有高效率的分离效果，首先需要从气液分离器功效方面根据气液分离器设计标准对外形和尺寸方面进行设计。我们使用一个型号为20B-04-30V型空皮带脱水机（脱水面积为22.08m2）所使用的气液分离器作为实例来进行介绍。在此参数设计条件下真空泵抽气量为6800m3/h，滤液中所含水量为363/h，气体压力绝对压力约50000Pa，气体温度为40°C，本气液分离器主要采用的是重力沉降和离心力分离两种分离方式进行分离，根据气液分离器的设计标准，按照以下设计步骤进行：

　　2.1 分离器直径的计算

　　根据：D=0.0188（VGmax/ue）0.5

　　式中：

　　D—分离器直径，m

　　VGmax—气体最大体积流量，m3/h；这里实例中的真空泵容量为6800m3/h

　　ue—分离器中气体流速，m/s，这里通用分离器中的气体流速为1m/s

　　D=0.0188（6800/1）0.5=1.55m；取整D=1.6m，这样也符合标准封头的规定，气液分离器的上下两端采用国家标准的椭圆型封头；

　　2.2 分离器筒体的高度

　　容器高度指气液分离器的圆柱体部分的高度，由于该高度受到停留时间，分离器容积，上、下游设备的工艺要求等受许多因素影响。根据设计经验通常我们认为筒体高度

　　H=1.5D=1.5*1.6=2.4m

　　2.3 接管直径

　　（1）入口接管。

　　两相入口接管的直径应符合式如下要求：

　　PGUP<1000Pa

　　式中：

　　UP—接管内流速，m/s；PG—气体密度，kg/m3.

　　由此导出

　　Dp>3.34×10-3（VG+VL）0.5PG0.25

　　式中：

　　VG，VL—分别为气体与液体体积流量，m3/h

　　Dp—接管直径，m

　　Dp>3.34×10-3（6800+30）0.52.070.25=3.34×10-3×82.6×1.21=0.333m即Dp=400mm

　　（2）出口接管。气体出口接管直径，必须不小于所连接的管道直径。由于出口接管直径连接真空泵，真空泵入口直径为DN300，取出口直径为DN350。

　　3 气液分离器压力容器方面的设计

　　由于气液分离器按照全真空设计，根据GB150的规定，真空度大于0.02MPa的容器属于压力容器的范围，因此要按照GB150对气液分离器进行设计和校核，以下为按照GB150压力容器方面的计算设计过程；

　　3.1 总论

　　3.1.1 容器的计算范围。

　　GB150标准管辖的容器，其范围是指壳体及与其连为整体的受压零部件，主要为以下内容：（1）筒体部分；（2）封头部分；（3）开孔部分。

　　3.1.2 材料。根据以前的设计经验和气液分离器使用要求，初步选择Q235-A为气液分离器的材料，则σb=375MPa，σs=235MPa；材料的许用应力

　　[σ]t=113MPa。

　　3.1.3 定义。

　　压力：除注明者外，压力均指表压力；

　　设计压力：指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力；

　　计算压力：计算压力指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计；

　　计算压力：计算压力指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计；

　　试验压力：试验压力指在压力试验时，容器顶部的压力；

　　设计温度：设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值），设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件，标志在铭牌上的设计温度应是壳体设计温度的最高值或最低值。

　　3.1.4 设计的一般规定。

　　（1）确定设计压力时，应考虑：确定真空容器的壳体厚度时，设计压力按承受外压考虑。当无安全控制装置时，取0.1MPa，本气液分离器应按照0.1MPa来取。

　　（2）确定设计温度时，应考虑：设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0°C以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。由于本分离器处于室内且最高温度不高于50°C，按照50°C，作为设计温度进行计算。 　　3.2 外压圆筒和外压管子

　　3.2.1 符号：

　　A——系数，查书中图6-2或表6-1～表6-9，

　　B——系数，查书中图6-3一图6-10，

　　C——厚度附加量（按3.1.1.4），mm；

　　D0——圆筒内直径，mm；

　　D1——圆筒外直径（D1=D0+2δn），mm；

　　E——设计温度下材料的弹性模量，MPa；

　　Hi——封头曲面深度，mm；

　　I——加强圈与壳体组合段所需惯性矩mm4；

　　L，——圆筒计算长度，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，mm；

　　Pc——计算外压力，MPa；

　　[p]——许用外压力，MPa；

　　Δn——圆筒或球壳的名义厚度，mm；

　　Δe——圆筒或球壳的有效厚度，mm；

　　3.2.2 外压圆筒和外压管子所需的有效厚度计算步骤如下：

　　假设δn=8.，令δe=δn-C=8-1.1=6.9，定出L/D0=1500/1600=0.938和D0/δe=1600/6.9=231.88≥20，则其计算步骤应该如下；

　　根据以上L/D0和D0/δe计算数据在GB150图6-2外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图（用于所有材料）上查得系数A=0.00038

　　根据查得的系数A和设计温度50°C在GB150图6-4外压圆筒，管子和球壳厚度计算图（屈服点σs>207Mpa的碳素钢和0Cr13，1Cr13钢）查得B=52Mpa，根据以下公式计算许用外压力[P]=B/（D0/δe）[P]=B/（D0/δe）=52/231.88=0.224MPa则[P]>设计压力Pc0.1MPa，

　　结论：根据以上计算证明外压圆筒和外压管子所需的有效厚度8符合要求。

　　3.3 开孔

　　规定适用于容器壳体的开孔及其补强，壳体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形。当在壳体上开椭圆形（或类似形状）或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0。

　　3.4 法兰

　　螺栓法兰联接设计包括：

　　（1）确定法兰材料、密封面型式及结构尺寸。

　　（2）确定螺栓材料、规格及数量。

　　（3）确定垫片材料、型式及尺寸。

　　3.4.1 确定法兰材料、密封面型式及结构尺寸。

　　由于使用压力仅为0.1MPa，法兰标准采用GB9119PN1.0MPa符合设计要求和便于和用户接口对节，由于大于10倍于设计压力，其不用进行计算和校核。

　　3.4.2 确定螺栓材料、规格及数量。

　　在设计压力下，螺栓使用8.8级对应于法兰标准采用GB9119PN1.0MPa相应口径规格和数量的螺栓，预紧力根据设计标准。

　　3.5 衬胶

　　由于气液分离器所接触到的滤液介质中含有大量的氯离子，对钢铁具有较强的腐蚀性。因此需要对气液分离器内部采取衬胶防腐措施，在气液分离器的设计条件（设备工作压力，工作温度和介质等）下根据橡胶衬里化工设备标准，可以采用5毫米厚的硬氯丁橡胶对分离器内部按照标准上相应的衬里施工及硫化工艺进行衬胶，同时要求衬里设备、管道及管件结构设计（布置、焊接、打磨等）等需符合橡胶衬里化工设备标准的具体要求。

　　3.6 制造，检验与验收

　　制造标准按照GB150钢制压力容器和橡胶衬里化工设备的具体方案执行，检验时除尺寸和焊接检验以外，还要进行压力实验检验，对其法兰密封后进行0.2MPa的内压检验，对橡胶衬里按照橡胶衬里化工设备中的具体标准进行目测、硬度测试和电火花测试等相关检验。

　　4 结语

　　综上所述：通过气-液分离设计标准，钢制压力容

　　器标准和橡胶衬里化工设计标准完成对气液分离器的设计，分离器从功能上符和气-液分离设计标准要求，强度和防腐上符合和压力容器标准设计和橡胶衬里化工设计标准，并且该实例设计应用在我公司的浙江台州发电厂项目，湖南株州华银电力发电厂项目和浙江玉环发电厂项目等多个项目中，在这些项目的应用中都取得了很好的效果。以上从一个实例完整的完成一个气液分离器的设计，对气液分离器的设计是一个很好的介绍，对其水气液分离器设计具有很好的借鉴作用。