[原创]油气分离器的设计

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冬子

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发表于 2003-7-14 11:19 |只看该作者 |倒序浏览

喷油螺杆压缩机中，在压缩气体的同时，大量的油被喷入压缩机的齿间容积。这些油和被压缩气体形成的油气混合物，在经历相同的压缩过程后，被排到机组的油气分离器中。油气分离器是喷油螺杆压缩机机组系统中的主要设备之一。为了降低机组排气中的含油量和循环使用机组中的润滑油，必须利用油气分离器把润滑油有效地从气体中分离出来。
一、油气分离原理与方法
1. 油气混合物特性
在由被压缩气体和润滑油形成的油气混合物中，润滑油以气相和液相两种形式存在。
处于气相的润滑油是由液相的润滑油蒸发所产生的，其数量的多少除取决于油气混合物的温度和压力外，还与润滑油的饱和蒸气压有关。油气混合物的温度和压力愈高，则气相的油愈多；饱和蒸气压愈低，则气相的油愈少。气相油的特性与其他气体类似，无法用机械方法予以分离，只能用化学方法去清除。
在一般的运行工况下，油气混合物中处于气相的润滑油很少。一是因为在通常的排气温度下，混合物中润滑油蒸气的分压力很低；二是由于润滑油在从喷入到分离的时间很短，没有足够的时间达到气相和液相间的平衡状态。
处于液相的润滑油占了所有被喷入油中的绝大部分，但这种液相油滴的尺寸范围分布很广。大部分油滴直径通常处在1～50μm，少部分的油滴可小至与气体分子具有同样的数量级，仅有0.01μm。显然，大油滴和小油滴的性质会有较大的差异。
在重力作用下，只要油气混合物的流速不是太快，大的油滴最终都会落到油气分离器的底部。油滴直径越小，其下落的时间就越长。对于直径很小的润滑油微粒，却可以长时间悬浮在空气中，无法在自身重力的作用下，从气体中被分离出来。油气分离器的作用，就是尽可能地把这部分油滴分离出来。
2. 油气分离方法
按分离机理的不同，喷油螺杆压缩机机组中采用两种不同的油气分离方法。一种称为机械法，即碰撞法或旋风分离法，它是依靠油滴自身重力以及离心力的作用，从气体中分离直径较大的油滴。实际测试表明，对于直径大于1μm的油滴，都可采用机械法被有效地分离出来。另一种为亲和聚结法，通过特殊材料制成的元件（一般称为油细分离器或分离器芯），使直径在1μm以下的油滴先聚结为直径较大的油滴，然后再分离出来。
现在喷油螺杆压缩机机组中一般都同时采用这两种不同的油气分离方法，即用机械法作为粗分离，而用亲和聚结法作为精分离。
早期的机械法一般采用碰撞法，即在油气混合物的流动方向上设置某种障碍物，当油气混合物与障碍物碰撞后，混合物中的油滴就会聚集在障碍物的表面，并在重力的作用下，落到分离器的底部。采用碰撞法时，油气混合物撞击障碍物的速度有一定的范围，其最佳值与气体和润滑油的密度有关。一般来说，最佳撞击速度为3m/s左右。
现代的机组中一般采用旋风分离法或两种方法结合来进行粗分离。这种方法是在油气分离器中设置旋风通道，当油气混合物进入油气分离器后，首先通过旋风通道，大的油滴将会在离心力的作用下被甩到壁上，然后在重力的作用下，落到分离器的底部。
当油气混合物通过机械法进行分离后，其中约99.7%的油会被分离出来，且此时的油滴直径多在1μm以下，无法再用机械法进行分离。
亲和聚结法主要用于分离直径在1μm以下的油滴，由过滤和聚结两个过程组成。这种分离方法所采用的元件（油细分离器），实际上是一种多孔过滤材料，当油气混合物进入过滤元件之前，直径大于元件材料孔径的油滴，将在元件的表面被过滤出来。然后，利用过滤材料内部流道形状和大小的改变，可使进入其内部的小直径油滴在惯性力等的作用下，在材料的纤维上聚结成为大直径油滴，并被过滤出来。目前，油细分离器普遍采用专门为此用途开发的超细玻璃纤维等材料，取得了除油效果佳、寿命长、压降小的效果。专业厂家生产的油细分离器已经可使气体中的含油量降到1～2ppm。
二、油气分离器设计
1、油气分离器的结构形式与特点
在喷油螺杆压缩机中，机组排气中所含的润滑油就是油的消耗，所以油气分离器都采用机械法和亲和聚结法的组合形式，即采用两级分离，以降低润滑油的消耗量。
一般来说，油气分离器一共有三种结构形式，如图所示。
（图）

图1是早期油气分离器大多采用的形式。油气混合物从压缩机进入油气分离器后，首先撞击分离器中设置的挡板壁面，利用机械碰撞法进行一次分离，然后油气混合物以较低的速度进入油细分离器进行二次分离。
图2和图3这两种结构形式均是采用碰撞与旋风分离相结合来进行一次分离的。
图2中，油气混合物从油细分离器下方沿切向进入，流经预设的旋风通道，利用旋转所形成的离心力进行一次分离。这种结构形式的一次分离效果较之单纯的碰撞法有了提高，但仍然存在一些缺点：一是由于增加了旋风通道，油气分离器的高度增加；二是油气混合物直接扫过油面，降低了分离效果；三是由于旋风通道一般是焊接于油气分离器中下部，使得对油气分离器底部的清洗变得非常困难。
图3的结构形式是在油细分离器与油气分离器壁之间设一圆筒，由分离器壁与圆筒间的空间作为旋风通道。油气混合物从分离器上部沿切向进入，利用旋转所形成的离心力进行一次分离。由于这种方式分离效果好，又避免了图2结构中的缺点，因此得到越来越广泛的应用。
经过油细分离器分离出来的润滑油聚集在油细分离器的底部，需要通过回油管引出，排到压缩机的吸气口或处于较低压力的齿间容积中。
2、油细分离器的选型与油气分离器的容积
为了尽可能减少气体流过油细分离器时的压力损失和提高分离效果，气体在其间的流速不能太高。然而，流速越低，所需的过滤材料就越多，油细分离器的成本就越高。因此，选择合适的油细分离器与合适的油气分离器容积非常重要。
合理的压降和流速数值与被压缩气体的密度和润滑油的粘度等因素有关，一般通过洁净油细分离器的压降为0.025～0.03Mpa；对于喷油螺杆空气压缩机，气体流过过滤材料时的速度应在0.1m/s左右，而油气分离器的容积一般是油细分离器体积的3倍左右。
3、油气分离器的密封
在油细分离器与端盖以及油细分离器与筒体之间，都必须设以密封。传统的密封材料一般都选择石棉。
当压缩气体流过油细分离器时，由于摩擦作用，会产生静电，油气分离器内部的高压、高温油雾在一定的条件下可能发生燃烧或爆炸，因此必须要把静电消除掉。由于油细分离器与油气分离器并不接触，所以以前一般都采用在石棉垫片打订书钉或用金属丝将静电引出的方法。
近年来，随着各国对环保的要求越来越强，石棉由于污染环境，其使用受到越来越多的限制，新型密封材料——柔性石墨得到了越来越广泛的应用。柔性石墨具有良好的密封作用，被人们成为“密封王”，而且导电性非常好，可以直接消除静电，因此，柔性石墨在油气分离器上的应用也越来越普遍。
4、其他需要注意的问题
一是设计制造油气分离器必须符合国家关于压力容器的有关标准；二是应尽可能使用户操作维修方便简单，例如管口的位置、加装自动启盖装置等等

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