空氣緩沖罐容積的確定(11.6)

1、壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的確定王紹宇 (中核第四研究設(shè)計工程有限公司，河北 石家莊 050021【摘要】 本文介紹了制藥行業(yè)壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的計算公式，并結(jié)合實例對儲氣罐、穩(wěn)壓罐的容積計算方法、組合方式進行了討論，同時對緩沖罐的氣液分離效果及設(shè)備直徑的確定給出了計算方法?！娟P(guān)鍵詞】壓空緩沖罐、真空緩沖罐、氣液分離。壓空緩沖罐和真空緩沖罐在化工、醫(yī)藥和機械加工等行業(yè)廣泛使用，其作用是降低空氣系統(tǒng)的壓力波動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)、連續(xù)供氣。壓空緩沖罐一般設(shè)置在空壓機出口和用氣點，設(shè)置在空壓機出口的緩沖罐主要是為了降低空壓機出口壓力的脈動及分離壓縮空氣中的水。對于往復式壓縮機，空壓機出口空氣緩沖

2、罐的容積一般取空壓機每分鐘流量（Nm3/min）的10%左右1，而對于離心式或螺桿式離心機，由于其排氣口氣壓比較穩(wěn)定，空氣緩沖罐的作用主要是分離冷凝水，其尺寸及容積按照分離冷凝水的要求確定；而設(shè)置在用氣點的空氣緩沖罐，其作用是調(diào)節(jié)用氣負荷，降低不同用氣點由于用氣量變化而引起的系統(tǒng)壓力波動，保證生產(chǎn)裝置的正常運行；真空緩沖罐的作用是分離氣體中的水分及穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，一般設(shè)置在真空泵入口。本文根據(jù)壓空緩沖罐和真空緩沖罐的功能及使用要求，通過分析計算，給出確定壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的計算方法。1. 氣體緩沖罐的計算模型對于常溫、低壓的壓空系統(tǒng)，可以用理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT描述氣體的體積、壓力

3、的變化。緩沖罐向用戶供氣，緩沖罐內(nèi)空氣的質(zhì)量減少、壓力降低，此過程存在如下的微分方程式2：VdP=RTdn （1）式中：V：空氣緩沖罐體積，m3；P：系統(tǒng)壓力(絕壓，Pa；n：系統(tǒng)內(nèi)空氣的摩爾數(shù)；T：系統(tǒng)溫度，K。摩爾數(shù)的減少和抽氣速度之間存在如下微分方程式：PQd=RTdn (2式中：Q：抽氣速率，m3/min；：抽氣時間，min。將式2帶入式1，得：d= （3）根據(jù)上述的式1、2和3，分別對壓空緩沖罐和真空緩沖罐的容積及供氣時間進行分析。2 壓空緩沖罐容積、排氣時間與壓力的變化關(guān)系2.1 儲氣罐容積、排氣時間與壓力的變化關(guān)系氮氣球罐是儲氣罐供氣的典型案例。石油化工企業(yè)在發(fā)生火災危險時，需要

4、安全系統(tǒng)在一定時間內(nèi)提供穩(wěn)定的氮氣，用來滅火或控制火災的蔓延，因此需設(shè)置氮氣球罐以儲存一定壓力和一定量的氮氣，在發(fā)生火災時，氮氣球罐內(nèi)的高壓氮氣經(jīng)減壓后，以穩(wěn)定的壓力和流量供給用氣點，在此過程中，球罐壓力逐漸降低。下面分析儲氣罐的容積和排氣時間與壓力的變化關(guān)系。由式2可得到：PQ =RT(dn/d （4）式中dn/d為儲氣罐排氣的摩爾流量，單位mol/min，排氣在恒壓、恒流量的情況下，dn/d為一常數(shù)。若用戶要求供氣流量為S（Nm3/min，標準狀態(tài)下的流量），P0為標準大氣壓，101325Pa，則不難求出dn/d=P0S/RT，帶入式4，得PQ=P0S，帶入式3，d= （5）對式5積分，得

5、= （6）式中：P0：標準大氣壓，101325Pa；P1：供氣起始壓力(絕壓，Pa；P2：供氣終點壓力(絕壓，Pa。式6也可改寫成V=S （7）式中：為緩沖罐供氣時間，min；S為供氣流量，Nm3/min。同時應該注意到，在推導過程中沒有涉及氣體的分子量，因此式7也適用于除空氣之外的其他氣體。示例一：氮氣球罐容積的確定某石化企業(yè)出于安全的要求，設(shè)置氮氣球罐作為事故氮氣的儲罐。氮氣球罐的氮氣壓力為0.6MPa，事故狀態(tài)下氮氣減壓至0.2MPa，流量8Nm3/min，持續(xù)供氣時間不小于2小時。問事故球罐的容積為多少？解：該工況為恒壓、恒流量供氣方式，據(jù)式7，V=S= X8X（2X60）=243m3

6、，故事球罐的容積不小于243 m3。2.2 壓空緩沖罐容積、排氣時間與壓力的變化關(guān)系在下游用戶用氣量有波動的情況下，常設(shè)置壓空緩沖罐以穩(wěn)定壓力。在該工況下，壓空連續(xù)進入、排出緩沖罐。圖1為壓縮空氣的供氣流程：圖1 壓縮空氣供氣流程空氣經(jīng)壓縮機加壓后，進入干燥及凈化系統(tǒng)除油、除水，再經(jīng)空壓站空氣緩沖罐穩(wěn)壓后，輸送到用戶空氣緩沖罐，為各用氣點供氣。對于連續(xù)生產(chǎn)裝置，各用氣點的用氣量不隨時間改變，式中流量Q1等于流量Q2，用戶空氣緩沖罐的壓力也為定值，不隨時間變化。因此對于用氣點連續(xù)穩(wěn)定用氣的生產(chǎn)裝置，如發(fā)酵車間，用戶空氣緩沖罐可以不設(shè)；在空壓站如選用的是往復式空壓機，為了降低空壓機出口壓力的脈動，

7、在空壓機出口設(shè)置空壓站空氣緩沖罐，容積一般取空壓機每分鐘流量（Nm3/min）的10%左右；如果選用的是螺桿式或離心式空壓機，空壓機出口氣壓穩(wěn)定，空壓站空氣緩沖罐也可不設(shè)。如果用氣點用氣量發(fā)生變化，比如排氣流量Q2比進氣流量Q1增大Q，此時壓空緩沖罐的的壓力Pt逐漸下降，當壓力波動不大時，該過程等效于儲氣罐供氣工況，供氣流量為Q，可以用式7計算緩沖罐的容積。式7中供氣時間為從緩沖罐壓力降低開始，到空壓機自動調(diào)節(jié)并加大供氣流量，緩沖罐壓力開始升高的這段時間。由于排氣量的增大，緩沖罐壓力開始降低，傳遞到空壓機出口處的壓力檢測儀表，對于恒壓控制的空壓機（常用的控制方式），自動調(diào)節(jié)空壓機進氣口閥門，增

8、大供氣量，由于空氣為可壓縮氣體，到達用戶緩沖罐有一定的延遲，延遲時間為，此刻用戶緩沖罐的壓力降到最低值，隨后開始逐步升高。延遲時間除了和自動執(zhí)行機構(gòu)的響應及動作時間有關(guān)外，還和自空壓機到壓空緩沖罐的管線距離有關(guān)。空壓機的排氣到達用戶緩沖罐是一個變壓力、變流量的動態(tài)過程，本文近似按照管長除以空氣流速，求得壓縮空氣達到穩(wěn)定供氣時的延遲時間。下面以實例說明作為儲氣罐和穩(wěn)壓罐使用時，壓空緩沖罐容積的計算。示例二：作為穩(wěn)壓罐使用時壓空緩沖罐容積的確定某工段多個設(shè)備使用壓縮空氣，平均壓縮空氣的流量為10Nm3/min，壓力為0.7 MPa，在操作過程中有的用氣點為間歇用氣，導致用氣量波動，要求波動幅度小于

9、30%，供氣壓力要求不小于0.5 MPa，同時空壓機到壓空緩沖罐的供氣管線總長為600m，問需設(shè)置多大容積的壓空緩沖罐能滿足生產(chǎn)要求。解：流量波動為30%，相當于進入緩沖罐的空氣流量比緩沖罐排出的流量少（增加時計算方法相同）3 Nm3/min，等效于壓空儲罐以3 Nm3/min的流量供氣，由于壓力波動不大，近似按照恒壓恒流量考慮，利用式7計算壓空緩沖罐容積?？諌簷C恒壓控制響應延遲時間取1mim，壓縮空氣的流速取10m/s，流量延遲時間為600÷10=60s=1min，故=2min。等效于式7中壓力降低到波動壓力時供氣時間為2min。又S=Q=10X0.3=3 Nm3/min，按照式7

10、，V=S= X3X2=3.04m3，故設(shè)置3m3的壓空緩沖罐能滿足生產(chǎn)要求。3 真空緩沖罐容積、排氣時間與壓力的變化關(guān)系真空緩沖罐隨著氣體被真空泵逐漸抽出，壓力逐漸降低，過程中排氣的流量保持不變，摩爾流量逐漸減少。圖2為2BE1 305-1型水環(huán)真空泵的性能曲線，由圖可已看出，從0.030.1MPa的范圍內(nèi)，隨著真空泵吸氣壓力的降低，吸氣量為3000m3/h保持不變。圖2 2BE1 305-1型水環(huán)真空泵性能曲線在本工況下，抽氣流量Q為常量，由式3積分得抽氣時間計算式：=ln （8）或V= （9）式中：P1：緩沖罐起始壓力(絕壓，Pa；P2：緩沖罐終點壓力(絕壓，Pa。式8用于計算對真空緩沖罐

11、抽氣，壓力由P1下降到P2時所需的時間。圖3為真空系統(tǒng)流程：圖3 真空系統(tǒng)流程對圖3進行分析，圖中容積為Vn1，Vn2，Vnn的真空干燥機處于工作狀態(tài)，壓力為P1（絕壓），真空緩沖罐容積為V，接入容積為V1的真空干燥機，系統(tǒng)壓力上升為P2，設(shè)V0=Vni，根據(jù)氣體狀態(tài)方程有：P1(V+V0=n1RT (10P0V1=n2RT (11P2(V1+V0+V=(n1+n2RT (12將上式整理得：P=P2-P1=(P0-P2-(P2-P1 (13或 V+V0=V1 (14式中：P0：標準大氣壓，101325Pa；n：系統(tǒng)內(nèi)空氣的摩爾數(shù)。式13用于計算當真空系統(tǒng)接入容積為V1的設(shè)備時壓力的波動值，式1

12、4用于計算滿足波動要求時真空緩沖罐的容積。上述公式在推導過程中假定各設(shè)備的溫度相同，做了簡化處理，同時應滿足氣體壓強在133101325Pa范圍的真空系統(tǒng)，對小于133Pa的高真空管路，上述公式不適用。下面以實例說明作為穩(wěn)壓使用的真空緩沖罐容積、壓力波動及恢復時間的確定。示例三：如圖3所示，4臺1m3的真空干燥機有3臺處于工作狀態(tài)，工作壓力為0.01MPa，真空緩沖罐容積3m3，真空干燥機裝料系數(shù)為40%，接入第4臺干燥機后，問壓力波動為多少？若要求系統(tǒng)壓力不超過0.015MPa，問真空緩沖罐的容積為多少能滿足要求？另若真空泵的抽氣速率為180m3/h，假定4臺干燥機的泄露量與真空泵的抽氣量相

13、比可以忽略，試估算壓力從0.015MPa恢復到0.01MPa所需的時間？解：根據(jù)式13，V0=1x3x（1-0.4）=1.8m3，V1=1x（1-0.4）=0.6m3，P=(101325-15000X-(15000-10000X =14265 Pa=0.0143MPa。接入第4臺真空干燥機后，壓力升高了0.0143MPa，波動幅度較大。根據(jù)式14， V+V0=X0.6=17.3m3，V=17.3-1.8=15.5m3，需配置15.5m3的真空緩沖罐，可以看出若滿足壓力波動較小的要求，緩沖的體積較大。根據(jù)式8，V= 17.3+0.6=17.9m3，=ln=2.4min。需經(jīng)過2.4min才能恢復

14、到之前的工作壓力。由本例可以看出，對于真空度要求穩(wěn)定性較高的場合，最好不要采用多臺設(shè)備并聯(lián)的操作方式。對于一臺設(shè)備配一臺真空泵的工況，主要根據(jù)氣液分離效果及達到工作真空度所需的時間確定真空緩沖罐的容積。4 緩沖罐的氣液分離計算在制藥行業(yè)，空氣緩沖罐，除了穩(wěn)定系統(tǒng)壓力外還兼有氣液分離的作用，分離掉氣相中的液滴以保護真空泵或下游的用氣設(shè)備。根據(jù)液滴在空氣中的沉降運動雷諾準數(shù)可以計算液滴的沉降速度3：Rep=式中Rep為液滴沉降的雷諾準數(shù)，無單位；Dp為被分離的液滴最小直徑，單位m；u為沉降速度，單位m/s；為液滴密度，單位kg/m3；為氣體粘度，Pa.S。當Rep數(shù)值介于5002x105區(qū)間時，液

15、滴的極限沉降速度可用下式計算3：ut=1.74 （15）式中ut為液滴的極限沉降速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；L和g分別為液滴和氣體的密度，單位kg/m3。工程上一般要求氣液分離器分離的液滴尺寸為微米級，對水和空氣系統(tǒng)而言，Rep數(shù)值介于5002x105之間，對于壓空或真空緩沖罐，可用式15計算液滴的極限沉降速度，而對于內(nèi)部增加絲網(wǎng)的氣液分離器，分離效果明顯增強，對于分離35m的液滴，其極限沉降速度用下式計算4：ut=0.2 （16）選取氣液分離器的操作氣速ug時，ug=0.50.8ut，由此可以計算氣液分離器的直徑：D= （17）式中：D為氣液分離器直徑，單位m；Q為氣體流速，單位

16、m/s；ug為操作氣速，單位m/s。根據(jù)供氣或穩(wěn)壓要求計算出空氣緩沖罐的容積后，對于需要進行氣液分離的工況，還應按照氣液分離的要求計算緩沖罐的直徑，評價氣液分離效果。5 結(jié)束語通過上面的分析和討論，對作為儲氣罐和穩(wěn)壓罐使用的壓縮空氣緩沖罐，計算過程以壓力波動數(shù)值和空壓機穩(wěn)定供氣的延遲時間為計算依據(jù)，相比按照空壓機供氣流量乘以一定時間來確定緩沖罐容積的經(jīng)驗法，更符合生產(chǎn)實際；對于真空緩沖罐，通過實例分析得出，多臺設(shè)備并聯(lián)的操作方式，會導致系統(tǒng)壓力的大幅波動，尤其對于真空度比較低、要求壓力波動小的場合，比如真空干燥、真空濃縮等，最好采用一對一的抽氣方式。由于空氣壓縮后水蒸汽的分壓升高，壓空緩沖罐中會有水分析出，在真空濃縮及真空干燥過程中，氣