空氣緩沖罐容積的確定(116)

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(jì)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(jì)算公式，并結(jié)合實(shí)例對(duì)儲(chǔ)氣罐、穩(wěn)壓罐的容積計(jì)算方法、組合方式進(jìn)行了討論，同時(shí)對(duì)緩沖罐的氣液分離效果及設(shè)備直徑的確定給出了計(jì)算方法。【關(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(jī)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(dòng)，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(jī)出口和用氣點(diǎn)，設(shè)置在空壓機(jī)出口的緩沖罐主要是為了降低空壓機(jī)出口壓力的脈動(dòng)及分離壓縮空氣中的水。對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)，空壓機(jī)出口空氣緩

2、沖罐的容積一般取空壓機(jī)每分鐘流量（Nm3/min）的10%左右1，而對(duì)于離心式或螺桿式離心機(jī)，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(diǎn)的空氣緩沖罐，其作用是調(diào)節(jié)用氣負(fù)荷，降低不同用氣點(diǎn)由于用氣量變化而引起的系統(tǒng)壓力波動(dòng)，保證生產(chǎn)裝置的正常運(yùn)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(guò)分析計(jì)算，給出確定壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的計(jì)算方法。1. 氣體緩沖罐的計(jì)算模型對(duì)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

3、力的變化。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(guò)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(shí)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(duì)壓空緩沖罐和真空緩沖罐的容積及供氣時(shí)間進(jìn)行分析。2 壓空緩沖罐容積、排氣時(shí)間與壓力的變化關(guān)系2.1 儲(chǔ)氣罐容積、排氣時(shí)間與壓力的變化關(guān)系氮?dú)馇蚬奘莾?chǔ)氣罐供氣的典型案例。石油化工企業(yè)在發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)

4、，需要安全系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)提供穩(wěn)定的氮?dú)猓脕?lái)滅火或控制火災(zāi)的蔓延，因此需設(shè)置氮?dú)馇蚬抟詢(xún)?chǔ)存一定壓力和一定量的氮?dú)猓诎l(fā)生火災(zāi)時(shí)，氮?dú)馇蚬迌?nèi)的高壓氮?dú)饨?jīng)減壓后，以穩(wěn)定的壓力和流量供給用氣點(diǎn)，在此過(guò)程中，球罐壓力逐漸降低。下面分析儲(chǔ)氣罐的容積和排氣時(shí)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量），P0為標(biāo)準(zhǔn)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(duì)式5

5、積分，得= （6）式中：P0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101325Pa；P1：供氣起始?jí)毫?絕壓)，Pa；P2：供氣終點(diǎn)壓力(絕壓)，Pa。式6也可改寫(xiě)成V=S （7）式中：為緩沖罐供氣時(shí)間，min；S為供氣流量，Nm3/min。同時(shí)應(yīng)該注意到，在推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)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?dú)馇蚬奕莘e的確定某石化企業(yè)出于安全的要求，設(shè)置氮?dú)馇蚬拮鳛槭鹿实獨(dú)獾膬?chǔ)罐。氮?dú)馇蚬薜牡獨(dú)鈮毫?.6MPa，事故狀態(tài)下氮?dú)鉁p壓至0.2MPa，流量8Nm3/min，持續(xù)供氣時(shí)間不小于2小時(shí)。問(wèn)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）

6、=243m3，故事球罐的容積不小于243 m3。2.2 壓空緩沖罐容積、排氣時(shí)間與壓力的變化關(guān)系在下游用戶用氣量有波動(dòng)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(jìn)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(jī)加壓后，進(jìn)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(diǎn)供氣。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)裝置，各用氣點(diǎn)的用氣量不隨時(shí)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(shí)間變化。因此對(duì)于用氣點(diǎn)連續(xù)穩(wěn)定用氣的生產(chǎn)裝置，如發(fā)酵車(chē)間，用戶空氣緩沖罐可以不設(shè)；在空壓站如選用的是往復(fù)式空壓機(jī)，為了降低空壓機(jī)出口

7、壓力的脈動(dòng)，在空壓機(jī)出口設(shè)置空壓站空氣緩沖罐，容積一般取空壓機(jī)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(jī)，空壓機(jī)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(diǎn)用氣量發(fā)生變化，比如排氣流量Q2比進(jìn)氣流量Q1增大Q，此時(shí)壓空緩沖罐的的壓力Pt逐漸下降，當(dāng)壓力波動(dòng)不大時(shí)，該過(guò)程等效于儲(chǔ)氣罐供氣工況，供氣流量為Q，可以用式7計(jì)算緩沖罐的容積。式7中供氣時(shí)間為從緩沖罐壓力降低開(kāi)始，到空壓機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)并加大供氣流量，緩沖罐壓力開(kāi)始升高的這段時(shí)間。由于排氣量的增大，緩沖罐壓力開(kāi)始降低，傳遞到空壓機(jī)出口處的壓力檢測(cè)儀表，對(duì)于恒壓控制的空壓機(jī)（常用的控制方式），自動(dòng)調(diào)節(jié)空壓機(jī)進(jìn)

8、氣口閥門(mén)，增大供氣量，由于空氣為可壓縮氣體，到達(dá)用戶緩沖罐有一定的延遲，延遲時(shí)間為，此刻用戶緩沖罐的壓力降到最低值，隨后開(kāi)始逐步升高。延遲時(shí)間除了和自動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)及動(dòng)作時(shí)間有關(guān)外，還和自空壓機(jī)到壓空緩沖罐的管線距離有關(guān)。空壓機(jī)的排氣到達(dá)用戶緩沖罐是一個(gè)變壓力、變流量的動(dòng)態(tài)過(guò)程，本文近似按照管長(zhǎng)除以空氣流速，求得壓縮空氣達(dá)到穩(wěn)定供氣時(shí)的延遲時(shí)間。下面以實(shí)例說(shuō)明作為儲(chǔ)氣罐和穩(wěn)壓罐使用時(shí)，壓空緩沖罐容積的計(jì)算。示例二：作為穩(wěn)壓罐使用時(shí)壓空緩沖罐容積的確定某工段多個(gè)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(guò)程中有的用氣點(diǎn)為間歇用氣，導(dǎo)致用氣量波動(dòng)，要求

9、波動(dòng)幅度小于30%，供氣壓力要求不小于0.5 MPa，同時(shí)空壓機(jī)到壓空緩沖罐的供氣管線總長(zhǎng)為600m，問(wèn)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(dòng)為30%，相當(dāng)于進(jìn)入緩沖罐的空氣流量比緩沖罐排出的流量少（增加時(shí)計(jì)算方法相同）3 Nm3/min，等效于壓空儲(chǔ)罐以3 Nm3/min的流量供氣，由于壓力波動(dòng)不大，近似按照恒壓恒流量考慮，利用式7計(jì)算壓空緩沖罐容積?？諌簷C(jī)恒壓控制響應(yīng)延遲時(shí)間取1mim，壓縮空氣的流速取10m/s，流量延遲時(shí)間為600÷10=60s=1min，故=2min。等效于式7中壓力降低到波動(dòng)壓力時(shí)供氣時(shí)間為2min。又S=Q=10X0.3=3 Nm3/mi

10、n，按照式7，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(shí)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(guò)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(shí)間計(jì)算式：=ln （8）或V= （9）式中：P1：緩沖罐起始?jí)毫?絕壓)，Pa；P2：緩沖罐終點(diǎn)壓力(絕壓)，Pa。式8用于

11、計(jì)算對(duì)真空緩沖罐抽氣，壓力由P1下降到P2時(shí)所需的時(shí)間。圖3為真空系統(tǒng)流程：圖3 真空系統(tǒng)流程對(duì)圖3進(jìn)行分析，圖中容積為Vn1，Vn2，Vnn的真空干燥機(jī)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(jī)，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 (10)P0V1=n2RT (11)P2(V1+V0+V)=(n1+n2)RT (12)將上式整理得：P=P2-P1=(P0-P2)-(P2-P1) (13)或 V+V0=V1 (14)式中：P0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，101325Pa；n：系統(tǒng)內(nèi)空氣的摩爾數(shù)。式13用于計(jì)算當(dāng)真空系統(tǒng)接入

12、容積為V1的設(shè)備時(shí)壓力的波動(dòng)值，式14用于計(jì)算滿足波動(dòng)要求時(shí)真空緩沖罐的容積。上述公式在推導(dǎo)過(guò)程中假定各設(shè)備的溫度相同，做了簡(jiǎn)化處理，同時(shí)應(yīng)滿足氣體壓強(qiáng)在133101325Pa范圍的真空系統(tǒng)，對(duì)小于133Pa的高真空管路，上述公式不適用。下面以實(shí)例說(shuō)明作為穩(wěn)壓使用的真空緩沖罐容積、壓力波動(dòng)及恢復(fù)時(shí)間的確定。示例三：如圖3所示，4臺(tái)1m3的真空干燥機(jī)有3臺(tái)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(jī)裝料系數(shù)為40%，接入第4臺(tái)干燥機(jī)后，問(wèn)壓力波動(dòng)為多少？若要求系統(tǒng)壓力不超過(guò)0.015MPa，問(wèn)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

13、4臺(tái)干燥機(jī)的泄露量與真空泵的抽氣量相比可以忽略，試估算壓力從0.015MPa恢復(fù)到0.01MPa所需的時(shí)間？解：根據(jù)式13，V0=1x3x（1-0.4）=1.8m3，V1=1x（1-0.4）=0.6m3，P=(101325-15000)X-(15000-10000)X =14265 Pa=0.0143MPa。接入第4臺(tái)真空干燥機(jī)后，壓力升高了0.0143MPa，波動(dòng)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(dòng)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=

14、2.4min。需經(jīng)過(guò)2.4min才能恢復(fù)到之前的工作壓力。由本例可以看出，對(duì)于真空度要求穩(wěn)定性較高的場(chǎng)合，最好不要采用多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)的操作方式。對(duì)于一臺(tái)設(shè)備配一臺(tái)真空泵的工況，主要根據(jù)氣液分離效果及達(dá)到工作真空度所需的時(shí)間確定真空緩沖罐的容積。4 緩沖罐的氣液分離計(jì)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(hù)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(yùn)動(dòng)雷諾準(zhǔn)數(shù)可以計(jì)算液滴的沉降速度3：Rep=式中Rep為液滴沉降的雷諾準(zhǔn)數(shù)，無(wú)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(dāng)

15、Rep數(shù)值介于5002x105區(qū)間時(shí)，液滴的極限沉降速度可用下式計(jì)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(jí)，對(duì)水和空氣系統(tǒng)而言，Rep數(shù)值介于5002x105之間，對(duì)于壓空或真空緩沖罐，可用式15計(jì)算液滴的極限沉降速度，而對(duì)于內(nèi)部增加絲網(wǎng)的氣液分離器，分離效果明顯增強(qiáng)，對(duì)于分離35m的液滴，其極限沉降速度用下式計(jì)算4：ut=0.2 （16）選取氣液分離器的操作氣速u(mài)g時(shí)，ug=0.50.8ut，由此可以計(jì)算氣液分離器的直徑：D= （17）式中：D為氣

16、液分離器直徑，單位m；Q為氣體流速，單位m/s；ug為操作氣速，單位m/s。根據(jù)供氣或穩(wěn)壓要求計(jì)算出空氣緩沖罐的容積后，對(duì)于需要進(jìn)行氣液分離的工況，還應(yīng)按照氣液分離的要求計(jì)算緩沖罐的直徑，評(píng)價(jià)氣液分離效果。5 結(jié)束語(yǔ)通過(guò)上面的分析和討論，對(duì)作為儲(chǔ)氣罐和穩(wěn)壓罐使用的壓縮空氣緩沖罐，計(jì)算過(guò)程以壓力波動(dòng)數(shù)值和空壓機(jī)穩(wěn)定供氣的延遲時(shí)間為計(jì)算依據(jù)，相比按照空壓機(jī)供氣流量乘以一定時(shí)間來(lái)確定緩沖罐容積的經(jīng)驗(yàn)法，更符合生產(chǎn)實(shí)際；對(duì)于真空緩沖罐，通過(guò)實(shí)例分析得出，多臺(tái)設(shè)備并聯(lián)的操作方式，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力的大幅波動(dòng)，尤其對(duì)于真空度比較低、要求壓力波動(dòng)小的場(chǎng)合，比如真空干燥、真空濃縮等，最好采用一對(duì)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(huì)有水分析出，在真空濃縮及真空干燥過(guò)程中，