压空缓冲罐容积

压空缓冲罐和真空缓冲罐容积简直定之答禄夫天创作
压空缓冲罐和真空缓冲罐在化工、医药和机械加工等行业广泛使用,其作用是降高空气系统的压力摆荡,保证系统平稳、连续供气.压空缓冲罐一般设置在空压机出口和用气点,设置在空压机出口的缓冲罐主要是为了降高空压机出口压力的脉动及分离压缩空气中的水.对往复式压缩机,空压机出口空气缓冲罐的容积一般取空压机每分钟流量（Nm3/min）的10%左右[1],而对离心式或螺杆式离心机,由于其排气口气压比力稳定,空气缓冲罐的作用主要是分离冷凝水,其尺寸及容积依照分离冷凝水的要求确定；而设置在用气点的空气缓冲罐,其作用是调节用气负荷,降低分歧用气点由于用气量变动而引起的系统压力摆荡,保证生产装置的正常运行；真空缓冲罐的作用是分离气体中的水分及稳定系统压力,一般设置在真空泵入口.
本文根据压空缓冲罐和真空缓冲罐的功能及使用要求,通过分析计算,给出确定压空缓冲罐和真空缓冲罐容积的计算方法.
1. 气体缓冲罐的计算模型
对常温、高压的压空系统,可以用理想气体状态方程PV=nRT 描述气体的体积、压力的变动.
缓冲罐向用户供气,缓冲罐内空气的质量减少、压力降低,此过程存在如下的微分方程式[2]：
Vd P=RTdn
（1）
式中：
V：空气缓冲罐体积,m3；
P：系统压力(绝压),Pa；
n：系统内空气的摩尔数；
T：系统温度,K.
摩尔数的减少和抽气速度之间存在如下微分方程式：
PQd τ=RTdn
(2)
式中：
Q ：抽气速率,m 3/min ；
τ：抽气时间,min.
将式2带入式1,得：
d τ=QP Vdp
（3）
根据上述的式1、2和3,分别对压空缓冲罐和真空缓冲罐的
容积及供气时间进行分析.
2压空缓冲罐容积、排气时间与压力的变动关系
2.1 储气罐容积、排气时间与压力的变动关系
氮气球罐是储气罐供气的典范案例.石油化工企业在发生火灾
危险时,需要平安系统在一按时间内提供稳定的氮气,用来灭火或控制火灾的蔓延,因此需设置氮气球罐以贮存一定压力和一定量的氮气,在发生火灾时,氮气球罐内的高压氮气经减压后,以稳定的压力和流量供给用气点,在此过程中,球罐压力逐渐降低.下面分析储气罐的容积和排气时间与压力的变动关系.
由式2可获得：
PQ =RT(dn/d τ)
（4）
式中dn/d τ为储气罐排气的摩尔流量,单位mol/min,排气在
恒压、恒流量的情况下,dn/d τ为一常数.若用户要求供气流量为S （Nm 3
/min,标准状态下的流量）,P 0为标准年夜气压,101325Pa,则不难求出dn/d τ=P 0S/RT,带入式4,得PQ=P 0S,带入式3,
d τ=S P Vdp
0 （5） 对式5积分,得
τ=S P P P V 021）
（ （6）
式中：
P 0：标准年夜气压,101325Pa ；
P 1：供气起始压力(绝压),Pa ；
P 2：供气终点压力(绝压),Pa.
式6也可改写成 V=210
P P P -S τ （7）
式中：
τ为缓冲罐供气时间,min ；
S 为供气流量,Nm 3
/min.
同时应该注意到,在推导过程中没有涉及气体的分子量,因此式7也适用于除空气之外的其他气体.
示例一：氮气球罐容积简直定
某石化企业出于平安的要求,设置氮气球罐作为事故氮气的储罐.氮气球罐的氮气压力为0.6MPa,事故状态下氮气减压至0.2MPa,流量8Nm 3/min,继续供气时间不小于2小时.问事故球罐的容积为几多？
解：
该工况为恒压、恒流量供气方式,据式7, V=210P P P -S τ= 6102.06.0101325
X ）（-X8X （2X60）=243m 3, 故事球罐的容积不小于243 m 3
.
2.2 压空缓冲罐容积、排气时间与压力的变动关系
在下游用户用气量有摆荡的情况下,常设置压空缓冲罐以稳定压力.在该工况下,压空连续进入、排出缓冲罐.
图1为压缩空气的供气流程：
图1 压缩空气供气流程
空气经压缩机加压后,进入干燥及净化系统除油、除水,再经空压站空气缓冲罐稳压后,输送到用户空气缓冲罐,为各用气点供气.
对连续生产装置,各用气点的用气量不随时间改变,式中流量Q1即是流量Q2,用户空气缓冲罐的压力也为定值,不随时间变动.因此对用气点连续稳定用气的生产装置,如发酵车间,用户空气缓冲罐可以不设；在空压站如选用的是往复式空压机,为了降高空压机出口压力的脉动,在空压机出口设置空压站空气缓冲罐,容积一般取空压机每分钟流量（Nm3/min）的10%左右；如果选用的是螺杆式或离心式空压机,空压机出口气压稳定,空压站空气缓冲罐也可不设.
如果用气点用气量发生变动,比如排气流量Q2比进气流量Q1增年夜△Q,此时压空缓冲罐的的压力Pt逐渐下降,当压力摆荡不年夜时,该过程等效于储气罐供气工况,供气流量为△Q,可以用式7计算缓冲罐的容积.式7中供气时间为从缓冲罐压力降低开始,到空压机自动调节并加年夜供气流量,缓冲罐压力开始升高的这段时间.
由于排气量的增年夜,缓冲罐压力开始降低,传递到空压机出口处的压力检测仪表,对恒压控制的空压机（经常使用的控制方式）,自动调节空压机进气口阀门,增年夜供气量,由于空气为可压缩气体,达到用户缓冲罐有一定的延迟,延迟时间为τ,此刻用户缓冲罐的压力降到最低值,随后开始逐步升高.延迟时间τ除和自动执行机构的响应及举措时间有关外,还和自空压机到压空缓冲罐的管线距离有关.空压机的排气达到用户缓冲罐是一个变压力、变流量的静态过程,本文近似依照管长除以空气流速,求得压缩空气达到稳定供气时的延迟时间.
下面以实例说明作为储气罐和稳压罐使用时,压空缓冲罐容积的计算.
示例二：作为稳压罐使用时压空缓冲罐容积简直定
某工段多个设备使用压缩空气,平均压缩空气的流量为
10Nm3/min,压力为0.7 MPa,在把持过程中有的用气点为间歇用气,招致用气量摆荡,要求摆荡幅度小于30%,供气压力要求不小于
0.5MPa,同时空压机到压空缓冲罐的供气管线总长为600m,问需设置多年夜容积的压空缓冲罐能满足生产要求.
解：
流量摆荡为30%,相当于进入缓冲罐的空气流量比缓冲罐排出的流量少（增加时计算方法相同）3Nm 3
/min,等效于压空储罐以3Nm 3/min 的流量供气,由于压力摆荡不年夜,近似依照恒压恒流量考虑,利用式7计算压空缓冲罐容积.
空压机恒压控制响应延迟时间取1mim,压缩空气的流速取10m/s,流量延迟时间为600÷10=60s=1min,故τ=2min.等效于式7中压力降低到摆荡压力时供气时间为2min.
又S=△Q=10X0.3=3Nm 3/min,
依照式7, V=210P P P -S τ=6105.07.0101325
X ）（-3, 故设置3m 3的压空缓冲罐能满足生产要求.
3真空缓冲罐容积、排气时间与压力的变动关系
真空缓冲罐随着气体被真空泵逐渐抽出,压力逐渐降低,过程中排气的流量坚持不变,摩尔流量逐渐减少.图2为2BE1 305-1型水环真空泵的性能曲线,由图可已看出,从0.03~0.1MPa 的范围内,随着真空泵吸气压力的降低,吸气量为3000m 3/h 坚持不变.
图22BE1 305-1型水环真空泵性能曲线
在本工况下,抽气流量Q 为常量,由式3积分得抽气时间计算式：
τ=Q V ln 2
1p p （8） 或V=21
p p ln τ
Q
（9） 式中：
P1：缓冲罐起始压力(绝压),Pa ；
P2：缓冲罐终点压力(绝压),Pa.
式8用于计算对真空缓冲罐抽气,压力由P1下降到P2时所需的时间.
图3为真空系统流程：
图3 真空系统流程
对图3进行分析,图中容积为Vn1,Vn2,Vnn 的真空干燥机处于工作状态,压力为P 1（绝压）,真空缓冲罐容积为V,接入容积为V 1的真空干燥机,系统压力上升为P 2,设V 0=∑=n
i 1Vni,
根据气体状态方程有： P 1(V+V 0)=n 1RT (10)
P 0V 1=n 2RT (11)
P 2(V 1+V 0+V)=(n 1+n 2)RT (12)
将上式整理得：
△P=P 2-P 1=(P 0-P 2)V V 1-(P 2-P 1)V V 0
(13)
或 V+V 0=122
0P P P P --V 1
(14) 式中：
P 0：标准年夜气压,101325Pa ；
n ：系统内空气的摩尔数.
式13用于计算认真空系统接入容积为V 1的设备时压力的摆荡值,式14用于计算满足摆荡要求时真空缓冲罐的容积.
上述公式在推导过程中假定各设备的温度相同,做了简化处置,同时应满足气体压强在133～101325Pa 范围的真空系统,对小于133Pa 的高真空管路,上述公式不适用.
下面以实例说明作为稳压使用的真空缓冲罐容积、压力摆荡及恢复时间简直定.
示例三：
如图3所示,4台1m3的真空干燥机有3台处于工作状态,工
作压力为0.01MPa,真空缓冲罐容积3m 3
,真空干燥机装料系数为40%,接入第4台干燥机后,问压力摆荡为几多？若要求系统压力不超越0.015MPa,问真空缓冲罐的容积为几多能满足要求？另若真空泵的抽气速率为180m 3/h,假定4台干燥机的泄露量与真空泵的抽气量相比可以忽略,试估算压力从0.015MPa 恢复到0.01MPa 所需的时间？
解：
根据式13,V 03,
V 13,
△P=(101325-15000)X 36.0-(15000-10000)X 38
.1=14265 Pa=0.0143MPa.
接入第4台真空干燥机后,压力升高了0.0143MPa,摆荡幅度较年夜.
根据式14,
V+V 0=100001500015000
101325--=17.3m3,
33的真空缓冲罐,可以看出若满足压力摆荡较小的要求,缓冲的体积较年夜.
根据式8,V=17.3+0.6=17.9m3,
τ=60/1809.17ln 01.0015
.0=2.4min.需经过2.4min 才华恢复到之前的工作压力.
由本例可以看出,对真空度要求稳定性较高的场所,最好不要采纳多台设备并联的把持方式.
对一台设备配一台真空泵的工况,主要根据气液分离效果及达到工作真空度所需的时间确定真空缓冲罐的容积.
4缓冲罐的气液分离计算
在制药行业,空气缓冲罐,除稳定系统压力外还兼有气液分离
的作用,分离失落气相中的液滴以呵护真空泵或下游的用气设备.
根据液滴在空气中的沉降运动雷诺准数可以计算液滴的沉降速度[3]
：
R ep =μρu d p
式中R ep 为液滴沉降的雷诺准数,无单位；
D p 为被分离的液滴最小直径,单位m ；
u 为沉降速度,单位m/s ；
ρ为液滴密度,单位kg/m 3
；
μ为气体粘度,Pa.S.
当R ep 数值介于500~2x105区间时,液滴的极限沉降速度可用下式计算[3]：
u t g g l g ρρρ)d p -（ （15）
式中u t 为液滴的极限沉降速度,m/s ； g 为重力加速度,m/s 2；
ρL 和ρg 分别为液滴和气体的密度,单位kg/m 3.
工程上一般要求气液分离器分离的液滴尺寸为微米级,对水和空气系统而言,R ep 数值介于500~2x105之间,对压空或真空缓冲罐,可用式15计算液滴的极限沉降速度,而对内部增加丝网的气液分离器,分离效果明显增强,对分离3~5μm 的液滴,其极限沉降速度用下式计算[4]：
u t g g
l ρρρ- （16）
选取气液分离器的把持气速u g 时,u gt ,
由此可以计算气液分离器的直径： D=g u 4πQ
（17）
式中：
D为气液分离器直径,单位m；
Q为气体流速,单位m/s；
u g为把持气速,单位m/s.
根据供气或稳压要求计算出空气缓冲罐的容积后,对需要进行气液分离的工况,还应依照气液分离的要求计算缓冲罐的直径,评价气液分离效果.
5 结束语
通过上面的分析和讨论,对作为储气罐和稳压罐使用的压缩空气缓冲罐,计算过程以压力摆荡数值和空压机稳定供气的延迟时间为计算依据,相比依照空压机供气流量乘以一按时间来确定缓冲罐容积的经验法,更符合生产实际；对真空缓冲罐,通过实例分析得出,多台设备并联的把持方式,会招致系统压力的年夜幅摆荡,尤其对真空度比力低、要求压力摆荡小的场所,比如真空干燥、真空浓缩等,最好采纳一对一的抽气方式.
由于空气压缩后水蒸汽的分压升高,压空缓冲罐中会有水分析出,在真空浓缩及真空干燥过程中,气体经冷凝器后也会析出水,因此缓冲罐还兼有气液分离器的作用.通过计算确定了缓冲罐的容积后,还应根据气液分离效果计算缓冲罐直径,需要时应对缓冲罐的容积做出适当的调整.
参考文献：
[1]压缩空气站设计手册编写组《压缩空气站设计手册》机械工业出书社,1993
[2]王绍宇《制药行业真空浓缩单位把持真空泵的选型计算》中国制药装备2013年第2期
[3]陈敏恒《化工原理》[M].化学工业出书社,1985
[4]《丝网除沫器》（HG/T 21618-1998）
作者简介：王绍宇（1969—）,男,研究员级高级工程师,现从事医。