压空缓冲罐容积

1、压空缓冲罐和真空缓冲罐容积的确定时间：2021.02.09创作人：欧阳历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，其作用是降低空气系统的压力波动，保证 系统平稳、连续供气。压空缓冲罐一般设置在空压机岀口 和用气点，设置在空压机出口的缓冲罐主要是为了降低空 压机出口压力的脉动及分离压缩空气中的水。对于往复式 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（Nm'/min）的10%左右，而对于离心式或螺杆式离 心机，由于其排气口气压比较稳定，空气缓冲罐的作用主 要是分离冷凝水，其尺寸及容积按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

2、气负荷，降低不同用气点由于用气量变化而引起的系统压力波 动，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I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于常温、低压的压空系统，可以用理想气体状态方 程PV=nRT描述气体的体积、压力的变化。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：Vdr=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，Ko摩尔数

3、的减少和抽气速度之间存在如下微分方程式:PQdr=RTdn(2)式中：Q：抽气速率，m'/min； t：抽气时间,min。 将式2带入式1,得：Vdpdx= QP (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化关系 2.1储气罐容积、排气时间与压力的变化关系氮气球罐是储气罐供气的典型案例。石油化工企业在 发生火灾危险时，需要安全系统在一定时间内提供稳定的 氮气，用来灭火或控制火灾的蔓延，因此需设置氮气球罐 以储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

4、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化关系。由式2可得到:PQ =RT(dn/dt)(4)式中勿/出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/dr为一常数。若用户要 求供气流量为S (Nm'/min,标准状态下的流量)，P。为标准大气压，101325Pa,则不难求出勿/化RS/RT,带入式4, 得PQ=PoS,带入式3,Vdpd/s（5）对式5积分，得y（ppj仁 p。*（6）式中：Po：标准大气压，101325Pa；Pi：供气起始压力（绝压），Pa；P2：供气终点压力（绝压），Pao 式6也可改写成V=p

5、>_p2St（7）式中：t为缓冲罐供气时间，min；S为供气流量，NmVmino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：氮气球罐容积的确定 氮气的储罐。氮气球罐的氮气压力为06MPa,事故状态下 氮气减压至0.2MPa,流量8Nm3/min,持续供气时间不小于某石化企业出于安全的要求,设置氮气球罐作为事故2小时。问事故球罐的容积为多少?解：该工况为恒压、恒流量供气方式，据式7,尸0101325V=pi-p2ST=(0.6-0.2) X1O6X8X (2X60)二243n?,故事球罐的容积不小于243 nA2.2压空缓冲罐容积、排气

6、时间与压力的变化关系 在下游用户用气量有波动的情况下，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。对于连续生产装置，各用气点的用气量不随时间改变, 式中流量Q1等于流量Q2,用户空气缓冲罐的压力也为定 值，不随时间变化。因此对于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，为了降低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

7、机每分钟流量（Nn?/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化，比如排气流量Q2比进气 流量Q1增大AQ,此时压空缓冲罐的的压力Pt逐渐下降， 当压力波动不大时，该过程等效于储气罐供气工况，供气 流量为AQ,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大供 气流量，缓冲罐压力开始升高的这段时间。由于排气量的增大，缓冲罐压力开始降低，传递到空压 机岀口处的压力检测仪表，对于恒压控制的空压机（常用 的控制方式），自动调节空压机进气口阀门，增大供气 量，由于空气为可压

8、缩气体，到达用户缓冲罐有一定的延 迟，延迟时间为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t除了和自动执行机构的响应及 动作时间有关外，还和自空压机到压空缓冲罐的管线距离 有关。空压机的排气到达用户缓冲罐是一个变压力、变流 量的动态过程，本文近似按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的确定某工段多个设备使用压缩空气，平均压缩空气的流量 为1 ONmVmin,压力为0.7 MPa,在操作过程中有的用气点 为间歇用气，导致用气量波动，要求波动幅度小于30%

9、,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,问需设置多大容积的压空缓冲罐能满 足生产要求。解：流量波动为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）3Nm3/min,等效于 压空储罐以3Nm3/min的流量供气，由于压力波动不大，近 似按照恒压恒流量考虑，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lmim,压缩空气的流 速取10m/s,流量延迟时间为600H0二60s二lmin,故 r=2mino等效于式7中压力降低到波动压力时供气时间为 加in。又 S=AO10X0.3=3Nm-7min,按照式7,P。

10、101325nJZ Sg（07-05）X10& X3X2二3 04m3,故设置3n?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化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，过程中排气的流量保持不变，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，由图可己看出， 从0.03-0.1 MPa的范围内，随着真空泵吸气压力的降低， 吸气量为3000m7h保持不变。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：t=Q ln（8）Qt花或V=（9）式中：P1：缓冲罐起始压力（绝压），P

11、a；P2：缓冲罐终点压力（绝压），Pao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Vnl, Vn2, Vnn的真空 干燥机处于工作状态，压力为P （绝压），真空缓冲罐容 积为V，接入容积为0的真空干燥机，系统压力上升为P2, nY设 V（）二 口 Vni,根据气体状态方程有：p（V+V°）=mRT（10）RMmRT （11）P2 （ W +Vo+V）二（m +ri2） RT（12）将上式整理得：AP=P2-Pi=（Po-P2）v （P2P）V（13）PT或仏的一人K (14)式中：Po：标准大气压，

12、101325Pa；n：系统内空气的摩尔数。式13用于计算当真空系统接入容积为Vi的设备时压力 的波动值，式14用于计算满足波动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 简化处理，同时应满足气体压强在133101325Pa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 力波动及恢复时间的确定。示例三：如图3所示，4台lm3的真空干燥机有3台处于工作状 态，工作压力为O.OIMPa,真空缓冲罐容积3n?,真空干燥 机装料系数为40%,接入第4台干燥机后，问压力波动为多 少？若要求系统压力不超过0.01

13、5MPa,问真空缓冲罐的容 积为多少能满足要求？另若真空泵的抽气速率为180n?/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O.OIMPa所需的时间？解：根据式 13, Vo=lx3x (1-0.4) =1.8mVi=lx (1-0.4) =0.6m0.6 1.8AP=(101325- 15000)X -(15000-10000)0 =14265Pa=0.0143MPa。接入第4台真空干燥机后，压力升高了 0.0143MPa,波动幅度较大。根据式14,101325 15000冷 15000-10000 XO6Y1 3m3,V=17.3-1.8

14、=15.5m需配置15.5m3的真空缓冲罐,可 以看出若满足压力波动较小的要求，缓冲的体积较大。根据式8, V二173+06=179m3,17.90.015Z80/60n硕二2.4min。需经过2.4min才能恢复到之 前的工作压力。由本例可以看岀，对于真空度要求稳定性较高的场 合，最好不要采用多台设备并联的操作方式。对于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，除了稳定系统压力外还兼 有气液分离的作用，分离掉气相中的液滴以保护真空泵或 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

15、计算液滴 的沉降速度：dp2Rep=" 式中Rep为液滴沉降的雷诺准数，无单位； Dp为被分离的液滴最小直径，单位m； u为沉降速度，单位m/s； P为液滴密度,单位kg/m3； 卩为气体粘度，Pa.So 当Rm数值介于500-2x105区间时，液滴的极限沉降速度可 用下式计算：u(=l. 74（15）式中山为液滴的极限沉降速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；（X和伐分别为液滴和气体的密度，单位kg/m'o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，為数值介于500-2x105之间，对 于压空或真空缓冲罐，可用式15计算液滴的极限沉降速 度，而对

16、于内部增加丝网的气液分离器，分离效果明显增 强，对于分离35帥的液滴，其极限沉降速度用下式计算 .山二0刃几（16）选取气液分离器的操作气速lb时，山二0508山， 由此可以计算气液分离器的直径：式中：D为气液分离器直径，单位m；Q为气体流速，单位m/s；山为操作气速，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 于需要进行气液分离的工况，还应按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，计算过程以压力波动数值和空压机稳 定供气的延迟时间为计算依据，相比按照空压机供气流量 乘以一定时间来确定缓冲罐容积的经验法，更符合生产实 际；对于真空缓冲罐，通过实例分析得岀，多台设备并联 的操作方式，会导致系统压力的大幅波动，尤其对于真空 度比较低、要求压力波动小的场合，比如真空干燥、真空 浓缩等，最好采用一对一的抽气方式。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