王紹宇 郭江輝

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021）

氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

王紹宇 郭江輝

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050021）

對(duì)安全設(shè)施設(shè)計(jì)中常壓氮?dú)庵脫Q、減壓氮?dú)庵脫Q和加壓氮?dú)庵脫Q三種操作工況進(jìn)行了分析，提出了氮?dú)庥昧亢椭脫Q時(shí)間的計(jì)算公式，并通過示例對(duì)三種置換操作進(jìn)行了比較，提出了針對(duì)不同工況下適用情況的建議。

安全設(shè)施；常壓氮?dú)庵脫Q；減壓氮?dú)庵脫Q；加壓氮?dú)庵脫Q

氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)在醫(yī)藥化工企業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，是預(yù)防危險(xiǎn)生產(chǎn)裝置發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故的重要安全設(shè)施。《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50160—2008）第7.2.9條規(guī)定：“甲、乙A類設(shè)備和管道應(yīng)有惰性氣體置換設(shè)施?！保?］，但是在設(shè)計(jì)過程中，選擇何種氮?dú)庵脫Q方式、氮?dú)庥昧?、操作時(shí)間、置換效率等如何計(jì)算，相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)中沒有介紹，網(wǎng)絡(luò)上資料也以介紹試驗(yàn)性的數(shù)據(jù)為主，參考性和借鑒意義有限。本文通過對(duì)氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)的過程進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的計(jì)算公式，以期對(duì)設(shè)計(jì)工作有一定的指導(dǎo)意義。

常用的氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)有常壓置換、減壓置換和加壓置換三種，下面分別對(duì)三種置換系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1 常壓置換系統(tǒng)

常壓氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)的操作方式為：氮?dú)庾栽O(shè)備一側(cè)連續(xù)加入，從另一側(cè)連續(xù)排出，設(shè)備保持常壓。置換過程中設(shè)備內(nèi)氮?dú)鉂舛戎鸩皆龈?，?dāng)達(dá)到要求后置換過程結(jié)束，置換流程詳見圖1。

圖1 常壓置換系統(tǒng)流程Fig.1 Flow chart of the common replacement system

假設(shè)通入的氮?dú)夥浅＞徛谠O(shè)備內(nèi)充分?jǐn)U散、混合，即設(shè)備內(nèi)各處的氮?dú)鉂舛染唬瑢?duì)上述過程的氮?dú)膺M(jìn)行物料衡算，在dt （t為時(shí)間，min，時(shí)間單位下同）時(shí)間內(nèi)有：

式中 c0——置換用氮?dú)獾臐舛?，體積分?jǐn)?shù)，下同；

S——氮?dú)饬髁?，Nm3/min；

V——設(shè)備容積，m3；

c——某一時(shí)刻設(shè)備內(nèi)氮?dú)獾臐舛取?/p>

對(duì)式（1）積分：

式（2）的解析解為：

c1為設(shè)備內(nèi)氮?dú)獾某跏紳舛?，c2為置換終了時(shí)的氮?dú)鉂舛取?/p>

置換過程所需氮?dú)饬繛椋?/p>

對(duì)于實(shí)際置換過程，設(shè)備中氮?dú)鉂舛萩不可能是各處相同的，需引入一個(gè)校正系數(shù)K，（3）式改寫為：

校正系數(shù)K大于1，與設(shè)備中氣體的擴(kuò)散狀態(tài)、湍流程度等操作參數(shù)有關(guān)，氣體在設(shè)備內(nèi)擴(kuò)散越充分、湍流狀態(tài)越高，K值越小。

2 減壓置換系統(tǒng)

對(duì)于能承受負(fù)壓的反應(yīng)罐，采用減壓置換可有效提高置換效率。減壓置換過程先對(duì)設(shè)備抽真空，到達(dá)真空度p1（Pa，絕壓，壓力單位下同）后，通入氮?dú)獾綁毫0，然后繼續(xù)抽真空，重復(fù)上面的操作，直到設(shè)備中氮?dú)鉂舛冗_(dá)到要求為止。

根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV = nRT［2］，設(shè)備中總的氣體mol數(shù)為：

設(shè)備中氮?dú)獾钠鹗紳舛葹閏s0，當(dāng)抽真空到達(dá)壓力為p1時(shí)，此時(shí)設(shè)備中氮?dú)獾膍ol數(shù)為：

式中 R——?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/（ mol·K ）；

T——溫度，K。

通入氮?dú)獾匠?，通入的氮?dú)鈓ol數(shù)為：

式中 p2= p0-p1。

第一次抽氣并通入氮?dú)獾匠汉螅O(shè)備內(nèi)氮?dú)獾臐舛葹椋?/p>

帶入式（6）、（7）、（8），并整理后得：

經(jīng)整理，式（10）簡(jiǎn)化為：

經(jīng)計(jì)算，第二次抽氣并通入氮?dú)獾匠汉?，設(shè)備內(nèi)氮?dú)獾臐舛葹椋?/p>

重復(fù)N次抽氣后，設(shè)備內(nèi)氮?dú)獾臐舛葹椋?/p>

或?qū)懗桑?/p>

與常壓置換系統(tǒng)相似，減壓置換時(shí)充入的氮?dú)庖膊豢赡芎驮O(shè)備內(nèi)的氣體完全充分混合，但是減壓置換比常壓置換混合效果要好。由于混合不充分，抽氣時(shí)抽出的氧氣少，因此需引入一個(gè)小于1的系數(shù)ε對(duì)壓力校正，式（13）和（14）改寫為：

減壓置換操作時(shí)間由抽真空時(shí)間t1和充氮時(shí)間t2兩部分組成，抽真空時(shí)為恒定體積流量（體積流量不變，壓力逐漸降低）過程，抽真空時(shí)間t1由下式計(jì)算［3］：

充氮時(shí)為恒壓、恒流量供氣，充氮時(shí)間t2由下式計(jì)算［3］：

式中 Q——真空泵抽氣流量，m3/min；

S——充氮?dú)饬髁?，Nm3/min。

總的氮?dú)庵脫Q時(shí)間為：

置換用氮?dú)饬繛镼t。

減壓置換系統(tǒng)需配置真空泵，同時(shí)設(shè)備的密封性要好，否則在抽真空過程中如漏氣嚴(yán)重，到置換后期氮?dú)鉂舛忍岣呃щy；同時(shí)充氮?dú)鈺r(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制氮?dú)饬魉俨灰^氮?dú)庀到y(tǒng)的供氮能力，避免氮?dú)庀到y(tǒng)出現(xiàn)負(fù)壓，并應(yīng)在氮?dú)夤苈钒惭b止回閥，防止氮?dú)夤苈穳毫档蜁r(shí)其它設(shè)備中的空氣進(jìn)入氮?dú)庀到y(tǒng)。

3 加壓置換系統(tǒng)

對(duì)于能承受正壓的設(shè)備，也可采用加壓置換。加壓置換過程先對(duì)設(shè)備充氮?dú)?，達(dá)到壓力p1后，排氣到常壓p0，然后繼續(xù)充氮，重復(fù)上面的操作，直到設(shè)備中氮?dú)鉂舛冗_(dá)到要求為止。

加壓置換系統(tǒng)的計(jì)算過程與減壓置換系統(tǒng)相似，經(jīng)推導(dǎo)，加壓置換重復(fù)N次后，設(shè)備內(nèi)氮?dú)獾臐舛葹椋?/p>

或?qū)懗桑?/p>

同減壓置換相似，引入ε對(duì)壓力校正，式（20）和（21）改寫為：

加壓置換操作時(shí)間由充氮時(shí)間t1和排氣時(shí)間t2兩部分組成，充氮時(shí)為恒壓、恒流量供氣，充氮時(shí)間t1由下式計(jì)算［3］：

排氣時(shí)間t2與排氣管徑、管長、氣體分子量、置換溫度及壓力等因素有關(guān)，屬變壓力、變流量的排氣過程，嚴(yán)格計(jì)算較為復(fù)雜。當(dāng)排氣管長度較小，忽略管道阻力損失，按照等溫變化估算排氣時(shí)間，可用下式計(jì)算［4］：

式中 M—?dú)怏w分子量；

d—排氣管直徑，m。

式（25）的推導(dǎo)過程此處從略，排氣口壓力為常壓。

加壓置換系統(tǒng)不需配備真空泵，但應(yīng)注意置換壓力應(yīng)小于設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。

4 三種置換方式的比較

下面以示例的方式對(duì)三種置換方式的氮?dú)庀牧俊⒉僮鲿r(shí)間進(jìn)行比較。

示例一：

對(duì)某氫化反應(yīng)釜進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，反應(yīng)釜容積為5 m3，氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)提供的氮?dú)鈮毫? atm（絕壓），濃度為99.9%（體積分?jǐn)?shù)，下同），要求置換終了氫化釜內(nèi)的氮?dú)鉂舛炔恍∮?8%，反應(yīng)釜內(nèi)初始的氮?dú)鉂舛葹?8%，要求置換時(shí)間不大于20 min。

（1）試計(jì)算采用常壓置換時(shí)氮?dú)獾牧魉偌翱偟牡獨(dú)夂牧浚?/p>

（2）保持供氮速度不變，采用減壓置換，真空泵抽氣速率為2 m3/min，減壓到氫化釜壓力為0.3 atm（絕壓），試計(jì)算減壓置換總的氮?dú)夂牧亢椭脫Q時(shí)間。

（3）保持供氮速度不變，采用加壓置換，加壓到氫化釜壓力為3.2 atm（絕壓），氫化釜排氣口管徑為DN 50，置換溫度為25 ℃，氮的分子量為28。試計(jì)算加壓置換總的氮?dú)夂牧亢椭脫Q時(shí)間。

解：

① 常壓置換

校正系數(shù)K取經(jīng)驗(yàn)值4，利用式（5）計(jì)算供氣速度：

總的氮?dú)夂牧浚?/p>

2.4×20 = 48 Nm3。

② 減壓置換

校正系數(shù)ε取0.7，利用式（16）計(jì)算抽氣次數(shù)：

即需置換3次，利用式（17）、（18）計(jì)算置換時(shí)間：

置換過程總用時(shí)：

3×（ 3 +1.46 ） = 13.38 min

總耗氮量：

2.4×3×1.46 = 10.5 Nm3。

③ 加壓置換

校正系數(shù)ε取0.7，利用式（23）計(jì)算充氣次數(shù)：

即需置換3次，利用式（24）、（25）計(jì)算置換時(shí)間：

置換過程總用時(shí)：

3×（ 4.58 +22.7 ） = 81.84 min。

總耗氮量：

2.4×3×4.58 = 33 Nm3。

由上述3種置換方式下操作時(shí)間及氮?dú)饪偤牧靠梢钥闯?，減壓置換所需氮?dú)饬亢筒僮鲿r(shí)間最少；加壓置換用時(shí)最長，耗氣量少于常壓置換；常壓置換耗氣量最大。從式（16）、（23）可以看出，減壓置換時(shí)抽真空壓力越低、加壓置換時(shí)充氮壓力越高，需置換的次數(shù)越少、置換此時(shí)越少、耗氣量也越少。

5 結(jié)論

對(duì)于能承受一定負(fù)壓的設(shè)備，在需要頻繁置換的情況下（比如每批置換），采用減壓置換，可以有效的降低氮?dú)庀牧亢椭脫Q時(shí)間，雖然需配備真空泵等設(shè)備也是值得的；對(duì)于能承受一定正壓的設(shè)備，正壓置換的氮?dú)庀牧恳惨∮诔褐脫Q，但是由于受設(shè)備設(shè)計(jì)壓力和氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)氮?dú)鈮毫Φ南拗?，正壓置換在節(jié)約氮?dú)夂蜏p少操作時(shí)間方面效果不明顯；常壓置換對(duì)設(shè)備的要求和所需配套的系統(tǒng)最少，操作也最簡(jiǎn)便，但是置換過程消耗的氮?dú)饬孔畲螅O(shè)計(jì)者可根據(jù)具體的操作情況選擇氮?dú)庵脫Q方式。另外，從三種置換方式的氮?dú)夂牧亢椭脫Q時(shí)間的計(jì)算公式可以看出，提高氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)氮?dú)獾臐舛?，可有效降低氮?dú)庥昧?、?jié)省置換時(shí)間。

［1］石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范（ GB 50160—2008）［S］.

［2］胡英 物理化學(xué)（上冊(cè)） 第三版［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［3］王紹宇 壓空緩沖罐和真空緩沖罐容積的確定.［J］.化工與醫(yī)藥工程.2015（1）.

［4］陳敏恒.化工原理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1985.

Calculation and Design for Nitrogen Replacing System

Wang Shaoyu，Guo Jianghui
（The Fourth Research and Design Engineering Co.of CNNC，Shijiazhuang 050021）

In this paper，three working conditions which should be taken into account in the design of safety facility were analyzed，including replacements by using atmospheric pressure nitrogen，vacuum nitrogen and pressurized nitrogen.The methods of calculating nitrogen dosage and replacement time were provided.Then with practical example，three replacing methods were compared，and the proposals for different working condition were finally presented.

safety facility； atmospheric pressure nitrogen replacement； vacuum nitrogen replacement； pressurized nitrogen replacement

TQ 086

A

2095-817X（2016）04-0043-004

2016-02-17

王紹宇（1969—），男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，從事醫(yī)藥化工的設(shè)計(jì)工作。