氮氣置換系統設計計算

王紹宇 郭江輝

（中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021）

氮氣置換系統設計計算

王紹宇 郭江輝

（中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021）

對安全設施設計中常壓氮氣置換、減壓氮氣置換和加壓氮氣置換三種操作工況進行了分析，提出了氮氣用量和置換時間的計算公式，并通過示例對三種置換操作進行了比較，提出了針對不同工況下適用情況的建議。

安全設施；常壓氮氣置換；減壓氮氣置換；加壓氮氣置換

氮氣置換系統在醫藥化工企業生產中被廣泛應用，是預防危險生產裝置發生爆炸、火災事故的重要安全設施?！妒突て髽I設計防火規范》（GB 50160—2008）第7.2.9條規定：“甲、乙A類設備和管道應有惰性氣體置換設施?！保?］，但是在設計過程中，選擇何種氮氣置換方式、氮氣用量、操作時間、置換效率等如何計算，相關設計手冊中沒有介紹，網絡上資料也以介紹試驗性的數據為主，參考性和借鑒意義有限。本文通過對氮氣置換系統的過程進行分析，提出了相應的計算公式，以期對設計工作有一定的指導意義。

常用的氮氣置換系統有常壓置換、減壓置換和加壓置換三種，下面分別對三種置換系統進行分析。

1 常壓置換系統

常壓氮氣置換系統的操作方式為：氮氣自設備一側連續加入，從另一側連續排出，設備保持常壓。置換過程中設備內氮氣濃度逐步增高，當達到要求后置換過程結束，置換流程詳見圖1。

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

假設通入的氮氣非常緩慢，在設備內充分擴散、混合，即設備內各處的氮氣濃度均一，對上述過程的氮氣進行物料衡算，在dt （t為時間，min，時間單位下同）時間內有：

式中 c0——置換用氮氣的濃度，體積分數，下同；

S——氮氣流量，Nm3/min；

V——設備容積，m3；

c——某一時刻設備內氮氣的濃度。

對式（1）積分：

式（2）的解析解為：

c1為設備內氮氣的初始濃度，c2為置換終了時的氮氣濃度。

置換過程所需氮氣量為：

對于實際置換過程，設備中氮氣濃度c不可能是各處相同的，需引入一個校正系數K，（3）式改寫為：

校正系數K大于1，與設備中氣體的擴散狀態、湍流程度等操作參數有關，氣體在設備內擴散越充分、湍流狀態越高，K值越小。

2 減壓置換系統

對于能承受負壓的反應罐，采用減壓置換可有效提高置換效率。減壓置換過程先對設備抽真空，到達真空度p1（Pa，絕壓，壓力單位下同）后，通入氮氣到壓力p0，然后繼續抽真空，重復上面的操作，直到設備中氮氣濃度達到要求為止。

根據氣體狀態方程PV = nRT［2］，設備中總的氣體mol數為：

設備中氮氣的起始濃度為cs0，當抽真空到達壓力為p1時，此時設備中氮氣的mol數為：

式中 R——氣體常數，8.314 J/（ mol·K ）；

T——溫度，K。

通入氮氣到常壓，通入的氮氣mol數為：

式中 p2= p0-p1。

第一次抽氣并通入氮氣到常壓后，設備內氮氣的濃度為：

帶入式（6）、（7）、（8），并整理后得：

經整理，式（10）簡化為：

經計算，第二次抽氣并通入氮氣到常壓后，設備內氮氣的濃度為：

重復N次抽氣后，設備內氮氣的濃度為：

或寫成：

與常壓置換系統相似，減壓置換時充入的氮氣也不可能和設備內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，抽氣時抽出的氧氣少，因此需引入一個小于1的系數ε對壓力校正，式（13）和（14）改寫為：

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

充氮時為恒壓、恒流量供氣，充氮時間t2由下式計算［3］：

式中 Q——真空泵抽氣流量，m3/min；

S——充氮氣流量，Nm3/min。

總的氮氣置換時間為：

置換用氮氣量為Qt。

減壓置換系統需配置真空泵，同時設備的密封性要好，否則在抽真空過程中如漏氣嚴重，到置換后期氮氣濃度提高困難；同時充氮氣時應嚴格控制氮氣流速不要超過氮氣系統的供氮能力，避免氮氣系統出現負壓，并應在氮氣管路安裝止回閥，防止氮氣管路壓力降低時其它設備中的空氣進入氮氣系統。

3 加壓置換系統

對于能承受正壓的設備，也可采用加壓置換。加壓置換過程先對設備充氮氣，達到壓力p1后，排氣到常壓p0，然后繼續充氮，重復上面的操作，直到設備中氮氣濃度達到要求為止。

加壓置換系統的計算過程與減壓置換系統相似，經推導，加壓置換重復N次后，設備內氮氣的濃度為：

或寫成：

同減壓置換相似，引入ε對壓力校正，式（20）和（21）改寫為：

加壓置換操作時間由充氮時間t1和排氣時間t2兩部分組成，充氮時為恒壓、恒流量供氣，充氮時間t1由下式計算［3］：

排氣時間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，屬變壓力、變流量的排氣過程，嚴格計算較為復雜。當排氣管長度較小，忽略管道阻力損失，按照等溫變化估算排氣時間，可用下式計算［4］：

式中 M—氣體分子量；

d—排氣管直徑，m。

式（25）的推導過程此處從略，排氣口壓力為常壓。

加壓置換系統不需配備真空泵，但應注意置換壓力應小于設備的設計壓力。

4 三種置換方式的比較

下面以示例的方式對三種置換方式的氮氣消耗量、操作時間進行比較。

示例一：

對某氫化反應釜進行氮氣置換，反應釜容積為5 m3，氮氣置換系統提供的氮氣壓力為5 atm（絕壓），濃度為99.9%（體積分數，下同），要求置換終了氫化釜內的氮氣濃度不小于98%，反應釜內初始的氮氣濃度為78%，要求置換時間不大于20 min。

（1）試計算采用常壓置換時氮氣的流速及總的氮氣耗量；

（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），試計算減壓置換總的氮氣耗量和置換時間。

（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。試計算加壓置換總的氮氣耗量和置換時間。

解：

① 常壓置換

校正系數K取經驗值4，利用式（5）計算供氣速度：

總的氮氣耗量：

2.4×20 = 48 Nm3。

② 減壓置換

校正系數ε取0.7，利用式（16）計算抽氣次數：

即需置換3次，利用式（17）、（18）計算置換時間：

置換過程總用時：

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ε取0.7，利用式（23）計算充氣次數：

即需置換3次，利用式（24）、（25）計算置換時間：

置換過程總用時：

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間及氮氣總耗量可以看出，減壓置換所需氮氣量和操作時間最少；加壓置換用時最長，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，減壓置換時抽真空壓力越低、加壓置換時充氮壓力越高，需置換的次數越少、置換此時越少、耗氣量也越少。

5 結論

對于能承受一定負壓的設備，在需要頻繁置換的情況下（比如每批置換），采用減壓置換，可以有效的降低氮氣消耗量和置換時間，雖然需配備真空泵等設備也是值得的；對于能承受一定正壓的設備，正壓置換的氮氣消耗量也要小于常壓置換，但是由于受設備設計壓力和氮氣置換系統氮氣壓力的限制，正壓置換在節約氮氣和減少操作時間方面效果不明顯；常壓置換對設備的要求和所需配套的系統最少，操作也最簡便，但是置換過程消耗的氮氣量最大，設計者可根據具體的操作情況選擇氮氣置換方式。另外，從三種置換方式的氮氣耗量和置換時間的計算公式可以看出，提高氮氣置換系統氮氣的濃度，可有效降低氮氣用量、節省置換時間。

［1］石油化工企業設計防火規范（ GB 50160—2008）［S］.

［2］胡英 物理化學（上冊） 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］.化工與醫藥工程.2015（1）.

［4］陳敏恒.化工原理［M］.北京：化學工業出版社，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，研究員級高級工程師，從事醫藥化工的設計工作。