化工過程常見氣阻現(xiàn)象及其解決措施

唐修祥

（廣西工聯(lián)工業(yè)工程咨詢設(shè)計有限公司，廣西 南寧 530003）

1 工程中常見實例及其危害

氣阻現(xiàn)象是指液體輸送管路中由于氣體的存在，形成“氣帶”，造成液體斷流或流速下降的現(xiàn)象。在化工生產(chǎn)中氣阻現(xiàn)象也時有發(fā)生，常見的狀況有：（1）液體泵泵腔內(nèi)存在氣體吸不上水，輸送不出液體；（2）帶U型管路液體流量變小甚至斷流；（3）輸送泵出口壓力增大或相同壓力時出液流量下降。

氣阻現(xiàn)象最容易發(fā)現(xiàn)在自流或虹吸等壓力較低的輸送管路中，在壓力較高時，包括長輸管路也都存在[1]，但表現(xiàn)出來的負(fù)面影響往往不很明顯。

根據(jù)氣體定律：PV=nRT，在氣體質(zhì)量相同、相同溫度下，管內(nèi)氣體使用前后P1V1=P2V2。當(dāng)管道液體流動穩(wěn)定、壓力穩(wěn)定在P個大氣壓時，這些氣體將被壓縮至原體積常壓時的1/P。隨著壓力的變化，氣體容積也隨著改變。

一般而言，由于泵出口壓力比較大，1/P小，氣體積聚后被壓縮，其容積明顯減小，在初次使用壓力達(dá)到一定程度（大于氣阻）時，被壓縮后氣體大多會隨液體流動被驅(qū)走，少量停留在管道中或附在管壁邊，阻力有限，也只是象一個彈簧一樣收縮在管道截面的局部內(nèi)，雖然增加了管道阻力，但對液體的長期流動影響不太明顯。對于自流或輸送壓力低的過程，影響就比較大，直至斷流。

氣阻現(xiàn)象的主要危害有：（1）輸送泵無法吸液，或揚程明顯下降，對輸送泵提出更高的要求，影響泵、管道的輸送液體效率，增加電耗；（2）造成斷流或流量明顯下降，“堵塞”管道，造成生產(chǎn)裝置所需流量不足甚至被迫停車；（3）管線震動，對管路及其液體流經(jīng)設(shè)備造成損害。

發(fā)生氣阻后，一般需要排氣來處理。因為氣體在管道中常處于游移狀態(tài)，停留點不穩(wěn)定而難以確定，處理起來相當(dāng)困難，化工生產(chǎn)實際中排氣過程常需要多次反復(fù)，有時甚至需要將管路內(nèi)的液體排空，重新充液，對危害性大的液體，臨時排氣、排液時容易出現(xiàn)安全環(huán)保方面的問題，更是讓人感到棘手，因此在生產(chǎn)實踐與設(shè)計過程中，作為管道輸送故障的一個類型，對氣阻現(xiàn)象應(yīng)給予重視。

2 氣阻形成條件的分析

從上述的氣阻現(xiàn)象概念中可以看出，管路有氣體且能集聚在一起，是發(fā)生氣阻的必要條件。

2.1 有氣體存在于管內(nèi)

如果有氣體存在于管道內(nèi)，那么其主要原因是由于液體自身氣化產(chǎn)生和外界帶入。

2.1.1 液體氣化

輸送的液體自身具有揮發(fā)性而可能氣化產(chǎn)生氣體，液體飽和蒸氣壓越大,揮發(fā)速度相應(yīng)越大，氣化產(chǎn)生的最大壓力可以達(dá)到其飽和蒸氣壓。外界壓力越低，液體溫度越高，其揮發(fā)速度也相應(yīng)越大。當(dāng)虹吸等負(fù)壓狀態(tài)或高溫使液體外界壓力小于或等于飽和蒸氣壓時，液體處于沸騰狀態(tài)，形成蒸發(fā)，更容易在輸送管內(nèi)產(chǎn)生氣體。

2.1.2 管路氣體排除不凈或液體夾帶氣體進(jìn)入

注入液體投入使用時管道內(nèi)可能存積或帶入氣體，冷凝后的液體進(jìn)入管道時也可能會夾帶部分氣體。U型管段內(nèi)會積聚氣體，其來源就是液體自身由于溫度較高引起的氣化及液氣夾帶。

2.1.3 管路吸入氣體

管路局部（如泵入口處）形成負(fù)壓，從負(fù)壓管段漏點吸入氣體，存在于管路系統(tǒng)中。如水泵的密封點或吸水罐漏氣，致使氣體進(jìn)入泵腔。

2.2 氣體在管內(nèi)積聚

如果管路后面有U形管，管內(nèi)的氣體前有液體推動，后有液體壓住阻擋，最終被兩端的液體封堵而積聚，則會形成氣阻。如果管路（包括管道、泵及其它設(shè)備）內(nèi)的氣體無法被流動的液體帶走，也會形成氣阻。

3 氣阻現(xiàn)象的預(yù)防措施

氣阻問題重點在于預(yù)防。根據(jù)氣阻現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，“有氣體且能集聚在一起”兩個條件中去除全部或其中的一個，就可以防止氣阻的形成，這也是我們采取措施的依據(jù)。從工藝裝置使用階段劃分，氣阻問題的預(yù)防措施可以分別從設(shè)計和使用運行過程兩個階段進(jìn)行分析。

3.1 設(shè)計時的主要預(yù)防措施

合理的設(shè)計是避免系統(tǒng)出現(xiàn)氣阻現(xiàn)象的前提，通常根據(jù)不同的系統(tǒng)形式采取不同的防止氣體進(jìn)入或產(chǎn)生的方法，或不同的排氣方案。其中，合理的工藝流程及管道布置，對氣阻的預(yù)防具有相當(dāng)重要的作用。在工藝流程設(shè)置中，合適的流體溫度和壓力，可以從源頭減少液體的氣化；遵循“盡量避免液袋的形成，選擇高點排氣”等管道布置的重要原則也可預(yù)防氣體積聚及及時排氣。

3.1.1 管線盡量避免形成U形起伏

在管道布置過程中，當(dāng)管道改變高度或走向時，整條管道統(tǒng)一采用低出高走或高出低走，做到“步步高”或“步步低”，減少氣袋或液袋[2]，是一種理想的方法，可以避免管道形成積聚氣體。

3.1.2 減少液體氣化

（1） 防止或降低負(fù)壓。液體外界壓力小于或等于飽和蒸氣壓時，液體達(dá)到沸點，處于沸騰狀態(tài)，連續(xù)氣化蒸發(fā)，此時最容易發(fā)生氣阻現(xiàn)象。因此，避免管路產(chǎn)生負(fù)壓是一種有效的措施，當(dāng)無法避免負(fù)壓時，負(fù)壓管路（如離心泵吸入口等）在任何位置的絕對壓力均應(yīng)大于被輸送液體的飽和蒸氣壓[3]，即要求：

式中：Psh—某點絕對壓力，Pa；

Pv—物料（相應(yīng)溫度下的）飽和蒸氣壓，Pa。

管道處于負(fù)壓虹吸工作狀態(tài)時：

式中：P0－大氣壓力，Pa；

ρ－物料密度；

U－流速，m·s-1；

g－重力加速度，m·s-2；

hw－從管路吸入口至計算點的阻力損失，m液體；

△ z－計算點與吸液端液位差，m。

從上述公式可以看出，負(fù)壓管路防止產(chǎn)生氣阻的措施之一是降低虹吸的高度（△ z），控制液體壓力在其飽和蒸氣壓之上。

（2）降低溫度。在外界壓力相同時，液體的飽和蒸氣壓會隨溫度下降而變小，液體的蒸發(fā)或揮發(fā)量會減少，因此通過冷卻來降低流體溫度，可以降低氣阻現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性。

3.1.3 減少氣液夾帶

（1） 做好氣液分離。讓氣體減少與液體的混合，有足夠的時間空間從液體中離開，常見措施有增大液體管徑、增加氣液分離器等。

（2）提高冷卻效果。讓流體降低溫度，氣體在進(jìn)入管道前能完全液化，減少氣液混合機會，從源頭防止氣液夾帶。

3.1.4 設(shè)置平衡管或排氣閥

在U型波伏的管線中，有氣體可能集聚的高點，可以利用管道內(nèi)外壓力差將積聚的氣體排出管外：一般在系統(tǒng)處于自流或負(fù)壓狀態(tài)時可以考慮增加平衡管，多數(shù)情況下是增加排氣閥。

排氣閥分為自動排氣閥和手動排氣閥，應(yīng)根據(jù)安全環(huán)保需要和技術(shù)經(jīng)濟綜合考慮來設(shè)置排氣閥。自動排氣閥常應(yīng)用于獨立采暖系統(tǒng)、集中供熱系統(tǒng)、采暖鍋爐、中央空調(diào)、地板采暖及太陽能采暖系統(tǒng)等管道排氣，當(dāng)系統(tǒng)中有氣體溢出時，能自動排出?；どa(chǎn)中，氣體連續(xù)產(chǎn)生的現(xiàn)象較少，加上化工物質(zhì)多有危害性，自動排氣閥在化工系統(tǒng)中不常使用，多數(shù)是安裝手動閥門進(jìn)行人工間歇性排氣。設(shè)置排氣閥需要費用且屬于靜泄漏點，安裝位置高不便操作檢修，且很多時候排氣閥只是在裝置試運行時或大檢修時使用，因此，對于非易燃易爆等難清洗置換的管道，有時可以考慮只安裝臨時性排氣閥或排氣口。

3.2 使用時的主要預(yù)防措施

（1） 空管狀態(tài)下正確地充液，防止氣體帶入?？展苁褂们?，需先充液排氣。在為管道灌液時，灌液方案的確定應(yīng)以有利于系統(tǒng)內(nèi)氣體的排除為原則，先開啟高點排氣閥，保持進(jìn)液端與大氣或低壓點相通，應(yīng)盡量用小流量，讓管道液體緩慢流動，避免氣液混合，再逐步從進(jìn)液端或低端開始趕出氣體，以確保將每一段管道的管內(nèi)充滿液體。由于所采用的排氣閥的排氣量一般不大，而系統(tǒng)灌液時液流速較快，往往不能將氣體及時排出，從而造成系統(tǒng)窩氣，所以在系統(tǒng)灌液時，要分區(qū)分步驟進(jìn)行，逐步向系統(tǒng)灌液，力圖將管內(nèi)氣體全部趕出。

（2）控制好溫度、壓力等可能引起氣阻現(xiàn)象的因素，對氣阻現(xiàn)象易發(fā)點定期排氣。

4 結(jié)論

通過以上探討分析可知：

（1）氣阻現(xiàn)象形成的原因是管道內(nèi)氣體的產(chǎn)生及外來氣體的帶入、積聚。

（2）通過防止和控制管內(nèi)氣體的存在，避免管線U型起伏，高點排氣等措施，將“有氣體且能集聚在一起”2個條件中去除全部或其中的一個，可以防止氣阻的形成。

（3）合理的工藝流程及管道布置，是預(yù)防和解決氣阻問題的關(guān)鍵。

（4）作為管道輸送故障的一個類型，且危害性較大，在化工工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理過程中對氣阻現(xiàn)象應(yīng)給予重視。

[1] 安金龍.長輸管道排水過程中的氣阻現(xiàn)象與氣阻定律[J].石油工程建設(shè)，2010，36(5)：13-16.

[2] SH 3012-2000，石油化工管道布置設(shè)計通則[S].