化工过程常见气阻现象及其解决措施

2013-07-24唐修祥

化工技术与开发 2013年1期

唐修祥

（广西工联工业工程咨询设计有限公司，广西南宁 530003）

1 工程中常见实例及其危害

气阻现象是指液体输送管路中由于气体的存在，形成“气带”，造成液体断流或流速下降的现象。在化工生产中气阻现象也时有发生，常见的状况有：（1）液体泵泵腔内存在气体吸不上水，输送不出液体；（2）带U型管路液体流量变小甚至断流；（3）输送泵出口压力增大或相同压力时出液流量下降。

气阻现象最容易发现在自流或虹吸等压力较低的输送管路中，在压力较高时，包括长输管路也都存在[1]，但表现出来的负面影响往往不很明显。

根据气体定律：PV=nRT，在气体质量相同、相同温度下，管内气体使用前后P1V1=P2V2。当管道液体流动稳定、压力稳定在P个大气压时，这些气体将被压缩至原体积常压时的1/P。随着压力的变化，气体容积也随着改变。

一般而言，由于泵出口压力比较大，1/P小，气体积聚后被压缩，其容积明显减小，在初次使用压力达到一定程度（大于气阻）时，被压缩后气体大多会随液体流动被驱走，少量停留在管道中或附在管壁边，阻力有限，也只是象一个弹簧一样收缩在管道截面的局部内，虽然增加了管道阻力，但对液体的长期流动影响不太明显。对于自流或输送压力低的过程，影响就比较大，直至断流。

气阻现象的主要危害有：（1）输送泵无法吸液，或扬程明显下降，对输送泵提出更高的要求，影响泵、管道的输送液体效率，增加电耗；（2）造成断流或流量明显下降，“堵塞”管道，造成生产装置所需流量不足甚至被迫停车；（3）管线震动，对管路及其液体流经设备造成损害。

发生气阻后，一般需要排气来处理。因为气体在管道中常处于游移状态，停留点不稳定而难以确定，处理起来相当困难，化工生产实际中排气过程常需要多次反复，有时甚至需要将管路内的液体排空，重新充液，对危害性大的液体，临时排气、排液时容易出现安全环保方面的问题，更是让人感到棘手，因此在生产实践与设计过程中，作为管道输送故障的一个类型，对气阻现象应给予重视。

2 气阻形成条件的分析

从上述的气阻现象概念中可以看出，管路有气体且能集聚在一起，是发生气阻的必要条件。

2.1 有气体存在于管内

如果有气体存在于管道内，那么其主要原因是由于液体自身气化产生和外界带入。

2.1.1 液体气化

输送的液体自身具有挥发性而可能气化产生气体，液体饱和蒸气压越大,挥发速度相应越大，气化产生的最大压力可以达到其饱和蒸气压。外界压力越低，液体温度越高，其挥发速度也相应越大。当虹吸等负压状态或高温使液体外界压力小于或等于饱和蒸气压时，液体处于沸腾状态，形成蒸发，更容易在输送管内产生气体。

2.1.2 管路气体排除不净或液体夹带气体进入

注入液体投入使用时管道内可能存积或带入气体，冷凝后的液体进入管道时也可能会夹带部分气体。U型管段内会积聚气体，其来源就是液体自身由于温度较高引起的气化及液气夹带。

2.1.3 管路吸入气体

管路局部（如泵入口处）形成负压，从负压管段漏点吸入气体，存在于管路系统中。如水泵的密封点或吸水罐漏气，致使气体进入泵腔。

2.2 气体在管内积聚

如果管路后面有U形管，管内的气体前有液体推动，后有液体压住阻挡，最终被两端的液体封堵而积聚，则会形成气阻。如果管路（包括管道、泵及其它设备）内的气体无法被流动的液体带走，也会形成气阻。

3 气阻现象的预防措施

气阻问题重点在于预防。根据气阻现象产生的原理，“有气体且能集聚在一起”两个条件中去除全部或其中的一个，就可以防止气阻的形成，这也是我们采取措施的依据。从工艺装置使用阶段划分，气阻问题的预防措施可以分别从设计和使用运行过程两个阶段进行分析。

3.1 设计时的主要预防措施

合理的设计是避免系统出现气阻现象的前提，通常根据不同的系统形式采取不同的防止气体进入或产生的方法，或不同的排气方案。其中，合理的工艺流程及管道布置，对气阻的预防具有相当重要的作用。在工艺流程设置中，合适的流体温度和压力，可以从源头减少液体的气化；遵循“尽量避免液袋的形成，选择高点排气”等管道布置的重要原则也可预防气体积聚及及时排气。

3.1.1 管线尽量避免形成U形起伏

在管道布置过程中，当管道改变高度或走向时，整条管道统一采用低出高走或高出低走，做到“步步高”或“步步低”，减少气袋或液袋[2]，是一种理想的方法，可以避免管道形成积聚气体。

3.1.2 减少液体气化

（1）防止或降低负压。液体外界压力小于或等于饱和蒸气压时，液体达到沸点，处于沸腾状态，连续气化蒸发，此时最容易发生气阻现象。因此，避免管路产生负压是一种有效的措施，当无法避免负压时，负压管路（如离心泵吸入口等）在任何位置的绝对压力均应大于被输送液体的饱和蒸气压[3]，即要求：

式中：Psh—某点绝对压力，Pa；

Pv—物料（相应温度下的）饱和蒸气压，Pa。

管道处于负压虹吸工作状态时：

式中：P0－大气压力，Pa；

ρ－物料密度；

U－流速，m·s-1；

g－重力加速度，m·s-2；

hw－从管路吸入口至计算点的阻力损失，m液体；

△ z－计算点与吸液端液位差，m。

从上述公式可以看出，负压管路防止产生气阻的措施之一是降低虹吸的高度（△ z），控制液体压力在其饱和蒸气压之上。

（2）降低温度。在外界压力相同时，液体的饱和蒸气压会随温度下降而变小，液体的蒸发或挥发量会减少，因此通过冷却来降低流体温度，可以降低气阻现象产生的可能性。

3.1.3 减少气液夹带

（1）做好气液分离。让气体减少与液体的混合，有足够的时间空间从液体中离开，常见措施有增大液体管径、增加气液分离器等。

（2）提高冷却效果。让流体降低温度，气体在进入管道前能完全液化，减少气液混合机会，从源头防止气液夹带。

3.1.4 设置平衡管或排气阀

在U型波伏的管线中，有气体可能集聚的高点，可以利用管道内外压力差将积聚的气体排出管外：一般在系统处于自流或负压状态时可以考虑增加平衡管，多数情况下是增加排气阀。

排气阀分为自动排气阀和手动排气阀，应根据安全环保需要和技术经济综合考虑来设置排气阀。自动排气阀常应用于独立采暖系统、集中供热系统、采暖锅炉、中央空调、地板采暖及太阳能采暖系统等管道排气，当系统中有气体溢出时，能自动排出。化工生产中，气体连续产生的现象较少，加上化工物质多有危害性，自动排气阀在化工系统中不常使用，多数是安装手动阀门进行人工间歇性排气。设置排气阀需要费用且属于静泄漏点，安装位置高不便操作检修，且很多时候排气阀只是在装置试运行时或大检修时使用，因此，对于非易燃易爆等难清洗置换的管道，有时可以考虑只安装临时性排气阀或排气口。

3.2 使用时的主要预防措施

（1）空管状态下正确地充液，防止气体带入。空管使用前，需先充液排气。在为管道灌液时，灌液方案的确定应以有利于系统内气体的排除为原则，先开启高点排气阀，保持进液端与大气或低压点相通，应尽量用小流量，让管道液体缓慢流动，避免气液混合，再逐步从进液端或低端开始赶出气体，以确保将每一段管道的管内充满液体。由于所采用的排气阀的排气量一般不大，而系统灌液时液流速较快，往往不能将气体及时排出，从而造成系统窝气，所以在系统灌液时，要分区分步骤进行，逐步向系统灌液，力图将管内气体全部赶出。

（2）控制好温度、压力等可能引起气阻现象的因素，对气阻现象易发点定期排气。