氮气置换系统设计计算

王绍宇 郭江辉

（中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021）

氮气置换系统设计计算

王绍宇 郭江辉

（中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021）

对安全设施设计中常压氮气置换、减压氮气置换和加压氮气置换三种操作工况进行了分析，提出了氮气用量和置换时间的计算公式，并通过示例对三种置换操作进行了比较，提出了针对不同工况下适用情况的建议。

安全设施；常压氮气置换；减压氮气置换；加压氮气置换

氮气置换系统在医药化工企业生产中被广泛应用，是预防危险生产装置发生爆炸、火灾事故的重要安全设施。《石油化工企业设计防火规范》（GB 50160—2008）第7.2.9条规定：“甲、乙A类设备和管道应有惰性气体置换设施。”［1］，但是在设计过程中，选择何种氮气置换方式、氮气用量、操作时间、置换效率等如何计算，相关设计手册中没有介绍，网络上资料也以介绍试验性的数据为主，参考性和借鉴意义有限。本文通过对氮气置换系统的过程进行分析，提出了相应的计算公式，以期对设计工作有一定的指导意义。

常用的氮气置换系统有常压置换、减压置换和加压置换三种，下面分别对三种置换系统进行分析。

1 常压置换系统

常压氮气置换系统的操作方式为：氮气自设备一侧连续加入，从另一侧连续排出，设备保持常压。置换过程中设备内氮气浓度逐步增高，当达到要求后置换过程结束，置换流程详见图1。

图1 常压置换系统流程Fig.1 Flow chart of the common replacement system

假设通入的氮气非常缓慢，在设备内充分扩散、混合，即设备内各处的氮气浓度均一，对上述过程的氮气进行物料衡算，在dt （t为时间，min，时间单位下同）时间内有：

式中 c0——置换用氮气的浓度，体积分数，下同；

S——氮气流量，Nm3/min；

V——设备容积，m3；

c——某一时刻设备内氮气的浓度。

对式（1）积分：

式（2）的解析解为：

c1为设备内氮气的初始浓度，c2为置换终了时的氮气浓度。

置换过程所需氮气量为：

对于实际置换过程，设备中氮气浓度c不可能是各处相同的，需引入一个校正系数K，（3）式改写为：

校正系数K大于1，与设备中气体的扩散状态、湍流程度等操作参数有关，气体在设备内扩散越充分、湍流状态越高，K值越小。

2 减压置换系统

对于能承受负压的反应罐，采用减压置换可有效提高置换效率。减压置换过程先对设备抽真空，到达真空度p1（Pa，绝压，压力单位下同）后，通入氮气到压力p0，然后继续抽真空，重复上面的操作，直到设备中氮气浓度达到要求为止。

根据气体状态方程PV = nRT［2］，设备中总的气体mol数为：

设备中氮气的起始浓度为cs0，当抽真空到达压力为p1时，此时设备中氮气的mol数为：

式中 R——气体常数，8.314 J/（ mol·K ）；

T——温度，K。

通入氮气到常压，通入的氮气mol数为：

式中 p2= p0-p1。

第一次抽气并通入氮气到常压后，设备内氮气的浓度为：

带入式（6）、（7）、（8），并整理后得：

经整理，式（10）简化为：

经计算，第二次抽气并通入氮气到常压后，设备内氮气的浓度为：

重复N次抽气后，设备内氮气的浓度为：

或写成：

与常压置换系统相似，减压置换时充入的氮气也不可能和设备内的气体完全充分混合，但是减压置换比常压置换混合效果要好。由于混合不充分，抽气时抽出的氧气少，因此需引入一个小于1的系数ε对压力校正，式（13）和（14）改写为：

减压置换操作时间由抽真空时间t1和充氮时间t2两部分组成，抽真空时为恒定体积流量（体积流量不变，压力逐渐降低）过程，抽真空时间t1由下式计算［3］：

充氮时为恒压、恒流量供气，充氮时间t2由下式计算［3］：

式中 Q——真空泵抽气流量，m3/min；

S——充氮气流量，Nm3/min。

总的氮气置换时间为：

置换用氮气量为Qt。

减压置换系统需配置真空泵，同时设备的密封性要好，否则在抽真空过程中如漏气严重，到置换后期氮气浓度提高困难；同时充氮气时应严格控制氮气流速不要超过氮气系统的供氮能力，避免氮气系统出现负压，并应在氮气管路安装止回阀，防止氮气管路压力降低时其它设备中的空气进入氮气系统。

3 加压置换系统

对于能承受正压的设备，也可采用加压置换。加压置换过程先对设备充氮气，达到压力p1后，排气到常压p0，然后继续充氮，重复上面的操作，直到设备中氮气浓度达到要求为止。

加压置换系统的计算过程与减压置换系统相似，经推导，加压置换重复N次后，设备内氮气的浓度为：

或写成：

同减压置换相似，引入ε对压力校正，式（20）和（21）改写为：

加压置换操作时间由充氮时间t1和排气时间t2两部分组成，充氮时为恒压、恒流量供气，充氮时间t1由下式计算［3］：

排气时间t2与排气管径、管长、气体分子量、置换温度及压力等因素有关，属变压力、变流量的排气过程，严格计算较为复杂。当排气管长度较小，忽略管道阻力损失，按照等温变化估算排气时间，可用下式计算［4］：

式中 M—气体分子量；

d—排气管直径，m。

式（25）的推导过程此处从略，排气口压力为常压。

加压置换系统不需配备真空泵，但应注意置换压力应小于设备的设计压力。

4 三种置换方式的比较

下面以示例的方式对三种置换方式的氮气消耗量、操作时间进行比较。

示例一：

对某氢化反应釜进行氮气置换，反应釜容积为5 m3，氮气置换系统提供的氮气压力为5 atm（绝压），浓度为99.9%（体积分数，下同），要求置换终了氢化釜内的氮气浓度不小于98%，反应釜内初始的氮气浓度为78%，要求置换时间不大于20 min。

（1）试计算采用常压置换时氮气的流速及总的氮气耗量；

（2）保持供氮速度不变，采用减压置换，真空泵抽气速率为2 m3/min，减压到氢化釜压力为0.3 atm（绝压），试计算减压置换总的氮气耗量和置换时间。

（3）保持供氮速度不变，采用加压置换，加压到氢化釜压力为3.2 atm（绝压），氢化釜排气口管径为DN 50，置换温度为25 ℃，氮的分子量为28。试计算加压置换总的氮气耗量和置换时间。

解：

① 常压置换

校正系数K取经验值4，利用式（5）计算供气速度：

总的氮气耗量：

2.4×20 = 48 Nm3。

② 减压置换

校正系数ε取0.7，利用式（16）计算抽气次数：

即需置换3次，利用式（17）、（18）计算置换时间：

置换过程总用时：

3×（ 3 +1.46 ） = 13.38 min

总耗氮量：

2.4×3×1.46 = 10.5 Nm3。

③ 加压置换

校正系数ε取0.7，利用式（23）计算充气次数：

即需置换3次，利用式（24）、（25）计算置换时间：

置换过程总用时：

3×（ 4.58 +22.7 ） = 81.84 min。

总耗氮量：

2.4×3×4.58 = 33 Nm3。

由上述3种置换方式下操作时间及氮气总耗量可以看出，减压置换所需氮气量和操作时间最少；加压置换用时最长，耗气量少于常压置换；常压置换耗气量最大。从式（16）、（23）可以看出，减压置换时抽真空压力越低、加压置换时充氮压力越高，需置换的次数越少、置换此时越少、耗气量也越少。

5 结论

对于能承受一定负压的设备，在需要频繁置换的情况下（比如每批置换），采用减压置换，可以有效的降低氮气消耗量和置换时间，虽然需配备真空泵等设备也是值得的；对于能承受一定正压的设备，正压置换的氮气消耗量也要小于常压置换，但是由于受设备设计压力和氮气置换系统氮气压力的限制，正压置换在节约氮气和减少操作时间方面效果不明显；常压置换对设备的要求和所需配套的系统最少，操作也最简便，但是置换过程消耗的氮气量最大，设计者可根据具体的操作情况选择氮气置换方式。另外，从三种置换方式的氮气耗量和置换时间的计算公式可以看出，提高氮气置换系统氮气的浓度，可有效降低氮气用量、节省置换时间。

［1］石油化工企业设计防火规范（ GB 50160—2008）［S］.

［2］胡英 物理化学（上册） 第三版［M］.北京：高等教育出版社，1988.

［3］王绍宇 压空缓冲罐和真空缓冲罐容积的确定.［J］.化工与医药工程.2015（1）.

［4］陈敏恒.化工原理［M］.北京：化学工业出版社，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

王绍宇（1969—），男，研究员级高级工程师，从事医药化工的设计工作。