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取樣和樣品傳輸

2015-03-12 11:29:21來源:昶艾電子 點擊:

當在線分析儀器的傳感元件不直接安裝在工藝管道或設備中時,都需要配備樣品處理系統。樣品處理系統是將一臺或多臺在線分析儀器的源流體、排放點連接起來的系統,其作用是保證分析儀在最短的滯后時間內得到有代表性的樣品,樣品的狀態(溫度、壓力、流量和清潔程度)適合分析儀所需要的操作條件。

樣品處理系統可以實現下述基本功能:樣品提取、樣品傳輸、樣品處理、樣品排放。這些基本功能也是樣品系統的主要構成環節和樣品在系統中的基本流程。

在線分析儀器能否用好,往往不在分析儀自身,而取決于樣品處理系統的完善程度和可靠性。因為分析儀無論如何復雜和精確,分析精度都要受到樣品的代表性、實時性和物理狀態的限制。事實上,樣品處理系統使用中暈倒的問題往往比分析還要多,樣品處理系統的維護量也往往超過分析儀本身。所以,要重視樣品處理系統的作用,至少要把它放在和分析儀等同的位置上來考慮。

對樣品處理系統的基本要求可歸納如下:

①使分析儀得到的樣品與管線或設備中源流體的組成和含量一致;

②樣品的小號量最少;

③易于操作和維護;

④能長期可靠工作;

⑤系統構成盡可能簡單;

⑥采用快速回路以減少樣品傳送滯后時間。

取樣和取樣探頭

取樣點的選擇

在工藝管線上選擇分析儀取樣點的位置時,應遵循下述原則,最佳位置可能是一下各點中某幾點的權衡和折衷:

①取樣點應位于能反映工藝流體性質和組成變化的靈敏點上;

②取樣點應位于對過程控制最適宜的位置,以避免不必要的工藝滯后;

③取樣點應位于可利用工藝壓差構成快速循環回路的位置;

④取樣點應選擇在樣品溫度、壓力、清潔度、干燥度和其他條件盡可能接近分析儀要求的位置,以便使樣品處理部件的數目減至最小;

⑤取樣點的位置應易于從扶梯或固定平臺接近;

⑥在線分析儀的取樣點和實驗室分析的取樣點應分開設置。

一般認為,在大多數氣體和液體管線中,從產生良好混合的湍流位置上取樣,可保證樣品真正具有代表性。因為氣體或液體混合物除非有湍流存在,是不容易達到完全混合的。取樣點可選在一個或多個90°彎頭之后,緊接最后一個彎頭的順流位置上,或選在節流元件下游一個相對平靜的位置上(不要緊靠節流元件)。

盡可能避免以下情況。

①不要在一個相當長而直的管道下游取樣,因為這個位置流體的流動往往呈層流狀態,管道橫截面上的濃度梯度會導致樣品組成的非代表性。

②避免在可能存在污染的位置或可能積存有氣體、蒸氣、液態烴、水、灰塵和污物的死體積處取樣。

③不要在管壁上鉆孔直接取樣。如果在管壁上鉆孔直接取樣,一是無法保證樣品的代表性,不但流體處于層流或紊流狀態時是這樣,處于湍流狀態時也難以保證取出樣品的代表性;二是由于管道內壁的吸收或吸附作用會引起記憶效應,當流體的實際濃度降低時,又會發生解吸現象,使樣品的組成發生變化,特別是對微量組分進行分析時(如微量水、氧、一氧化碳、乙炔等),影響尤為顯著。所以,樣品均應當用插入式取樣探頭取出。

取樣探頭類型的選擇

①對于含塵量<10mg/m3 的氣體樣品和潔凈的液體樣品,可采用直通式(敞開式)探頭取樣。直通式取樣探頭一般是刨口呈45°角的桿式探頭,開口背向流體流動方向安裝,利用慣性分離原理,將探頭周圍的顆粒物從流體中分離出來,但不能分離粒徑較小的顆粒物。在線分析中使用的取樣探頭大多是這種探頭。

②當液樣中含有少量顆粒物、粘稠物、聚合物、結晶物時,易造成堵塞,可采用不停車帶壓插拔式探頭取樣。這種探頭也可用于含有少量易堵塞物(冷凝物、粘稠物)的氣體樣品。

圖15-1所示的取樣探頭就是一種不停車帶壓插拔式取樣探頭,又稱可拆探管式取樣探頭,可在工藝不停車的情況下,將取樣管從帶壓管道中取出來進行清洗。它是在直通式探頭裝增加一個密封接頭和一個閘閥(或球閥)構成的。

圖15- 1  可拆探管式取樣探頭結構

密封接頭的結構見圖15-2。其結構可分為兩部分,其一是取樣管的夾持和固定部分,采用卡套式壓緊結構;其二是與閘閥法蘭的連接部分,采用螺紋連接方式,依靠密封件實現兩者之間的密封。安裝時注意應使取樣管的坡口朝向和法蘭上的箭頭指向(流體流動方向)一致。為便于插拔操作和保證安全,取樣管的前端焊有一塊凸臺,以免取樣管在拔出過程中被管道內的壓力吹出,發生安全事故,當凸臺到達盲法蘭盤端部時,即可將閘閥關閉,然后將密封接頭旋開,將取樣管取出。

③對于含塵量較高(>10mg/ m3)的氣體樣品,可采用過濾式探頭取樣。


圖15-2  密封接頭的結構

所謂過濾式取樣探頭是指帶有過濾器的探頭,過濾元件視樣品溫度分別采用燒結金屬或陶瓷(<800℃)、碳化硅(>800℃)、剛玉Al2O3(>1000℃)。探頭的設計應考慮利用流體沖刷達到自清掃的目的。

過濾器裝在探管頭部(工藝管道內)的稱為內置過濾器式探頭,裝在探管尾部(工藝管道外)的稱為外置過濾器式探頭。內置過濾器式探頭的缺點是不便于將過濾器取出清洗,只能靠反吹方式進行吹洗,過濾器的孔徑也不能過小,以防微塵頻繁堵塞。這種探頭用于樣品的初級粗過濾比較適宜。普遍使用的是外置過濾器式探頭,這種探頭可以很方便地將過濾器取出進行清洗。當用于煙道其取樣時,由于過濾器置于煙道之外,為防止高溫煙氣中的水分冷凝對旅行呢造成堵塞,對過濾部件應采用電加熱或蒸汽加熱方式保溫,是取樣煙氣溫度保持在其露點溫度以上。這種探頭廣泛用于鍋爐、加熱爐、焚燒爐的煙道氣取樣。

④臟污液樣不得采用過濾式探頭,因為濕性污物附著力強,難以靠流體的沖刷達到自清洗目的。一般是采用口徑較大的直通式探頭,將液體取出后再加以除污。

⑤對于乙烯裂解氣,催化裂化再生煙氣、硫磺回收尾氣、煤或重油氣化氣、水泥回轉窯尾氣等復雜條件樣品對的取樣,應采用特殊設計的專用取樣裝置。

探頭規格、插入長度及方位的選擇

直通式取樣探頭一般采用316不銹鋼管材質作,探頭內部的容積應限制其尺寸盡可能減少。探頭的規格一般有如下幾種:

6mm或1/4"OD Tube——用于氣體樣品;

10mm或3/8"OD Tube——用于液體樣品;

3mm或1/8"OD Tube——用于需氣化傳送的液體樣品;

12mm或1/2"OD Tube——用于快速循環回路、含塵量較高的氣樣和叫臟污的液樣。

探頭的長度主要取決于插入長度,為了保證取樣品的代表性,一般認為插入長度至少等于管道內徑的1/3。EEMVA  No.138標準推薦的插入長度為:

最小長度:30mm;

最大長度:(0.56d+10)mm(d為管道內徑)。

取樣探頭的插入方位應作如下考慮。

水平管道:氣體取樣,探頭應從管道頂部插入,以避開可能存在的凝液或液滴;液體取樣,探頭應從管道側壁插入,以避開管道上部可能存在的蒸氣和氣泡,以及管道底部可能存在的殘渣和沉淀物。

垂直管道:從管道側壁插入,液體應從由下至上流動的管段取出,避免下流液體流動不正常時的氣體混入。

設計和制作探頭時的注意事項

主要應注意以下問題。

①取樣探頭應通過帶法蘭的T形短管接頭固定。

②所用的材料、T形接頭組件的一部分加以考慮,截止閥以閘閥或球閥為宜。當樣品為高壓氣體時,可考慮采用雙截止閥系統,這是一種雙重隔離的附加保護措施。

③取樣截止閥應作為探頭組件的一部分加以考慮,截止閥以閘閥或球閥為宜。當樣品為高壓氣體時,可考慮采用雙截止閥系統,這是一種雙重隔離的附加保護措施。

④取樣探頭應有足夠的機械強度,在工藝流體中保持剛性固定。當流體速度快、流動力大時,如探頭較細,可套上加強管加以保護。

⑤法蘭上應標注探頭位號和工藝管道流體流動方向。

⑥在設計探頭時應注意,防止因共振效應而斷裂。

樣品傳輸

樣品傳輸的基本要求

①傳輸滯后時間不得超過60s,這就要求分析儀至取樣點的距離盡可能短,傳輸系統的容積盡可能小,樣品流速盡可能快(1.5~.35m/s之間為宜)。

②如果在分析儀允許通過的流量下,時間之后超過60s,則應采用快速回路系統。

③傳輸管線最好是筆直地到達分析儀,只有最小數目的彎頭和轉角。

④沒有死的支路和死體積。

⑤對含有冷凝液的氣體樣品,傳輸管線應保持一定坡度向下傾斜,最低點應靠近分析儀并設有冷凝液收集罐。傾斜破度一般為1:12,對于粘滯冷凝液可增至1:5。

⑥防止相變,即在傳輸過程中,氣體樣品完全保持為氣態,液體樣品完全保持為液態。

⑦樣品管線應避免通過極端的溫度變化區,它會引起樣品條件無控制的變化。

⑧樣品傳輸系統不得有泄露,以免樣品外泄或環境空氣侵入。

快速回路是指加快樣品流動以縮短樣品傳輸滯后時間的管路。快速回路的構成形式通常有兩種,即返回到裝置的快速循環回路和通往廢料的快速旁通回路。

⑴返回到裝置的快速循環回路

返回刀裝置的快速循環回路簡稱快速循環回路(fast circulating loop),它是利用工藝管線中的壓差,在其上、下游之間并聯一條管路,樣品從工藝引出又返回工藝的循環系統,分析儀所需樣品從回路上接近分析儀的某一點引出,見圖15-3.

快速旁通回路通常用于下述場合:

①樣品排放不會造成環境危險和污染時;

②當將樣品返回工藝不現實時,如減壓后的氣體=液體氣化后的蒸氣等;

③樣品回收成本高于其本身價值時,將其返回工藝是不經濟的;

④將樣品返回工藝可能導致污染或降解時,如多流路測量的混合樣品等。

樣品傳輸管線

1)管材和管件

樣品傳輸管線使用的管材和管件應符合以下要求。

①樣品傳輸管線應優先選用316不銹鋼無縫Tube管,管子應經過退火處理,其優點是:

a.316不銹鋼不會與樣品流路中的組分發生化學反應,并且具有優良的耐腐蝕性能;

b.無縫鋼管與焊接鋼管比較,內壁光滑,對樣品的吸附作用很少,耐壓等級高;

c.Tube管采用壓接接頭連接,密封性能好,死體積小;

d.退火處理的管子撓性高,便于彎曲施工和壓接連接。

②管子的連接應采用壓接方式,使用雙卡套式壓接接頭,管件(接頭、閥門)材質、規格應與管子相同和匹配。

③避免使用非金屬管子和管件,除非它們的物理化學特性有明顯優勢并取得用戶允許。  

④紫銅管子和管件只能用于氣動系統和伴熱系統,不得用于樣品傳輸。

(2)管徑尺寸的確定

由于樣品系統的流量與工藝物流相比是很小的,受傳輸滯后時間的限制,其管徑櫻井可能減小。管徑尺寸一般可根據經驗確定:

氣體樣品采用6mm或1/4"OD Tube管;

液體樣品采用10mm或3/8"OD Tube管;

快速循環回路或臟污樣品采用12mm或1/2"OD Tube管。

(3)管壁厚度的確定

管子的承壓能力與壁厚有關,而且受溫度的制約。一般工程設計中對樣品管線管壁厚度的要求是:

∮3×0.7 或1/8"×0.028

∮6×1.0 或1/4"×0.035

∮10×1.0或3/8"×0.035

∮12×1.5或1/2"×0.049

(4) 吹洗設施的配備

在下述情況下。應對樣品管線和部件配備吹洗設施:

①樣品運動黏度高于500cSt(1cSt=1mm2/s )時(在38℃下);

②可能出現凝固或者結晶的樣品;

③腐蝕性或有毒性樣品;

④用戶規定的其他場合。

吹洗介質可采用氮氣或蒸汽,應從取樣點鄰近的下游引入,特別要注意對系統中附加的獨立部件(如并聯雙過濾器等)的吹洗。

Tube管和管接頭

Pipe管和Tube管的區別

Pipe管和Tube管是兩種規格系列咧的管子,其管徑尺寸、連接方式、表示方法和使用范圍均不相同。

①Pipe管是大管徑的管子,管徑一般在15~1500mm(1/2~60in)之間。也有小于或大于此范圍的Pipe管,但使用量很少。而Tube管是小管徑的管子,管徑一般在1/8~1/2in(3~12mm)之間。

②Pipe管的連接方式有法蘭連接、螺紋連接和焊接連接三種,大多數場合用法蘭連接,低壓場合允許用螺紋連接。而Tube管的管壁很薄,不允許在上面套螺紋,經過退火處理后,采用卡套方式連接,也叫壓接連接。

③Pipe管用公稱直徑DN表示管子的管徑規格。公稱直徑既不等于管子的外徑,也不等于管子的內徑,它是管路系統中所有組成件(包括管子、法蘭、閥門、接頭等)通用的一個尺寸數字,同一公稱直徑的管子、法蘭、閥門、接頭之間可以相互連接,而不管其他尺寸(外徑、內徑、壁厚等)是否相同。簡而言之,采用公稱直徑后,使得管子和管件之間的連接得以簡化和統一,這也就是Pipe管用DN表示管徑的原因所在。

Tube管用外徑OD表示管子的管徑規格,如1/4in OD Tube 表示外徑為1/4英寸的Tube管。因為Tube管采用卡套方式連接,這種連接方式關心的是外徑,外徑相同的管子和管件之間可以用卡套連接起來,這就是Tube管用OD表示管徑的原因所在。

④Pipe管的壁厚是標準的,一般用壁厚系列號(英文縮寫為Sch.NO.——Schedule Number)來表示,Sch.No.也稱為耐壓級別號,從Sch.No.5到Sch.No.160。不同管徑或材質的管子,各有其標準壁厚系列。或者說,Sch.No.相同但管徑或材質不同的管子,其實際壁厚并不相同。

Tube管的壁厚用實際厚度尺寸(英寸或mm)表示。

⑤Pipe管應用十分廣泛,工藝管道和公用工程管道均采用Pipe管。而Tube管僅用于儀表系統的測量管路、氣動信號管路和在線分析儀的樣品呢管路中。

常用Tube管的類型、規格和有關參數

常用的Tube管有以下幾種:按材質分,主要有316不銹鋼和304不銹鋼兩種;按成型工藝分,有無縫鋼管(先熱軋后冷拔而成)和焊接鋼管(用帶鋼焊接而成)兩種;按其外徑和壁厚尺寸采用的計量單位制分,有英寸制Tube管米制Tube管兩種。

常用Tube管的外徑和壁厚、最高允許工作壓力及其溫度降級系數見表15-1至表15-5。

表15-1  常用米制Tube管的規格和最高允許工作壓力(bar)(材料316SS或6Mo)

Tube外徑/mm

壁厚/mm

0.5

0.7

1.0

1.5

2.0

6

205

310

515

725

 

8

5

225

410

530

 

10

170

180

310

490

 

12

130

150

245

375

480

16

 

 

160

245

350

注:1.表中的工作壓力系ASTM A-269實測值,安全系數為4:1 [安全系數=脹破(炸裂)壓力:工作壓力]。

2.表中的工作壓力在Tube管溫度-20~+100℃范圍內有效,如溫度升高,應乘以溫度降級系數。見表15-2。

表15-2  米制Tube管溫度降級系數


Tube溫度

溫度降級系數

316SS

304SS

100

38

1.00

1.00

200

93

1.00

0.84

300

149

1.00

0.75

400

204

0.97

0.69

500

260

0.90

0.65

600

316

0.85

0.61

700

371

0.82

0.59

800

427

0.80

0.56

900

482

0.78

0.54

1000

538

0.77

0.52

1100

593

0.62

0.47

1200

649

0.37

0.32

注:例如12mm外徑×1.00壁厚無縫316SS Tube管,在室溫下工作壓力為245bar(見表15-1)。如果在800℉(427℃)溫度下工作,其溫度降級系數為0.80(見表15-2),則在該溫度下的最大允許工作壓力為245bar×0.80=196bar。

表15-3   常用英寸制Tube管的規格最高允許工作壓力(psi,磅/英寸2)(316或304無縫鋼管)

Tube外徑/

in

壁厚/in

0.028

0.035

0.049

0.065

0.083

1/8

1/4

3/8

1/2

8600

4000

10900

5100

3300

2500

7500

4800

3500

10300

6600

4800

6300

表15-4   常用英寸制Tube管的規格和最高允許工作壓力(psi) (316或304焊接鋼管)

Tube外徑/

in

壁厚/in

0.028

0.035

0.049

0.065

0.083

1/8

1/4

3/8

1/2

7300

3400

9300

4400

2800

2100

6400

4100

3000

8700

5600

4100

5300


注:1.表15-3和表15-4中數據符合ASME/ANSI B31.3化工裝置和煉油廠配管標準(1987年版)

2.工作壓力值是在環境溫度(72℉或22℃)下的壓力值,其溫度降級系數見表15-5。

3.壓力安全系數為4:1。

4.單位換算   lin=25.4mm,1psi=6.89kPa≈0.07bar。

表15-5  英寸制Tube管溫度降級系數


Tube溫度

溫度降級系數

316SS

304SS

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

38

93

149

204

260

316

371

427

482

538

593

649

1.00

1.00

1.00

0.97

0.90

0.85

0.82

0.80

0.78

0.77

0.62

0.37

1.00

0.84

0.75

0.69

0.65

0.61

0.59

0.56

0.54

0.52

0.47

0.32

注:例如1/2"外徑×0.049壁厚(約為12.7mm外徑×1.25mm壁厚)的無縫316SS Tube管,在室溫下工作壓力為3500psi(約為245bar)。如果在800℉(427℃)溫度下操作,其溫度降級系數為0.80,在該溫度下,最大允許工作壓力為3500psi×0.80=2800psi(約為196bar)。

Tube管使用的管接頭

Tube管使用的管接頭的種類繁多,但可歸納為以下幾個大類。

①中間接頭(Union)用于Tube管和Tube管之間的連接,或者說兩邊均采用卡套連接的接頭。主要有以下幾種:

直通中間接頭  Union

三通中間接頭  Union Tee

四通中間接頭  Union Cross

彎通中間接頭  Union Elbow(90°和45°彎通兩種)

穿板接頭  Bulkhead Union

②異徑接頭(Reducing Union)用于不同管徑Tube管之間的連接,俗稱大小頭,也是一種中間接頭。

③終端接頭(Connector)用于Tube管和儀表、輔助設備等的連接。這種接頭,一邊采用卡套和Tube管連接,以便采用螺紋和儀表、輔助設備等連接,是Tube管終端處的連接件,所以稱為終端接頭。只要有以下幾種:

直通終端接頭   Connector

三通終端接頭   Connector Tee

彎通終端接頭   Connector Elbow(90°和45°彎通兩種)

穿板終端接頭   Bulkhead Connector

④壓力表接頭(Gauge Connector)用于Tube管和壓力表之間的連接,也是一種終端接頭。主要有直通(Gauge Connector)和三通(Gauge Connector Tee)兩種。

其他如短管接頭(Adapter)、管堵頭(Plug)、管帽(Cap)等,不在是、贅述。

如果從連接方式分,Tube管使用的管接頭有兩種連接方式。

⑴卡套式連接

卡套式連接用于接頭和Tube管的連接,它是靠圓環形卡箍的壓緊力實現連接和密封的,所以也叫壓接式連接。圓環形卡箍有單卡箍(單卡套,Single Ferrule)和雙卡箍(雙卡套,Twin Ferrule)兩種。

⑵螺紋式連接

螺紋式連接用于接頭和儀表、輔助設備等的連接,常用的螺紋有以下兩種。

①圓錐管螺紋  有NPT螺紋(60°牙形角)和BSPT螺紋(55°牙形角)兩種。圓錐管螺紋帶有一定的錐度(錐度角1°47'),越擰越緊,利用其本身的形變就可以起到密封作用,所以也叫“用螺紋密封的管螺紋”。實際使用時,一般要加密封劑,如PTFE帶、化合管封劑等,以防出現泄漏。

②圓柱管螺紋  有Straight螺紋(60°牙形角)和BSPT螺紋(55°牙形角)兩種。圓柱管螺紋不帶錐度,是一種直形的管螺紋,本身無密封作用,所以也叫“非螺紋密封的管螺紋”。連接時靠墊圈(墊片)實現密封。

此外,在接頭外表面上的螺紋叫陽螺紋,用M(Male)標注;在接頭內表面上的螺紋叫陰螺紋,用F(Female)標注。順時針旋轉擰緊的螺紋叫右旋螺紋,反時針旋轉擰緊的螺紋叫左旋螺紋,左旋螺紋的其型號后標注LH,右旋螺紋不標注。

Tube管接頭使用的螺紋大多為NPT圓錐管螺紋,出一部分氣瓶上采用左旋螺紋外,其他場合一般均為右旋螺紋。

由于Tube管使用的管接頭種類繁多,管接頭生產廠家的型號、規格編制方法又不一致,本手冊不再提供這方面的資料。其實,根據所需管接頭的尺寸、類型和連接方式,就可以按照產品樣本方便地對管接頭進行選擇。

卡套式管接頭

卡套式管接頭(Tube Fittings)是一種用于連接Tube管的接頭(從其英文名稱也可看出這一點)。它是靠圓環形卡箍的壓緊力實現連接和密封的,所以也叫壓接接頭。卡套式管接頭有單卡套(Single Ferrule)和雙卡套(Twin Ferrule)兩種,圖15-5是雙卡套管接頭的結構和工作原理。

圖15.5  雙卡套管接頭的結構和工作原理

通過順時針轉動螺母產生的推力,驅動兩個卡箍向著接頭本體方向前進,在本體錐形口、前卡箍、后卡箍三者的相互擠壓作用下,在Tube管上壓出兩個小時的錐形面,依靠前、后卡箍與Tube管兩個錐形面之間的壓緊力實現了連接和密封。

使用卡套式管接頭進行連接時應注意以下幾點。

①連接前對Tube管進行檢查,管子必須圓整,管端無毛刺,表面無明顯缺陷。

②將Tube管插入接頭中,并確保卡套內的管子已插到位,用手擰緊螺母。建議在螺母六角和接頭主體之間畫一條標線,作為螺母轉動起始點的基準線。

③切勿用老虎鉗夾著管子插入接頭,老虎鉗會在管子上留下印跡或刮痕,甚至使管子變成橢圓形,容易造成泄露。

④用扳手沿順時針方向擰緊螺母,對≥1/4in(6mm)的接頭,需要轉動11/4圈;<1/4in(6mm)的接頭,需要轉動3/4圈,如圖15-6所示。

⑤如需斷開并重新連接,記下原來擰緊位置,用扳手將連接斷開。重新裝配時,將螺母擰緊到原來位置,再用扳手輕輕擰緊,直至感到力矩稍微增大即可。

蒸汽伴熱

伴熱保溫和隔熱保溫

伴熱保溫(Heat Tracing)是指利用蒸汽伴熱管、電伴熱帶對樣品管線加熱來補充樣品在傳輸過程中損失的熱量,以維持樣品溫度在某一范圍內。隔熱保溫(Thermal Insulation)是指為了減少樣品在傳輸過程中向周圍環境散熱,或從周圍環境中吸熱,在樣品管線外表面采取的包覆措施,也可以說是為了保證樣品在傳輸過程中免受周圍環境溫度影響而采取的隔離措施。

樣品傳輸管線往往需要伴熱或隔熱保溫,以保證樣品相態和組成不因溫度變化而改變。樣品傳輸過程中一個明顯的溫度變化來源是天氣的變化,我國處于大陸性季風帶,冬夏極端溫度之差往往高達60℃以上。此外,還必須考慮直接太陽輻射的加熱效應,在夏季陽光暴曬下,樣品管線表面溫度有時可達80~90℃。因此,在樣品傳輸設計中必須考慮環境溫度變化對樣品相態和組成的影響。

氣樣中含有易冷凝的組分,應伴熱保溫在其露點以上;液樣中含有易氣化的組分,應隔熱保溫在其蒸發溫度以下或保持壓力在其蒸氣壓以上。微量分析樣品(特別是微量水、微量氧)必須伴熱輸送,因為管壁的吸附效應隨溫度降低而增強,解吸效應則呈相反趨勢。易凝析、結晶的樣品也必須伴熱傳輸。總之,應根據樣品的條件和組成,根據環境溫度的變化情況,合理選擇保溫方式,確定保溫溫度。

伴熱保溫的方式有蒸汽伴熱和電伴熱兩種。

蒸汽伴熱的優點和缺點

蒸汽伴熱的優點是:溫度高,熱量大,可迅速加熱樣品并使樣品保持在較高溫度。其缺點如下。

①蒸汽伴熱系統因蒸汽管徑偏細,氣壓不能太高和存在立管高度的變化,有效伴熱長度受到很大的限制,以致樣品管線較長或重負荷伴熱時,不得不采用分段伴熱的做法。根據國外資料,蒸汽伴熱的最大有效伴熱長度為100ft(30.48m),因此,對于60m長的樣品管線,一般要分兩段伴熱。

②蒸汽壓力的波動會導致溫度的較大幅度變化,供氣不足甚至短時中斷也時有發生,難以達到樣品管線伴熱溫度均衡、穩定的要求。

③樣品管線采用蒸汽伴熱時,對伴熱溫度進行控制是非常困難的,或者說是不可控的(對樣品處理箱可采用溫控閥控溫)。

伴熱蒸汽和保溫材料

伴熱蒸汽有低壓過熱蒸汽和低壓飽和蒸汽兩種,低壓飽和蒸汽有關參數見表15-6。

表15-6   飽和蒸汽主要物理性質  (SH 3126—2001)


飽和蒸汽壓力/MP啊(A

溫度t/

冷凝潛熱H/kj/kg

1

179.038

481.6×4.1868

0.6

158.076

498.6×4.1868

0.3

132.875

517.3×4.1868

樣品管線常用的保溫材料有硅酸鋁保溫繩、硅酸鹽制品等。樣品處理箱或分析保溫箱常用的保溫材料有聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料等。伴熱蒸汽壓力和保溫層厚度的選擇可參見表15-7。

表15-7   不同大氣溫度下的隔熱層厚度 (SH 3126-2001)

大氣溫度

蒸汽壓力/MPaA

隔熱層厚度δ

-30℃以下

1

30mm

-30~-15

0.6

20mm

-15℃以上

0.3

20mm

0℃以上

1

10mm

重伴熱和輕伴熱

蒸汽伴熱方式有重伴熱和輕伴熱兩種。重伴熱是指伴熱管和樣品管直接接觸的伴熱方式,輕伴熱是指伴熱管和樣品管不直接接觸或在兩者之間加一層隔離層。重伴熱和輕伴熱的結構如圖15-7所示。

圖15-7   重伴熱和輕伴熱的結構示意

 當樣品易冷凝、凍結、結晶時,可采用重伴熱;當重伴熱可能引起樣品發生聚合、分解反應或會使液體樣品氣化時,應采用輕伴熱。

蒸汽伴熱系統中使用的疏水器

   疏水器也稱疏水閥,其作用是定期排出蒸汽伴熱系統內的凝結水,阻止蒸汽的泄露,節約能源。在每個伴熱系統中均應單獨安裝一個疏水器。

疏水器按其工作原理與結構不同,有多種類型。目前儀表保溫系統中常用的疏水器是熱動力式疏水器,還有利用溫度敏感元件的熱脹冷縮原理而是其自動排水的溫調式疏水器。以及溫調式和熱動力式相結合的疏水器等。疏水器不屬于在線分析儀器維修工的工作范圍,本書不作介紹。

電伴熱

電伴熱的優點和缺點

  目前,國內工業企業大多使用蒸汽伴熱方式,主要原因是可以利用廠內原已存在的蒸汽鍋爐,但其伴熱效能及日后運轉中的維修和消耗都遠不如采用電伴熱經濟。另外,供汽管網和回水管路的材料、保溫安裝及日后維護費用、蒸汽用水的凈化費也是相當可觀的。

  與蒸汽伴熱相比,電伴熱具有以下優點。

  ① 電伴熱是比較簡單的伴熱系統,它不像蒸汽伴熱那樣需要復雜的供汽管網和回水管路,所需的供配電設施可與其他電氣線路共用。

  ②電伴熱的熱損失范圍和運行、維護費用僅限于伴熱管線上。

  ③電伴熱是極易控制的伴熱系統,其溫度控制可以十分精確,這是蒸汽伴熱無法達到的。

  ④無噪聲、無污染,蒸汽伴熱有“跑、冒、滴、漏”現象,電伴熱則沒有。

  ⑤電伴熱帶的使用壽命可達25年甚至更長,這一點是蒸汽伴熱很難達到的。

  ⑥安裝、使用、維護方便。

  很多發達國家已在工業領域普遍采用電伴熱技術,目前國內新建的大型石化項目,儀表系統的伴熱不少已采用電伴熱。與蒸汽伴熱相比,電伴熱的主要缺點是溫度低,熱量小。電伴熱溫度范圍通常低于250℃,蒸汽伴熱范圍可達到450℃,有些液體樣品的氣化仍需采用蒸汽伴熱方式。

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電伴熱帶

 

      電伴熱系統中采用的伴熱帶有如下幾種:①自調控電伴熱帶;②恒功率電伴熱帶;③限功率電伴熱帶;④串聯型電伴熱帶。

其中前三種均屬于并聯型電伴熱帶,它們是在兩條平行的電源母線之間并聯電熱元件構成的。樣品傳輸管線的電伴熱目前大多選用自調控電伴熱帶,一般無需配溫控器。樣品溫度較高時(如CEMS系統的高溫煙氣樣品)可采用限功率電伴熱帶。

恒功率電伴熱帶的優勢是成本低,缺點是不具有自調溫功能,容易出現過熱。它主要用于工藝管道和設備的伴熱,用于樣品管線伴熱時,必須配溫控系統。

串聯型電伴熱帶是一種由電纜芯線作發熱體的伴熱帶,即在具有一定電阻的芯線上通以電流,芯線就發出熱量,發熱芯線有單芯和多芯兩種,它主要用于長距離管道的伴熱。


圖15-8自調控電伴熱帶的結構1-鍍鎳銅質電源母線;2-導電塑料;3-含氟聚合物絕緣層;4-鍍錫銅線編織層;5-聚烯烴護套(適用于一般環境);6-含氟聚合物護套(適用于腐蝕性環境)

⑴自調控電伴熱帶

自調控電伴熱帶(Slef-Regulating Heating Cable)又稱功率自調電伴熱帶,是一種具有正溫度特性、可自調控的并聯型電伴熱帶。圖15-8是自調控電伴熱帶的結構。

自調控電伴熱帶由兩條電源母線和在其間并聯的導電塑料組成。所謂導電塑料,是在塑料中引入交叉鏈接的半導體矩陣制成的,它是電伴熱帶中的加熱元件。當被伴熱物料溫度升高時,導電塑料膨脹,電阻增大輸出功率減少;當物料溫度降低時,導電塑料收縮,電阻減小,輸出功率增加,即在不同的環境溫度下會產生不同的熱量,具有自行調控溫度的功能。它可以任意剪切或加長,使用起來非常方便。

這種電伴熱帶適用于維持溫度較低的場合,尤其適用于熱損失計算困難的場合。其輸出功率(10℃時)有10W/m、16W/m、26W/m、33W/m、39W/m等幾種,最高維持溫度有65℃和121℃兩種。所謂最高維持溫度,是指電伴熱系統能夠連續保持被伴熱物體的最高溫度。

在線分析樣品傳輸管線的電伴熱大多選用自調控電伴熱帶。一般情況下無需配溫控器,使用時注意其啟動電流約為正常值的3~5倍,供電回路中的元器件和導線選型應滿足啟動電流的要求。

⑵限功率電伴熱帶

限功率電伴熱帶(Power-Limiting Heating Cable)也是一種并聯型電伴熱帶,其結構與恒功率電伴熱帶相同,見圖15-9,不同之處是它采用電阻合金加熱絲,這種跟電熱元件具有正溫度系數特性,當被伴熱物料溫度升高時,可以減少伴熱帶的功率輸出。同自調控電伴熱帶相比,其調控范圍較小,主要作用是將輸出功率限制在一定范圍之內,以防過熱。



圖15-9 限功率電伴熱帶1-銅質電源母線;2,4-含氟聚合物絕緣層;3-電阻合金電熱絲;5-鍍錫銅線編織層;6-含氟聚合物護套

這種電伴熱帶適用于維持溫度較高的場合,其輸出功率(10℃時)有16W/m、33W/m、49W/m、66W/m等幾種,最高維持溫度有149℃和204℃兩種。主要用于CEMS系統的取樣管線,對高溫煙氣樣品伴熱保溫,以防煙氣中的水分在傳輸過程中冷凝析出。

電伴熱管纜

電伴熱管纜(Electric Trace Tubing)是一種將樣品傳輸管、電伴熱帶、保濕層和護套層裝配在一起的組合管纜。

圖15-10是自調控電伴熱管纜的結構。這種電伴熱管纜適用于維持溫度較低的場合,最高維持溫度有65℃和121℃兩種,被伴熱樣品管的數量有單根和雙跟兩種。


圖15-10   自調控電伴熱管纜的結構

左—單根樣品管管纜;右—雙根樣品管管纜;結構(從外到內):護套層—黑色PVC塑料;

保濕層—非吸濕性玻璃纖維;熱反射帶—鋁銅聚酯帶;電伴熱帶—自調控型;

樣品管—有各種尺寸和材料的Tube管可選

除了電伴熱管纜之外,還有蒸汽伴熱管纜(Steam Trace Tubing),其結構與電伴熱管纜相同,只是用蒸汽伴熱管代替了電伴熱帶。它有重伴熱和輕伴熱兩種類型,被伴熱樣品管的數量也有單根和雙根兩種。伴熱管纜省卻了現場包覆保溫施工的麻煩,使用十分方便。其防水、防潮、耐腐蝕性能均較好,可靠耐用,值得推薦。

電伴熱管纜可根據廠家提供的選型樣本選擇,有時也需要通過計算加以核準和確認。圖15-11自調控電伴熱管纜的工作曲線,樣品管是單根1/4in Tube管,左邊的縱坐標為電伴熱功率,單位W/ft ;右邊的縱坐標為環境溫度,單位°F;下邊的橫坐標為樣品管的溫度,單位°F。 樣品管需要維持的溫度和環境溫度的交叉點,就可查出所需的伴熱功率。圖中間的粗線是不同規格電伴熱帶的工作曲線,例如粗線是功率3W/ft(10W/m,在10℃時)的自調控電伴熱帶的工作曲線,根據該曲線的變化可查出用伴熱時,在不同環境溫度下樣品管溫度的變化情況。



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