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如何在液体和气体取样系统中定位取样喷嘴

位置喷嘴

如何在液体和气体取样系统中定位取样喷嘴

2019年6月6日 | Karim Mahraz

在液体或气体取样系统中,应在取样位置使用喷嘴以便将样品提取给分析仪。正确放置、定位和定向该喷嘴对于确保及时而准确的分析测量至关重要,因此您必须正确完成。喷嘴放置不佳可能导致分析延迟、样品污染和结果不准确。

理想情况下,取样系统工程师将指定管道布置甚至工艺容器设计,以确保喷嘴位于合适的位置。然而通常情况下,即使未正确定位或定向喷嘴,工程师也必须使用现有的原理图。下面我们将回顾一下负责为液体和气体取样系统定位和构造喷嘴的工程师们重点需要考虑的因素。此外,我们建议由合格的分析仪工程师、工艺工程师以及元件供应商分别参与不同的设计阶段,以确保充分考虑每个变量。

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选择喷嘴位置

喷嘴通常较短,且直径小于其分出的主工艺管路。喷嘴通常装有探针,探针采用最简单的金属、玻璃或陶瓷管状样式,探针伸入到工艺流体中并抽出连续的液体或气体流以便进行分析。

在确定将喷嘴定位在管道或容器中的位置时,请选择工艺流体充分混合的位置,以便您的样品准确反映工艺条件。如有可能,在工艺管路中安装静态混合器。如果无法安装混合器,请将取样点定位在泵排放口、流量孔或管道弯头等诱发湍流点的下游。湍流有助于在取样前混合工艺流体。

在湍流源之后直接设置取样点并非好的做法。湍流会引起压力脉动和涡流 - 其中任何一个都可能影响分析测量。

气体取样

将取样点设置在最后一次流体扰动下游的至少两个管道直径处可以获得更理想的效果。美国环境保护署 (EPA) 推荐这种做法。该做法允许在两个位置手动进行烟道气取样: 

  1. 任何流体扰动下游至少八个管道直径处以及上游两个直径处;或者
  2. 任何流体扰动下游至少两个管道直径处以及上游半径处。

EPA 认为第一个位置是理想位置。如果无法满足第一条规则,EPA 指南要求额外的取样点以防止分层的可能性。

流体取样

对于管道取样,请将取样点定位在最后一次流体扰动下游的至少两个管道直径处 - 在任何不干扰流量计量元件的位置。然而,如果工艺流体是接近其始沸点的液体,则更为保守的做法是明智之选。为避免样品中出现气泡,请将取样点定位在直管段上游至少五个管道直径处和下游两个直径处。

蒸汽取样

如果要取样的介质是处于或接近其露点温度的蒸汽,则取样点位置变得更为关键。位于流体扰动附近的压力点可能会发生一定冷凝;您不希望您的气体样品中含有冷凝液。为了最大限度地降低这种可能性,一套用于测量天然气的欧洲标准 (ISO 10715 1997, 13) 要求取样点位于最后一次流体扰动下游至少 20 个管道直径处;相关的美国标准 (API MPMS 14.1 2006, 15) 则要求至少五个管道直径。如果管道包含热电偶等其他探头,则取样探头应位于距离热电偶至少五个热套管直径处。

由于要求取样探针中的流速与工艺管路中的流速相匹配,因此等速取样需要更大的直管段。例如,对于饱和蒸汽,相关的美国标准 (ASTM D1066) 建议取样点位于流体扰动下游至少 35 个管道直径处以及上游四个管道直径处。由于这种直管段可能难以实现,因此 ASTM 建议不合规位置保持上游与下游 9:1 的距离比例。 

构造喷嘴

当进入设计阶段时,您会发现喷嘴设计(包括方向)在很大程度上取决于探头需求。因此,喷嘴、探头、位置和方向可能关系到工艺流体中的颗粒对分析的影响。正确放置喷嘴和探头可以最大限度地减少颗粒进入探头的可能性,因为颗粒可能污染样品或聚集并最终阻塞探头。

构造喷嘴的最简单方法是将内螺纹凸台焊接到管道上并钻穿。首先,将足够厚的加强板焊接到管道上。接下来,选择凸台尺寸以适应要使用的螺纹探针或阀门。另一种方法是将外螺纹管接头焊接到管路上。 当然,这些简单的方法均无法满足工艺管道规范关于禁止工艺管道螺纹连接的要求。面对这些制约因素,您可以将阀门焊接到接头上或使用法兰管道喷嘴代替。

安装气体流喷嘴

尽可能选择水平管道来取样工艺气体。水平方向允许喷嘴保持垂直。而且也更容易找到一根长的直管段。将喷嘴定位在管路顶部,以便任何污垢或液体均重新流回到工艺管道中。如果工艺气体清洁而干燥,则可以将喷嘴定位在水平管道一侧。但是,要避免探针朝向脏污样品,因为探针中的气流可能并非湍流;固体颗粒可能会掉落并堵塞探头

同样的堵塞问题适用于垂直气体管道上的水平喷嘴。倾斜的喷嘴允许任何夹带的液体或固体重新流回到工艺管道中。这一特性适用于液体的清除,但可能不适用于会粘附在探头中的固体。

对于垂直烟囱来说,喷嘴应保持水平或略微倾斜的方向,并且为适应特殊的探头,尺寸要大得多。这该场合,喷嘴位置基于气体温度:不过热(因此材料成本很合理)但高于酸露点温度(因此含硫物不会在探头中凝结)。为监测烟道气体,喷嘴的最佳气体温度略高于 600°C (1,112°F),以确保完全燃烧。

当从可能含有冷凝液滴的工艺蒸汽流(例如饱和蒸汽系统)取样时,首选的取样点位置是向下流动的长工艺管道。但是,请务必检查管路压力。下行管路通常连接到流程泵的吸入侧,并且可以在低压下运行。低压源对于将要放空至火炬的气体样品是有利的,但对于想要通过快速回路返回工艺管道的气体样品则不利。通过快速循环,您可能希望从流程泵排出样品并将气体返回到吸入侧。

安装液体流喷嘴

由于可以确信管道已满,因此垂直向上流动的管道通常是放置液体取样喷嘴的最佳位置。如采用此类安装方式,请选择水平喷嘴,因为这种喷嘴允许不大可能振动的较短探头。水平喷嘴对于液体样品来说是理想的选择,因为探头中的流动必然是湍流,从而可阻止探头中的固体沉淀。

取样点上方管道中的液体将提供一定的附加压力,从而可确保取样点处的工艺液体温度高于其始沸点。附加压力还有助于运送样品。由于无法确保管路已满,应避免从向下流动的垂直工艺管道中取样液体。

从水平管路取样液体流是有风险的,因为工艺管道可能不满,从而导致两相样品。如果工艺管道在水平运行后转而向上,则可以确定管路已满;如果转而向下,则水平段可能会在流动的液体层上方留下气体。

传统的观点认为,液体取样点应始终位于水平工艺管路的一侧;在没有探针的情况下进行取样时这是很好的建议。从工艺管路一侧的喷嘴进行取样可降低吸取管道顶部夹带蒸汽或底部污泥的风险。

在实践中,通常最好使用可延伸到管路中心的探针。使用探头时,方向是次要的。通常,最好将垂直喷嘴定位在管路顶部,因为这允许固体重新流回到工艺管道中。一般来说,喷嘴不得位于水平管道的底部,因为固体会落入其中并增加样品条件控制的难度。如果必须使用现有的底部喷嘴,请安装一个可以延伸到管道直径三分之一处的探头。

在最终确定取样点位置之前

在确定最终的取样点位置之前,请记住您选择的探针将决定喷嘴及其端接头的方向和直径。选定探头后,请再次前往所选位置以检查可用于安装和维护工作的实际空间。确认有足够的间隙来装配喷嘴、维护工艺隔离阀并取出探头。还应考虑是否方便维护。简单的取样点和取样探针可能仅需要小型的平台和梯子,但现场工作站则需要更好的维护条件。

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