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如何使用调压阀来降低分析仪器系统中的延时

如何使用调压阀来减少分析系统中的延时

2019 年 4 月 3 日  | 产品经理  Jon Kestner

工艺测量是即时的,但分析仪响应却不可能是即时的。从取样口到分析仪始终存在延时。遗憾的是,这一延迟往往被低估或误解。

在分析取样系统中,延时定义为新样品行进到分析仪所需的时间。控制延时的一种方法是使用调压阀。调压阀可控制压力,而分析系统中的压力与时间密切相关。在流量受控的气体系统中,压力越低,延时越短。

分析仪器系统的任何主要部分都可能发生延时,包括工艺管路、取样口和探头、现场工作站、输送管路、样品调整系统、样流切换系统和分析仪。下图是工艺分析仪取样系统基本部分的示例。

analyzer-sampling-system-diagram延时是累积性的。延时包括流体从被监测的工艺到分析仪所需的总时间。现在,我们将重点考虑野外站和调压阀在减少延时方面发挥的重要作用。

在现场工作站之前

若要最大限度地缩短延时,应从取样口位置着手。最好将取样口放置在尽可能靠近工艺分析仪的位置,而且还应位于桶、罐、死角、滞流管路或者冗余或陈旧设备等延时源的上游。

当取样液体时,取样口处的压力应足以使样品能够在不使用泵的情况下流过输送管路或快速回路,泵不仅是一种昂贵的元件,而且还带来了性能变化。

许多情况下,您可能无法指定取样口位置。您可能不得不使用原有取样口位置,而且往往不得不使用原有分析仪安装位置。当取样口与分析仪之间的距离较大时,建议使用快速回路加快将流体输送到分析仪的速度并将未使用的部分返回到工艺中。

大多数分析仪表系统内都存在的另一个延时源是探头。探头的容积越大,延时就越严重。探头的长度和宽度都将影响容积。当试图最大限度地降低延时时,请选择低容积的探头。

在现场工作站

在工艺分析仪需要液体样品的情况下,现场工作站中不使用调压阀。最好把液体保持在高压力以避免产生气泡。对于气体样品,可使用野外站减小输送管路或快速回路内的压力。 

延时的缩短幅度与绝对压力的降低幅度成正比。压力降低一半时,延时将缩短一半。野外站应尽可能靠近取样口。降压的时间越早越好。我们看看现场工作站中三种可能的调压阀应用。调压阀在每种应用中的配置都略有不同。

调压阀应用 #1

在第一种应用中,目标是降低气压。预计压降不会产生凝结物。因此,可以使用简单的减压型调压阀。减压型调压阀在出口处保持恒定压力。传感元件(通常为隔膜或活塞)响应于下游压力而移动,从而允许控制元件(通常为锥形提升阀)改变气体通过的孔口流动面积。当传感 元件响应于较高压力而被向上推动时,控制元件移动靠近调压阀座,并且孔口面积逐渐减小。随着传感元件在较低的压力下向下移动,孔口逐渐增大。在大多数分析调压阀中,调压阀上的手柄允许操作员通过压缩或松开驱动传感元件相对于出口压力而运动的固定弹簧来设定出口压力。

金属隔膜特别适用于进口压力不会急剧变化或化学相容性很重要的应用。然而,在压力可能不一致或激增的应用中,活塞式调压阀可能更合适。

调压阀应用 #2

在第二种调压阀应用中,预计压降会导致冷凝。在压力降低的情况下,几乎所有气体都会损失能量(这被称为焦耳-汤姆逊效应),从而导致冷却。如果气体接近其露点,则这种冷却会导致冷凝。在某些情况下,热损失可能大到足以导致冷凝,从而可能冻结调压阀。由于焦耳-汤姆逊效应,可能需要加热调压阀来保持气体温度高于露点。加热调压阀是一种系统流体流经加热元件的减压型调压阀。加热筒是必需的。

您可以计算加热筒所需的能量(或瓦数),以便在合理的功率范围内指定加热筒。每种气体都有一个焦耳-汤姆逊系数,可将此系数与压降和流速一起带入公式中,以计算所需的功率。

调压阀应用 #3

在第三种调压阀应用中,在使用气相色谱仪或其它分析仪分析液体之前必须变成气体。在这种情况下,应使用汽化调压阀。选择汽化调压阀可能是一件具有挑战力的事情,但如果合理选型并正确安装,则可以成为制备液体样品的可靠方法。汽化调压阀的目标是立即将整个样品蒸发为气体,以确保蒸发的样品代表液体工艺。

使用汽化调压阀时,必须密切注意温度和蒸气流量。如果流量过大,则样品将仅部分气化,液体将经调压阀流向分析仪。如果汽化器温度过高,则上游液体样品将被汽化。

regulator-bypass-loop-diagram最后,一定要正确设置汽化调压阀,以免造成较长的延时。当液体转变为气体时,体积将剧烈膨胀。增加量取决于液体的分子重量。一般,调压阀后蒸气流量测值将是汽化调压阀前液体流量的 >300 倍。例如,当蒸汽流量为 600 cm3/min. 时,液体流量可能还不到 2 cm3/min。在这种情况下,液体将需要 25 分钟才能流过一段 3 米(约 10 英尺)的 6 mm (1/4 in.) 卡套管。为了缩短这段时间,我们必须减小调压阀前的卡套管容积。例如,使用长度仅为 30.5 cm(1 英尺)的 25.5 mm(1/8 英寸)卡套管时,液体只需 30 秒时间就能够到达调压阀。不过,这个时间还必须加上探头内的延时。探头越细,响应越快。

可用于加快响应的另一种方法是借助液体快速回路将汽化器移至更靠近分析仪的位置。在下图中,调压阀位于快速回路过滤器后面,同时使用另一个液体慢速旁通回路,以确保汽化调压阀之前的液体良好地流动。这种设计的目的是最大程度地减少抵达蒸气调压阀的慢速液体量。

调压阀是解决分析系统中延时的重要工具。气体系统中的压力越低,响应时间就越快。一般而言,系统压力越早降低越好。在液体蒸发的情况下,请考虑使用液体快速回路以保持汽化调压阀之前的液体流动。现场工作站是复杂的分析仪器系统中可以显著降低延时的位置之一,但延时方法必须始终是全面的。为降低延时,必须仔细研究系统中所有可能的延迟原因。

 

 

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