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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

现场工程主管 Mike Strobel

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。一篇单独的博客文章解释了时间延迟的原因以及如何高水平地缩短延时的技巧。但在这篇文章中,我们将重点介绍如何使用调压阀控制时间延迟。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。

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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、取样口和探针、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。下图是典型工艺分析仪取样系统的示例。

Typical process analyzer system

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。您可以在此处了解有关如何测量时间延迟的更多信息。现在,我们将重点考虑现场工作站和调压阀在减少延时方面发挥的重要作用。

Tap location before the field station到现场工作站之前Swagelok Field Station Module

若要尽可能地缩短延时,应从取样口位置着手。应当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工艺延时源的上游。

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,而且还带来了额外的性能变化。

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的位置,而且往往只能使用原有分析仪的安装位置。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。若您想要尽可能地降低延时,请选择低容积的探头。

Use a field station to reduce pressure in transport lines.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,可使用现场工作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。现场工作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可能适用的三种调压阀应用。调压阀在每种应用中的配置都略有不同。

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Regulator application #1调压阀应用 #1

在第一种应用中,目标是降低气压。压降不会产生冷凝。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。

Diaphragm vs. Piston Sensing Regulator
隔膜对比活塞感应调压阀

金属隔膜特别适用于进口压力不会急剧变化或看重化学兼容性的应用。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。

Regulator application #2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。加热棒是需要的。

您可以计算加热棒所需的能量(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。

Joule-Thomson cooling effect

Regulator application #3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。您可以在此处了解有关在取样系统中管理汽化的更多信息。

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,当蒸气流量为 600 cm3/分钟时,液体流量可能还不到 2 cm3/分钟。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 3.2 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良好的液体流动。这种设计的目的是尽可能地减少抵达蒸气调压阀的慢速液体量。

Make the Right Regulator Choices to Diminish Delay做出正确的调压阀选择减少延迟Vaporizer Liquid Bypass on Fast Loop

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,气体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。

如果您的分析系统出现难以处理的延时问题,除了遵循上述有关调压阀选择的建议之外,您还可以从多个其他地方寻求帮助。我们提供多门由取样专家教授的取样系统培训课程,我们提供根据优秀实践设计的预设计分析子系统,我们的现场工程团队也可以到现场帮助您确定并排除分析系统的问题。要了解更多信息或开始有关减少分析系统延迟的对话,请单击下面的按钮。

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