徐彥芹，卞　歡，茍瑞鴻

(重慶大學(xué)　化學(xué)化工學(xué)院，重慶　400030)

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·實(shí)驗(yàn)儀器研制·

浮頭式氣液混合裝置的設(shè)計(jì)

徐彥芹，卞歡，茍瑞鴻

(重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶400030)

針對(duì)市售氣液混合添加裝置壓力不穩(wěn)定問(wèn)題，設(shè)計(jì)了浮頭式氣液混合裝置。該裝置采用浮頭式添加方法，在不需外力驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)液體平穩(wěn)自動(dòng)添加，壓力根據(jù)添加的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。該裝置主要有儲(chǔ)液罐、加液罐和混合罐，儲(chǔ)液罐里設(shè)有輕質(zhì)伸縮管和浮頭。在一定壓力下，可利用精細(xì)霧化噴頭對(duì)液體添加劑進(jìn)行霧化，從而更好地與天然氣進(jìn)行混合，實(shí)現(xiàn)添加劑的平穩(wěn)均勻添加。該裝置可應(yīng)用于天然氣焊接、切割作業(yè)，有利于提高作業(yè)質(zhì)量，大幅降低作業(yè)成本和安全成本。

天然氣；焊接；浮頭；添加裝置

在機(jī)械制造行業(yè)，各種金屬材料的切割工作量較大。氧-火焰切割工藝以其投資少、易用性好等特點(diǎn)依然是國(guó)內(nèi)外企業(yè)工業(yè)切割氣的主要選擇，其中，氧-乙炔焰切割又是氧-火焰切割工藝中最為成熟、廣泛采用的方法。但是乙炔的原料電石是一種高耗能產(chǎn)品，加上乙炔生產(chǎn)的高污染性，污染物的處理成本必然不斷增高，從而導(dǎo)致乙炔的價(jià)格上漲，而乙炔生產(chǎn)的安全性問(wèn)題在生產(chǎn)環(huán)境多變的焊接切割行業(yè)中日顯突出，焊接切割行業(yè)必須找到乙炔的替代品，從而降低生產(chǎn)成本和安全成本。為此我國(guó)引進(jìn)了丙烷類(lèi)切割氣技術(shù)，但由于國(guó)內(nèi)油氣資源缺乏、丙烷液化氣的價(jià)格上漲較快、技術(shù)發(fā)展較慢等原因，其替代乙炔切割氣的進(jìn)展較為緩慢。另外，丙烷氣密度大于空氣，作業(yè)時(shí)易在底部沉積，不宜在船艙等密閉場(chǎng)所使用，在一定程度上也影響了丙烷切割氣的使用推廣[1-5]。

而天然氣切割氣在清潔、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全等方面都有一定優(yōu)勢(shì)，再加上有氣源保障，所以天然氣是未來(lái)替代乙炔成為火焰切割氣體的最佳選擇。但是，由于天然氣熱值和火焰溫度均低于乙炔，所以在替代乙炔時(shí)會(huì)遇到火焰溫度低、切割速度慢等問(wèn)題。為此，往往通過(guò)在天然氣中添加一定比例的添加劑來(lái)提高火焰溫度。然而，由于目前市售天然氣管道液體添加劑添加裝置在使用過(guò)程中的液體壓力不穩(wěn)定，天然氣添加劑浪費(fèi)嚴(yán)重，添加不平穩(wěn)，以致生產(chǎn)過(guò)程中火焰溫度不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低下，焊接切割質(zhì)量不穩(wěn)定，對(duì)焊接切割行業(yè)的天然氣改革發(fā)展造成了極大的阻力和限制[6-15]。

該裝置首次采用浮頭設(shè)計(jì)，利用簡(jiǎn)單的物理原理實(shí)現(xiàn)液體的自動(dòng)添加，且添加壓力可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服了隨著添加劑的添加液面下降而導(dǎo)致壓力減小的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，使用方便，裝置制造成本較低，實(shí)用性強(qiáng)。該裝置對(duì)天然氣在焊接切割行業(yè)的應(yīng)用具有積極的促進(jìn)意義，使作業(yè)過(guò)程中的安全性有了進(jìn)一步提升，大幅度地降低了切割成本和安全成本。

1　裝置概述

該裝置為天然氣管道中液體添加劑自動(dòng)添加裝置，主要包括混合罐、儲(chǔ)液罐，以及在儲(chǔ)液罐與混合罐之間設(shè)置的加液罐。儲(chǔ)液罐的容積比加液罐大，加液罐底部與混合罐下部之間通過(guò)加液管連通，加液罐頂部與混合罐上部通過(guò)穩(wěn)壓管連通，儲(chǔ)液罐頂部與加液罐頂部之間連有通氣管。儲(chǔ)液罐里設(shè)有輕質(zhì)伸縮管和浮頭，浮頭連接在輕質(zhì)伸縮管的上端，輕質(zhì)伸縮管上端與浮頭底部的連接處設(shè)有進(jìn)液孔。加液罐里設(shè)有進(jìn)液管，進(jìn)液管下端位于液面以下，進(jìn)液管上端與輕質(zhì)伸縮管下端直接或間接連通。

裝置的混合罐底部與一根主進(jìn)氣管連通，在靠近混合罐頂端處連接有一根輔進(jìn)氣管，混合氣出管設(shè)置在混合罐的頂部，在主進(jìn)氣管、輔進(jìn)氣管和混合氣出管上均安裝有控制閥。

2　工作原理

天然氣主要從主進(jìn)氣管進(jìn)入混合罐，當(dāng)混合罐的出口氣壓不穩(wěn)定時(shí)，可以通過(guò)輔進(jìn)氣管通入天然氣調(diào)節(jié)氣壓和氣液混合度。

該裝置中的儲(chǔ)液罐、加液罐以及混合罐一起組成兩級(jí)加液裝置。由于儲(chǔ)液罐的容積比加液罐大很多，即使在自動(dòng)加液過(guò)程中，儲(chǔ)液罐里的液體量變化也不明顯，因而儲(chǔ)液罐里液面以上空間的氣壓相對(duì)比較穩(wěn)定。通過(guò)穩(wěn)壓管將混合罐的上部與儲(chǔ)液罐的頂部連通，并通過(guò)通氣管使儲(chǔ)液罐頂部與加液罐頂部之間連通，使混合罐、儲(chǔ)液罐及加液罐內(nèi)的氣壓一致，從而使得從混合罐頂端出來(lái)的混合氣的氣壓保持了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)氣液混合的穩(wěn)壓輸出。

在二級(jí)添加中，當(dāng)加液罐向混合罐加液而導(dǎo)致加液罐里的液體減少時(shí)，由于儲(chǔ)液罐頂部與加液罐頂部之間通過(guò)通氣管連通，加液罐里液面以上空間的氣壓也維持基本穩(wěn)定，儲(chǔ)液罐里的液體就會(huì)適時(shí)地自動(dòng)向加液罐注入液體，維持加液罐里的液面高度基本不變。基于此，加液罐向混合罐加液時(shí)的壓力也維持基本穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)向混合罐自動(dòng)平穩(wěn)的注入添加液。

另外，進(jìn)液管的下端設(shè)有出液回流口，由懸掛在進(jìn)液管下端的開(kāi)口朝上的U型槽形成，U型槽通過(guò)輻條式支架與進(jìn)液管下端連接。當(dāng)液體從進(jìn)液管下端流出時(shí)，由U型槽底部承受液體重力，然后再?gòu)腢型槽頂部溢出進(jìn)入加液罐，避免進(jìn)液管里的液體壓力對(duì)加液罐里的液體壓力造成影響，確保加液罐向混合罐精準(zhǔn)平穩(wěn)均勻地添加液體。加液管與混合罐的連接端安裝有霧化噴嘴，在液體霧化后進(jìn)入混合罐，使之能與氣體更好地均勻混合。

3　裝置結(jié)構(gòu)及使用

如圖1所示為天然氣管道中液體添加劑自動(dòng)添加裝置，可用于工業(yè)焊接、切割等生產(chǎn)作業(yè)中液體添加劑的添加。該結(jié)構(gòu)含混合罐1和儲(chǔ)液罐2，如圖1(a)所示?；旌瞎?的底部與一根主進(jìn)氣管3連通，在混合罐1上靠近頂端處連接有一根輔進(jìn)氣管4，混合氣出管5設(shè)置在混合罐1的頂部，在主進(jìn)氣管3、輔進(jìn)氣管4和混 合 氣出管5上均安裝有控制閥6。在儲(chǔ)液罐2與混合罐1之間設(shè)置有加液罐7，儲(chǔ)液罐2的容積比加液罐7大很多，加液罐7底部與混合罐1下部之間通過(guò)加液管8連通，加液管8上裝有流量調(diào)節(jié)閥9，加液罐7頂部與混合罐1上部通過(guò)穩(wěn)壓管10連通，儲(chǔ)液罐2頂部與加液罐7頂部之間連有通氣管11。儲(chǔ)液罐2里設(shè)有輕質(zhì)伸縮管12和浮頭13，浮頭13連接在輕質(zhì)伸縮管12的上端，輕質(zhì)伸縮管12上端與浮頭13底部的連接處設(shè)有進(jìn)液孔14，如圖1(b)所示。加液罐7里設(shè)有進(jìn)液管15，進(jìn)液管15下端位于液面以下，進(jìn)液管15上端與輕質(zhì)伸縮管12下端直接或間接連通。穩(wěn)壓管10與混合罐1的連接點(diǎn)低于輔進(jìn)氣管4與混合罐1的連接點(diǎn)，加液管8與混合罐1的連接點(diǎn)高于主進(jìn)氣管3與混合罐1的連接點(diǎn)。

宜采用浮力大、體積大的浮頭，輕質(zhì)伸縮管12采用薄膜輕質(zhì)波紋軟管，以最大化地減輕其向下產(chǎn)生的拉力影響，使浮頭13的吃水深度保持恒定。

儲(chǔ)液罐2、加液罐7以及混合罐1一起組成兩級(jí)加液裝置。由于儲(chǔ)液罐2的容積比加液罐7大很多，即使在自動(dòng)加液過(guò)程中，儲(chǔ)液罐2里的液體量變化也不明顯，因而儲(chǔ)液罐2里液面以上空間的氣壓相對(duì)比較穩(wěn)定。通過(guò)穩(wěn)壓管10將混合罐1的上部與加液罐7的頂部連通，并通過(guò)通氣管11使儲(chǔ)液罐2頂部與加液罐7頂部之間連通，使混合罐1、儲(chǔ)液罐2及加液罐7內(nèi)的氣壓一致，從而使得從混合罐1頂端出來(lái)的混合氣的氣壓保持了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)氣液混合的穩(wěn)壓輸出。

1—混合罐；2—儲(chǔ)液罐；3—主進(jìn)氣管；4—輔進(jìn)氣管；5—混合氣出管；6—控制閥；7—加液罐；8—加液管；9—流量調(diào)節(jié)閥；10—穩(wěn)壓管；11—通氣管11；12—輕質(zhì)伸縮管；13—浮頭；14—進(jìn)液孔；15—進(jìn)液管；16—出液回流口；17—U型槽；18—輻條式支架；19—霧化噴嘴；20—伸縮彎管；21—法蘭端蓋；22—加液口蓋。圖1　裝置結(jié)構(gòu)示意圖

儲(chǔ)液罐2中的浮頭13在浮力作用下，使薄膜做的輕質(zhì)伸縮管12上端的進(jìn)液口14與儲(chǔ)液罐2里的液面始終保持一致。而儲(chǔ)液罐2的容積相對(duì)于加液罐7和混合罐1都要大很多，在使用過(guò)程中的一定時(shí)期內(nèi)，儲(chǔ)液罐2里液面以上的空間變化很小，氣壓基本處于穩(wěn)定，因而使輕質(zhì)伸縮管12里的液體壓力保持穩(wěn)定。所以在一級(jí)添加中，液體從儲(chǔ)液罐2到加液罐7的添加速度一定。

在二級(jí)添加中，當(dāng)加液罐7向混合罐1加液而導(dǎo)致加液罐7里的液體減少時(shí)，由于儲(chǔ)液罐2頂部與加液罐7頂部之間由通氣管11連通，加液罐7里液面以上空間的氣壓也維持基本穩(wěn)定，儲(chǔ)液罐2里的液體就會(huì)適時(shí)地自動(dòng)向加液罐7注入液體，維持加液罐7里的液面高度基本不變?；诖耍右汗?向混合罐1加液時(shí)的壓力也維持基本穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)向混合罐1自動(dòng)平穩(wěn)地注入添加液。

圖1(c)為圖1(a)中Y局部放大圖，圖中進(jìn)液管15的下端設(shè)有出液回流口16，由懸掛在進(jìn)液管下端的開(kāi)口朝上的U型槽17形成，U型槽17通過(guò)輻條式支架18與進(jìn)液管下端連接。當(dāng)液體從進(jìn)液管15下端流出時(shí)，由U型槽17底部承受液體重力，再?gòu)腢型槽17頂部溢出進(jìn)入加液罐7，避免進(jìn)液管15里的液體壓力對(duì)加液罐7里的液體壓力造成影響，確保加液罐7向混合罐1精準(zhǔn)、平穩(wěn)、均勻地添加液體。圖1(d)為圖1的俯視圖。

參見(jiàn)圖1，在加液管8與混合罐1的連接端安裝有霧化噴嘴19，使液體霧化后進(jìn)入混合罐1，使之能與氣體更好的均勻混合。進(jìn)液管15上端與輕質(zhì)伸縮管12下端之間通過(guò)可伸縮彎管20連通，可伸縮彎管20上安裝有閥門(mén)，便于調(diào)整儲(chǔ)液罐2與加液罐7之間的相對(duì)位置?；旌瞎?頂端用法蘭端

蓋21密封，儲(chǔ)液罐2頂端的加液口用端蓋22密封。加液罐7側(cè)壁上設(shè)有計(jì)量刻度，便于觀察加液罐7里的準(zhǔn)確液面高度及其變化情況。

使用時(shí)，儲(chǔ)液罐2、加液罐7兩級(jí)自動(dòng)，均勻、平穩(wěn)地向混合罐1里加液，當(dāng)用于天然氣焊接、切割時(shí)，天然氣主要從主進(jìn)氣管3進(jìn)入混合罐1，當(dāng)混合罐1的出口氣壓不穩(wěn)定時(shí)可以通過(guò)輔進(jìn)氣管4通入天然氣，調(diào)節(jié)氣壓和氣液混合度?；旌蠚獬龉?端接焊槍或切割槍。實(shí)際上，基于該裝置的原理和基本結(jié)構(gòu)，該裝置不僅可用于天然氣焊接、切割等工業(yè)領(lǐng)域，而且可用于凡是需要?dú)庖夯旌锨乙筝敵龅幕旌蠚鈮毫Ψ€(wěn)定的任何領(lǐng)域與場(chǎng)合。

3　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)所設(shè)計(jì)裝置申請(qǐng)了名為“一種氣液穩(wěn)壓自動(dòng)平衡加液裝置”的實(shí)用新型類(lèi)專(zhuān)利。但由于條件限制，裝置的設(shè)計(jì)僅限于外形以及計(jì)算，并無(wú)實(shí)際裝配。故可能隨著工作條件改變，裝置會(huì)存在未知錯(cuò)誤。

天然氣焊接是隨著能源價(jià)格不斷上漲，乙炔成本與切割過(guò)程中安全成本不斷增加而興起的一種。新興切割工藝。但由于受到天然氣火焰溫度較低的影響，該工藝的發(fā)展受到抑制。隨著天然氣液體添加劑的加入，雖然該工藝的發(fā)展情況得到一定改善，但由于添加劑添加裝置效果不佳，造成了添加劑的大量浪費(fèi)以及天然氣火焰溫度的波動(dòng)，從而使工藝成本增加，產(chǎn)品質(zhì)量下降，大大阻礙了天然氣切割工藝的發(fā)展。

本裝置解決了原有添加裝置的一些缺陷，使得添加裝置在工作中始終保持添加壓力一定，控制閥門(mén)在開(kāi)度一定的情況下添加速度一定；使得添加劑始終定量平穩(wěn)地添加到混合罐中，通過(guò)霧化噴頭使添加劑霧化成小液滴，與天然氣均勻混合燃燒，熱值保持不變，減少了添加劑的浪費(fèi)，提高了火焰質(zhì)量進(jìn)而提高了切割質(zhì)量，一定程度上促進(jìn)了天然氣切割工藝的發(fā)展，為天然氣焊接切割工藝的順利過(guò)渡產(chǎn)生了積極作用。

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Design of a Floating Head Gas-Liquid Mixer

XU Yanqin，BIAN Huan，GOU Ruihong

(College of Chemistry and Chemical Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

To solve pressure instability of the commercially available gas-liquid mixture adding device,the floating head type is designed.The device uses the floating head to dose,which could make the liquid added stably and automatically without external force and the pressure adjusted according to the actual situation.It consists of storage tank with lightweight telescopic pipe and floating head,dosing tank and mixing tank.Under the condition of a certain pressure,it can make use of fine atomization nozzle to atomize liquid additives so that they can mix with natural gas better and be added stably.The device can be used for welding and cutting operations,which is beneficial to improving the work quality and reducing the cost of operation and safety.

natural gas; welding; floating head; adding device

2014-12-26；修改日期: 2015-01-19

重慶高等教育教學(xué)改革研究基金(143055)；第六屆重慶大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(CQU-STRP-2014377)。

徐彥芹(1984-)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

TG481

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.032