浮头式气液混合装置的设计

徐彦芹，卞　欢，苟瑞鸿

(重庆大学　化学化工学院，重庆　400030)



·实验仪器研制·

浮头式气液混合装置的设计

徐彦芹，卞欢，苟瑞鸿

(重庆大学化学化工学院，重庆400030)

针对市售气液混合添加装置压力不稳定问题，设计了浮头式气液混合装置。该装置采用浮头式添加方法，在不需外力驱动下实现液体平稳自动添加，压力根据添加的实际情况进行调节。该装置主要有储液罐、加液罐和混合罐，储液罐里设有轻质伸缩管和浮头。在一定压力下，可利用精细雾化喷头对液体添加剂进行雾化，从而更好地与天然气进行混合，实现添加剂的平稳均匀添加。该装置可应用于天然气焊接、切割作业，有利于提高作业质量，大幅降低作业成本和安全成本。

天然气；焊接；浮头；添加装置

在机械制造行业，各种金属材料的切割工作量较大。氧-火焰切割工艺以其投资少、易用性好等特点依然是国内外企业工业切割气的主要选择，其中，氧-乙炔焰切割又是氧-火焰切割工艺中最为成熟、广泛采用的方法。但是乙炔的原料电石是一种高耗能产品，加上乙炔生产的高污染性，污染物的处理成本必然不断增高，从而导致乙炔的价格上涨，而乙炔生产的安全性问题在生产环境多变的焊接切割行业中日显突出，焊接切割行业必须找到乙炔的替代品，从而降低生产成本和安全成本。为此我国引进了丙烷类切割气技术，但由于国内油气资源缺乏、丙烷液化气的价格上涨较快、技术发展较慢等原因，其替代乙炔切割气的进展较为缓慢。另外，丙烷气密度大于空气，作业时易在底部沉积，不宜在船舱等密闭场所使用，在一定程度上也影响了丙烷切割气的使用推广[1-5]。

而天然气切割气在清洁、环保、经济、安全等方面都有一定优势，再加上有气源保障，所以天然气是未来替代乙炔成为火焰切割气体的最佳选择。但是，由于天然气热值和火焰温度均低于乙炔，所以在替代乙炔时会遇到火焰温度低、切割速度慢等问题。为此，往往通过在天然气中添加一定比例的添加剂来提高火焰温度。然而，由于目前市售天然气管道液体添加剂添加装置在使用过程中的液体压力不稳定，天然气添加剂浪费严重，添加不平稳，以致生产过程中火焰温度不稳定，生产效率低下，焊接切割质量不稳定，对焊接切割行业的天然气改革发展造成了极大的阻力和限制[6-15]。

该装置首次采用浮头设计，利用简单的物理原理实现液体的自动添加，且添加压力可根据生产实际情况进行调节，克服了随着添加剂的添加液面下降而导致压力减小的缺点，设计原理简单，使用方便，装置制造成本较低，实用性强。该装置对天然气在焊接切割行业的应用具有积极的促进意义，使作业过程中的安全性有了进一步提升，大幅度地降低了切割成本和安全成本。

1　装置概述

该装置为天然气管道中液体添加剂自动添加装置，主要包括混合罐、储液罐，以及在储液罐与混合罐之间设置的加液罐。储液罐的容积比加液罐大，加液罐底部与混合罐下部之间通过加液管连通，加液罐顶部与混合罐上部通过稳压管连通，储液罐顶部与加液罐顶部之间连有通气管。储液罐里设有轻质伸缩管和浮头，浮头连接在轻质伸缩管的上端，轻质伸缩管上端与浮头底部的连接处设有进液孔。加液罐里设有进液管，进液管下端位于液面以下，进液管上端与轻质伸缩管下端直接或间接连通。

装置的混合罐底部与一根主进气管连通，在靠近混合罐顶端处连接有一根辅进气管，混合气出管设置在混合罐的顶部，在主进气管、辅进气管和混合气出管上均安装有控制阀。

2　工作原理

天然气主要从主进气管进入混合罐，当混合罐的出口气压不稳定时，可以通过辅进气管通入天然气调节气压和气液混合度。

该装置中的储液罐、加液罐以及混合罐一起组成两级加液装置。由于储液罐的容积比加液罐大很多，即使在自动加液过程中，储液罐里的液体量变化也不明显，因而储液罐里液面以上空间的气压相对比较稳定。通过稳压管将混合罐的上部与储液罐的顶部连通，并通过通气管使储液罐顶部与加液罐顶部之间连通，使混合罐、储液罐及加液罐内的气压一致，从而使得从混合罐顶端出来的混合气的气压保持了相对稳定的状态，即实现气液混合的稳压输出。

在二级添加中，当加液罐向混合罐加液而导致加液罐里的液体减少时，由于储液罐顶部与加液罐顶部之间通过通气管连通，加液罐里液面以上空间的气压也维持基本稳定，储液罐里的液体就会适时地自动向加液罐注入液体，维持加液罐里的液面高度基本不变。基于此，加液罐向混合罐加液时的压力也维持基本稳定，从而实现向混合罐自动平稳的注入添加液。

另外，进液管的下端设有出液回流口，由悬挂在进液管下端的开口朝上的U型槽形成，U型槽通过辐条式支架与进液管下端连接。当液体从进液管下端流出时，由U型槽底部承受液体重力，然后再从U型槽顶部溢出进入加液罐，避免进液管里的液体压力对加液罐里的液体压力造成影响，确保加液罐向混合罐精准平稳均匀地添加液体。加液管与混合罐的连接端安装有雾化喷嘴，在液体雾化后进入混合罐，使之能与气体更好地均匀混合。

3　装置结构及使用

如图1所示为天然气管道中液体添加剂自动添加装置，可用于工业焊接、切割等生产作业中液体添加剂的添加。该结构含混合罐1和储液罐2，如图1(a)所示。混合罐1的底部与一根主进气管3连通，在混合罐1上靠近顶端处连接有一根辅进气管4，混合气出管5设置在混合罐1的顶部，在主进气管3、辅进气管4和混 合 气出管5上均安装有控制阀6。在储液罐2与混合罐1之间设置有加液罐7，储液罐2的容积比加液罐7大很多，加液罐7底部与混合罐1下部之间通过加液管8连通，加液管8上装有流量调节阀9，加液罐7顶部与混合罐1上部通过稳压管10连通，储液罐2顶部与加液罐7顶部之间连有通气管11。储液罐2里设有轻质伸缩管12和浮头13，浮头13连接在轻质伸缩管12的上端，轻质伸缩管12上端与浮头13底部的连接处设有进液孔14，如图1(b)所示。加液罐7里设有进液管15，进液管15下端位于液面以下，进液管15上端与轻质伸缩管12下端直接或间接连通。稳压管10与混合罐1的连接点低于辅进气管4与混合罐1的连接点，加液管8与混合罐1的连接点高于主进气管3与混合罐1的连接点。

宜采用浮力大、体积大的浮头，轻质伸缩管12采用薄膜轻质波纹软管，以最大化地减轻其向下产生的拉力影响，使浮头13的吃水深度保持恒定。

储液罐2、加液罐7以及混合罐1一起组成两级加液装置。由于储液罐2的容积比加液罐7大很多，即使在自动加液过程中，储液罐2里的液体量变化也不明显，因而储液罐2里液面以上空间的气压相对比较稳定。通过稳压管10将混合罐1的上部与加液罐7的顶部连通，并通过通气管11使储液罐2顶部与加液罐7顶部之间连通，使混合罐1、储液罐2及加液罐7内的气压一致，从而使得从混合罐1顶端出来的混合气的气压保持了相对稳定的状态，即实现气液混合的稳压输出。

1—混合罐；2—储液罐；3—主进气管；4—辅进气管；5—混合气出管；6—控制阀；7—加液罐；8—加液管；9—流量调节阀；10—稳压管；11—通气管11；12—轻质伸缩管；13—浮头；14—进液孔；15—进液管；16—出液回流口；17—U型槽；18—辐条式支架；19—雾化喷嘴；20—伸缩弯管；21—法兰端盖；22—加液口盖。图1　装置结构示意图

储液罐2中的浮头13在浮力作用下，使薄膜做的轻质伸缩管12上端的进液口14与储液罐2里的液面始终保持一致。而储液罐2的容积相对于加液罐7和混合罐1都要大很多，在使用过程中的一定时期内，储液罐2里液面以上的空间变化很小，气压基本处于稳定，因而使轻质伸缩管12里的液体压力保持稳定。所以在一级添加中，液体从储液罐2到加液罐7的添加速度一定。

在二级添加中，当加液罐7向混合罐1加液而导致加液罐7里的液体减少时，由于储液罐2顶部与加液罐7顶部之间由通气管11连通，加液罐7里液面以上空间的气压也维持基本稳定，储液罐2里的液体就会适时地自动向加液罐7注入液体，维持加液罐7里的液面高度基本不变。基于此，加液罐7向混合罐1加液时的压力也维持基本稳定，从而实现向混合罐1自动平稳地注入添加液。

图1(c)为图1(a)中Y局部放大图，图中进液管15的下端设有出液回流口16，由悬挂在进液管下端的开口朝上的U型槽17形成，U型槽17通过辐条式支架18与进液管下端连接。当液体从进液管15下端流出时，由U型槽17底部承受液体重力，再从U型槽17顶部溢出进入加液罐7，避免进液管15里的液体压力对加液罐7里的液体压力造成影响，确保加液罐7向混合罐1精准、平稳、均匀地添加液体。图1(d)为图1的俯视图。

参见图1，在加液管8与混合罐1的连接端安装有雾化喷嘴19，使液体雾化后进入混合罐1，使之能与气体更好的均匀混合。进液管15上端与轻质伸缩管12下端之间通过可伸缩弯管20连通，可伸缩弯管20上安装有阀门，便于调整储液罐2与加液罐7之间的相对位置。混合罐1顶端用法兰端

盖21密封，储液罐2顶端的加液口用端盖22密封。加液罐7侧壁上设有计量刻度，便于观察加液罐7里的准确液面高度及其变化情况。

使用时，储液罐2、加液罐7两级自动，均匀、平稳地向混合罐1里加液，当用于天然气焊接、切割时，天然气主要从主进气管3进入混合罐1，当混合罐1的出口气压不稳定时可以通过辅进气管4通入天然气，调节气压和气液混合度。混合气出管5端接焊枪或切割枪。实际上，基于该装置的原理和基本结构，该装置不仅可用于天然气焊接、切割等工业领域，而且可用于凡是需要气液混合且要求输出的混合气压力稳定的任何领域与场合。

3　结束语

根据所设计装置申请了名为“一种气液稳压自动平衡加液装置”的实用新型类专利。但由于条件限制，装置的设计仅限于外形以及计算，并无实际装配。故可能随着工作条件改变，装置会存在未知错误。

天然气焊接是随着能源价格不断上涨，乙炔成本与切割过程中安全成本不断增加而兴起的一种。新兴切割工艺。但由于受到天然气火焰温度较低的影响，该工艺的发展受到抑制。随着天然气液体添加剂的加入，虽然该工艺的发展情况得到一定改善，但由于添加剂添加装置效果不佳，造成了添加剂的大量浪费以及天然气火焰温度的波动，从而使工艺成本增加，产品质量下降，大大阻碍了天然气切割工艺的发展。

本装置解决了原有添加装置的一些缺陷，使得添加装置在工作中始终保持添加压力一定，控制阀门在开度一定的情况下添加速度一定；使得添加剂始终定量平稳地添加到混合罐中，通过雾化喷头使添加剂雾化成小液滴，与天然气均匀混合燃烧，热值保持不变，减少了添加剂的浪费，提高了火焰质量进而提高了切割质量，一定程度上促进了天然气切割工艺的发展，为天然气焊接切割工艺的顺利过渡产生了积极作用。

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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

重庆高等教育教学改革研究基金(143055)；第六届重庆大学大学生科研训练计划项目(CQU-STRP-2014377)。

徐彥芹(1984-)，女，硕士，实验师，主要从事实验教学工作。

TG481

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.01.032