真空系统的工艺计算

2011-12-08马红芳骆彩萍鲍贤康华陆工程科技有限责任公司西安710065

化工设计 2011年6期

关键词：真空泵气量真空

马红芳骆彩萍鲍贤康华陆工程科技有限责任公司西安 710065

真空系统的工艺计算

马红芳*骆彩萍鲍贤康华陆工程科技有限责任公司西安 710065

介绍抽气量、压降等真空系统的工艺计算方法和结合工程的实际应用。

真空系统抽气量当量空气流导工艺计算

化工生产装置中，真空系统主要应用于精馏、过滤、干燥、脱水等工艺过程。真空系统所要达到的真空度是通过真空泵来实现的。影响真空度的因素除了真空泵的性能外，系统的空气泄漏量、工艺气量和系统的压力损失等亦是非常关键的。所以在真空系统的工艺计算过程中，要充分考虑上述影响因素，做到系统设计完善、可靠、经济。

1 真空系统的组成

真空系统通常由真空泵、真空容器及真空管道组成，典型流程见图1。

图1 真空系统典型流程图

2 真空系统的设计基础

2.1 抽气量

抽气量是真空泵的重要参数，在化工生产中，真空容器的被抽气量主要是指空气泄漏量与被抽出的工艺气之和。

2.1.1 空气泄漏量［3］

在抽真空过程中，因管件、设备密封性能等因素的影响，不能保证系统完全密闭，总是有空气泄漏入真空系统，对任何真空系统都应进行试验以确定其空气泄漏量，对新设计和不能进行试验的场合采用估算，目前主要有以下几种方法。

(1)对于工业上严密系统的空气泄漏量，经验公式如下:

式中，W空气为空气泄漏量，lb/h;V为真空系统的容积，ft3;k为压力常数，取值见表1。

表1 k取值

(2)对应于上式，最大空气泄漏量见图2。图中为绝对压力，英制和公制分别见图2(a)和(b)。

图2 工业上严密系统最大空气泄漏量值

(3)管件的空气泄漏量的估算见表2。

表2 真空系统管件的空气泄漏量估算表(kg/h)

对于真空容器，一般保守估算时采用(1)法计算值，或(2)法的查图值，再加上(3)法所得管件泄漏量之值。或者，采用(1)法计算值或(2)法查图值的两倍，即得该真空系统的空气泄漏量。

对于带有采用普通轴封的搅拌器，其空气泄漏量应为每个搅拌器增加5lb/h(2.27 kg/h)，如采用特殊良好密封，此值可为1～2 lb/h(0.45～0.90 kg/h)。

2.1.2 被抽出的工艺物料气量

化工生产中，真空容器被抽气体除泄漏的空气外，主要还包括工艺生产过程中产生与系统中的液体处于平衡状态的物料蒸气。物料蒸气量的计算如下:

由拉乌尔定律［2］可知，对于混合溶液中的某一组分，其在气相中的分压为:

Pi=P0i×xi

式中，Pi为各组分的分压，mmHg;P0i为纯物质的饱和蒸气压，mmHg;xi为液体中各组分的摩尔分数。

由上式可得出:被抽气体中，物料蒸气的分压P物料=∑Pi，抽真空时，真空容器的绝对压力P为P物料和P空气之和，故P空气值可得。

物料气量按下式计算:

式中，W物料为物料蒸气，kg/h;W空气为空气泄漏量，kg/h;M物料为物料蒸气平均分子量;M空气为空气的分子量;P物料为物料蒸气的分压，mmHg; P空气为空气的分压，mmHg。

设计和选择真空泵时，需要将工艺物料气量换算为当量空气量，其换算公式如下［3］:

式中，T为被抽物料的温度，℉。

将上述气体的流量相加，即得真空容器的总抽气量(当量空气):

在此，应特别注意单位的换算和公式及图表要求的单位对应关系。

3 真空管道的流导

在选择真空泵时，除真空容器被抽气量外，另一重要参数为真空泵的抽气压力，其大小决定着系统的真空度。真空泵入口的压力应根据工艺容器的真空度要求和真空容器与真空泵之间管道的压力降来确定。为使真空管道的压力降在允许的范围内，必须核算管道的管径。此处采用真空管道流导来核算管径，现以图1中真空容器出口(1点)与真空泵入口(2)之间的管道为例计算。

3.1 定义［1，4，5］

抽气速率S1是指单位时间内真空泵在其入口压力下从系统中抽走的气体体积，其计算式如下:

式中，S2为真空系统2点处抽气速率，L/s;P2为真空系统2点处的压力，mmHg;T为被抽气体的温度，K;M为被抽气体的平均分子量。

真空泵的气体流量Q为入口抽气速率与入口压力之积。

真空系统某点的抽气速率与气体流量的关系［1］:

式中，Q为气体流量，mmHg L/s;S1为真空系统1点处抽气速率，L/s;P1为真空系统1点处的压力，mmHg。

真空系统两点间的气体流量:

式中，C为真空系统1点与2点间管道流导，L/s; ΔP为1点与2点之间管道压力降，mmHg。

上式即是真空系统管道流导的定义式，表示真空系统中气体沿相应管段的流通能力，是确定管道阻力降满足要求的重要参数。

3.2 计算

3.2.1 气流的基本状态

在真空系统管路中的气流可分为3种基本流动状态，见表3。

表3 流型的划分方法及判断

对常温下的空气(其它气体也大致可用):

式中，1为气体分子平均自由程，mm;r为管道半径，mm;P为气体压力，mmHg。

化工生产中，真空操作时，绝对压力一般＞10－3mmHg，故气流流型基本为粘滞流。

3.2.2 计算

(1)粘滞流流导用泊肃叶(Poiseuille)公式:

对于20℃的空气:

(2)分子流流导用克鲁曾公式:

对于20℃空气:

(3)过渡流流导用从泊肃叶公式推导出简式为:

对20℃的空气:

式中，Cv为粘滞流流导，L/s;Cva为20℃空气粘滞流流导，L/s;Cm为分子流流导，L/s;Cma为20℃空气分子流流导，L/s;Ci为过渡流流导，L/ s;Cia为20℃空气过渡流流导，L/s;T为绝对温度，K;M为分子量;Pa为平均压力，mmHg;Μ为粘度，cP;D为管内径，mm;L为管长，m;α为克劳辛(Clausing)系数，其值见表4(D为管内径，m;L为管长，m);Z为校正系数，是克鲁曾数l/r的函数，其值见表5。

管件及阀门流导用其当量长度进行计算。

如真空容器与真空泵之间多根管道串联，其管道流导:

表4 克劳辛系数α值

表5 克鲁曾数的校正系数

并联管道流导:

在进行流导的计算时，主要是确定系统的压力降要满足工艺要求。而与压力降密切相关的则是此段管道的管径，因此，在计算过程中，首先确定此段管道允许的压力降ΔP，通过式Q=ΔP× C得到管道的最小允许流导C值。然后假定此管段的管径d，判断流型、计算流导Cv，如Cv≥C，则管径合适，如Cv＜C，则管径不满足压降要求，需重新选择计算，直到满足要求为止。

4 实际应用

现以四川天华GBL系列产品项目的2－PY产品塔塔顶真空系统的设计为例，说明计算过程。

该系统要求塔顶冷凝器操作条件为120℃，15 mmHg，要求冷凝器到真空泵入口的压力降小于5 mmHg，冷凝器中的液相物料含量为98wt%2－PY，2.0wt%轻组分，2－PY分子量为85，轻组分分子量为30，换算为摩尔质量含量为2－PY: 94.5%，轻组分:5.5%。120℃时，2－PY和轻组分的饱和蒸气压分别为10.13 mmHg和5 mmHg。

4.1 空气泄漏量

真空容器包括2－PY产品塔、塔顶冷凝器及管道等，计算其全部容积V为1737 ft3，因其压力为15 mmHg，根据表1，k值取0.0825，由经验式得空气泄漏量W空气为11.92lb/h(5.4 kg/h)，与查图法结果一致，为保守计算，系统的空气泄漏量以计算值的2.0倍计。

4.2 被抽物料量

系统中被抽物料量包括2－PY、轻组分和泄漏的空气量。

(1)计算2－PY和轻组分在被抽物料中的分压:

2－PY的分压: