DMMP发生和实验系统设计

梁建东，王宏芝，张振华

（1.山西新华化工有限责任公司计量测试中心，山西 太原 030008；2.山西新华化工有限责任公司建筑工程公司，山西 太原 030008；3.山西新华化工有限责任公司过滤吸收器分厂，山西 太原 030008）

0 引 言

DMMP学名甲基磷酸二甲酯，是一种内添加型的阻燃剂，因分子结构与神经性毒剂沙林极为相似，且毒性很小，在防化领域内被用作沙林的模拟剂。美国军用滤器标准规定了4项指标，其中一项就是DMMP，用来代表滤器对神经性毒剂的吸附能力。因此，作为防化一级计量站，建立一套DMMP检测系统用于产品的评价是很有必要的[1]。

依据试验方法可知：DMMP的原始浓度和尾气浓度为一定的值，试验管道内温度为40℃±3℃，试验管道内相对湿度不大于40%RH，试验风量为200～600m3/h。该系统主要有进风除尘、空气除湿预热、DMMP发生、管路系统设计，系统的结构如图1所示。

1 系统总述

本系统采用传统的滤器测试方式：负压吸入式，因为太原地区的环境温度低于管道内的温度，管道存在热量散失，需要保温处理，一直到阀3的前端。该系统涉及到两种气体的混合，需求出混合气体的平均浓度ρm，以1 m3混合气体为基准，则ρm=1.21 kg/m3，要求管道内混合气体的流态为湍流，即最低雷诺数应大于12000[2]，经计算得：最小雷诺数为23 770，可知流态为湍流。过滤器测试方法要求管道平均流速不大于8m/s，选择管径为φ200mm，根据流量计算得：最大流速为5.31 m/s，最小流速为1.77m/s。

图1 系统结构简图

2 设计方法

2.1 发生器设计

发生器的设计包括结构设计和加热功率计算两部分。发生器选用结构比较简单的加热蒸发器，在蒸发器的顶端设置阶梯孔喷嘴。考虑到洁净空气与经加热蒸发出的DMMP混合，喷嘴的上方设置两路洁净空气汇合后改变流向，并带出从喷嘴喷出的DMMP蒸气。在两路洁净空气汇合处第一次混合、进行热交换，为了使混合与热交换快速高效，在两路空气进入发生器时的通道由通径为φ200 mm改变为长300 mm、宽50 mm的矩形截面，从而增加气流的湍动程度，在矩形截面内最大流速为5.56 m/s，最小流速为1.85m/s。热交换的过程中使部分DMMP蒸气的温度降低，出现冷凝，一少部分回流到发生器，大部分与空气混合在热交换后的温度下达到饱和状态时，则保持气态流进混合段再进行混合。发生器的结构如图2所示。

已知DMMP液体的正常沸点为181℃（1个大气压下），太原地区的平均大气压92.6kPa，该系统为负压操作，在发生器内约为-2.6kPa，即发生器内的大气压约为90kPa。依据液体蒸气压指数定律：

式中：p1——标况下的大气压，kPa；

p2——实际状况下的大气压，kPa；

T2——实际状况下的沸点，K；

T1——标况下的沸点，K；

R——摩尔气体常数8.31J/（K·mol）。

蒸发热的计算，经查阅资料知：DMMP的分子结构无氢键，属于正常液体，依据的关系式，式中的单位为 J/mol；Tb为液体的沸点，单位为 K，经计算知=39 852.12 J/mol，再将值代入蒸气压指数定律中，最后计算得：DMMP液体在该系统中的沸点为176℃。

图2 发生器结构简图

经加热蒸发进行分子传质的过程与拟稳态扩散过程极为相似，在此按照拟稳态扩散进行计算DMMP通过空气扩散的稳态扩散通量，其中DMMP分子扩散系数的大小可用马克斯韦尔-吉利兰公式进行估算：

式中：DAB——组分A在组分B中的分子扩散系数；

MA，MB——组分A和B的分子量；

P——总压，Pa；

此式中的分子体积可用克普加和法则作近视估算，其间共有两个组分：空气和DMMP蒸气，查阅手册知空气的分子体积为29.9 cm3/mol，DMMP蒸气则以组成元素的原子体积总和计算，得分子体积为131.2cm3/mol，最后计算得：5.27×10-6m2/s。实验前需加入液体DMMP 45kg，对应于发生器内的液面加到310mm高度，距离出口200mm。由

图3 系统热计算段简图

式中：NA——摩尔通量，kmol/m2s；

DAB——扩散系数；

P——总压，Pa；

R——气体常数；

T——温度，K；

Δz——扩散距离，m；

pBM——平均压力，Pa；

pA1——液面处DMMP的分压，Pa；

pA2——出口处DMMP的分压，Pa。

液面处在449 K下，DMMP蒸气接近饱和，故pA1=90 000 Pa，出口处DMMP蒸气分压很小，可视为零，可以计算出DMMP的摩尔通量和浓度分布方程。

设实验室中DMMP液体的温度为15℃，从生产厂家了解到该液体的实际纯度为99.5%，为了方便计算设纯度为100%。加入量为45 kg，加温时间为40 min，经查得DMMP液体的比热容为2.09J/（g·℃），即该液体由15℃升高到176℃时吸收的热量为显热，显热的加热功率经计算得6.85 kW，又知DMMP蒸发热为39 852.12 J/mol，而蒸发热为潜热，计算得0.28 kW。功率计算时需将显热和潜热全部计算在内，最后计算得所需的加热功率为7.13 kW，若加热效率以90%计，则发生器的加热功率为8kW。

2.2 管路热量损失计算

为保证试验管道温度为最低37℃，即保证在尾气浓度取样位置的混合气体温度不小于37℃。若发生器产生的DMMP蒸气以5mg/L计，对应600m3/h的风量时质量流量则为3kg/h，相当于在发生器出口端系统加入一部分热量。热计算段如图3所示。

由以上叙述和图3知，在阀3前端的混合气体温度最低应为37℃，系统风量为600m3/h，欲求除湿加热器出口端的温度，则需知道管路的热损失。而对应600 m3/h的风量DMMP的质量流量为3 kg/h液体的比热容为2.09 J/（g·℃），假设经发生器流出的DMMP与空气混合后温度由175℃降为43℃时，引入的热量约为232W。

对于管路的保温处理，该管路为1.5 mm厚的不锈钢管外面包覆20 mm厚的橡塑海绵，最外层为0.5mm厚的不锈钢管。其属于层对层之间接触良好的三层圆筒壁传导[6]，如图4所示。

图4 三层圆筒壁热传导简图

已知：r1=0.15 m，r2=0.151 5 m，r3=0.171 5 m，r4=0.172 m，t1=43℃，t2=43℃，t3=20℃，t4=20℃，橡塑海绵的导热系数不超过0.035W/（m·℃），不锈钢板的导热系数不超过45W/（m·℃），将已知条件代入：

式中：Q——每米管长的热损失，W/m；

r——管半径，m；

t——管内各层的温度，℃；

L——管长，m；

λ——导热系数，W/（m·℃）。

经计算得：该管路每米的热损失为40.8W/m。管道总长约为26 m（忽略阀门的局部散热和发生器带出的热量），则管道总热损失为1060.8W。管道中DMMP的含量很小，依空气的比热容1.005kJ/（kg·℃）考虑，在600m3/h风量下，流过26m管道气体损失的热量来考察温度的降幅，经计算得5.26℃，说明600m3/h时管道预热温度为43℃时可以满足实验要求。

2.3 管道阻力估算

该系统的阻力损失分为直管段阻力损失、局部阻力损失、管路其他件阻力损失3类。直管段的阻力计算采用公式进行计算：

式中：Δpf——阻力损失，Pa；

λ——摩擦系数，无量纲量。

而管道由1.5mm厚的不锈钢板卷制而成，则绝对粗糙度ε的值选0.2mm，相对粗糙度ε/d为0.001，由计算知：最小雷诺数为23770，最大雷诺数为71323，查“摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系”得：

式中：L——直管段长度，m；

d——管直径，m；

ρ——混合气体的密度，kg/m3；

u——混合气体的流速，m/s。

由此公式可以计算出直管段在最大风量和最小风量下的阻力损失。局部阻力损失计算一般采用阻力系数法，公式为

式中：Δpf′——阻力损失，Pa；

ζ——阻力系数，无量纲量，弯头、天圆地方、

突然缩小、突然扩大等部件对应的大小可查阅流体力学手册得到。

管路其他件阻力损失，如进风除尘器、实验滤器、尾气滤器可按出厂测定的阻力值的两倍计算，孔板流量计的阻力损失按厂家提供的数据计算。最后得到的总阻力应乘以1.2的系数作为最后的管道阻力损失值，选用风机时必须保证在对应的实验风量下，风压大于管道阻力损失值。

2.4 除湿量和预热加热量计算

按太原地区气候极端情况考虑，即冬天室内温度为15℃，相对湿度为30%；夏天室内温度为30℃，相对湿度为80%计算；选择春秋季的某阴雨天气如20℃，相对湿度为70%的情况，进行除湿量的计算。依除湿加热器出口温度43℃参与计算。

第一种情况：室内温度为15℃，相对湿度为30%，系统只需加热，不需除湿。已知空气的比热为1.005kJ/（kg·℃），空气密度为1.205kg/m3，最大风量为600m3/h，环境温度差为43℃-15℃=28℃，计算得加热功率为5.65kW。

第二种情况：室内温度为30℃，相对湿度为80%，系统又需加热，又需除湿。即求由相对湿度为80%降为40%的除湿量，查湿空气的H-I图知30℃，相对湿度80%的含湿量为0.024 kg/kg绝干气；30℃，相对湿度40%的含湿量为0.011kg/kg绝干气，系统风量,600m3/h，计算得：除湿量为600×1.205×（0.024-0.011）=9.4kg/h。又经计算得加热功率为2.63kW。

第三种情况：室内温度为20℃，相对湿度为80%，系统又需加热，又需除湿。即求由相对湿度为80%降为40%的除湿量，已知20℃，相对湿度80%的含湿量为0.013kg/kg绝干气；20℃，相对湿度40%的含湿量为0.005kg/kg绝干气，系统风量，600m3/h，计算得：除湿量为：600×1.205×（0.013-0.005）=5.8kg/h。又经计算得加热功率为4.65kW。

对应于除湿机的除湿量为10 kg/h所需功率12 kW，5kg/h所需功率6kW，得除湿加热机的总功率最大为13kW，再考虑除湿加热的效率和部分余量，则除湿加热机的总功率选为15kW，以满足极端状况下的除湿与预热的要求。

3 结束语

采用传统的负压吸入式来设计该实验系统，考虑混合气体的密度，依据实验要求的湍流，判断指定风量范围内的流态，选择合适的管径，设计发生器和确定了加热功率，用理论推导的办法计算出在太原地区和在该系统中DMMP的沸点，对管路的热量损失进行了推导计算，给出了管路及元件的阻力估算方法，最后计算了在极端环境条件下的除湿量和预热功率，为类似于DMMP实验系统的设计提供了理论依据和设计思路。

[1]元以栋.防化计量试验知识[M].国防科技工业防化一级计量站，山西新华化工有限责任公司，2012.

[2]天津大学化工原理教研室.化工原理[M].天津：天津科学技术出版社，1986.

[3]约翰 M·普劳斯尼茨.流体相平衡的分子热力学[M].北京：化学工业出版社，2006.

[4]王惠明.液体在其正常沸点下的蒸发热计算[J].化学世界，1993：78-81.

[5]刘萌戈，刘颖，周持兴.非极性有机物蒸发热与正常沸点的关联[J].山东化工，2005（6）：1-2.

[6]J.M.柯尔森，J.F.李嘉森.化工工程 卷I流体流动传热与传质[M].北京：化学工业出版社，1983.