化工及原料药生产中的真空系统计算

2020-05-09董永广河北冀衡集团药业有限公司河北衡水053000

化工管理 2020年12期

董永广（河北冀衡(集团)药业有限公司，河北衡水053000）

在化工及原料药生产过程中，例如精馏、过滤还有干燥以及脱水等均需要用到真空系统。想要满足真空系统所需要的真空程度就需要借助真空泵来完成。由于多种因素均会对真空系统的真空度产生影响，所以在真空系统计算时，必须要全面的对各类影响因素做考虑，进而保证系统设计有着相对出色的可靠性。

1 真空系统计算

1.1 流动状态的判断

当处于真空状态时，气体在管道中的流动实际上应当被称作稀薄气体的流动。通常情况下，气流通过真空系统的管路时的流动状态主要有以下五种，首先是湍流（亦可被称作紊流以及涡流等）；其次是湍-粘滞流；再次是粘滞-分子流；最后是粘滞流（又被称之为层流、粘性流还有泊稷叶流）以及分子流（又可称之为自由分子流和克努森流）。上述五种流动状态里，湍-粘滞流实际上是湍流过渡到粘滞流的一个特殊环节，而同样的粘滞-分子流也是粘滞流过渡到分子流的一个特殊阶段。

大多数情况下都是针对粘滞流和粘滞-分子流以及分子流三大类流动状态中管道对于气体的流导进行详细的分析与研究。实际上由于管道内气体流动的状态存在差异，因此管道流导也具有一定的区别，即管道不只是通过自身的尺寸以及几何形状来限制气体的流导，而且还包括管道里流动气体实际的类型与温度等因素，甚至对于某些流动状态来说，还受到管道内气体平均压力影响。所以，在对管道内气体流导展开计算时，一定要先明确管道内部存在的气流属于何种流动状态。实际的估算方法见下表1。

表1.真空系统中流体流动的状态

中间流粘性流0．0197 Pa·m＜pD＜0．658 Pa·m pD＞0．658Pa·m

P即压力Pa；D为管道的公称直径m。

在真空系统计算里也可以对分子流以及粘滞流进行粗略的判定，一般情况下将高真空（即处在10-1Pa 到10-5Pa 范围内）管路中的流动称作分子流，而将中真空（也就是范围处在102Pa到10-1Pa）以及低真空（105Pa～102Pa 范围内的）管道里的流动定义成粘滞流。

1.2 对流导U进行的计算

在真空系统之中，管道与阀门以及冷凝器均是真空系统重要的组成部分，而且还在一定程度上阻碍着气体流动，反之亦可说这些组件都具有着导通气体流动的能力，而这样的能力则被称作流导。一般情况下，流导大小表明了管路两侧压强的差值P1～P2在一定条件之下通过管路气流量的实际体积。众所周知，自然状态下，气体流动的趋势总是由高压处向低压处流动，假设两侧压力是P1与P2，且流过的总气体量是Q，那么流导的定义就是由该式可以发现，假如压差P1～P2是一个定值时，U值相对较大，也就意味着此时通过管路元件内部的气流量Q也比较大；反之越小。所以对于真空系统中的管路元件来说，不论是阀门还是管道亦或者是冷凝管，都需要尽可能使它的实际流导值大一点，进而确保气流能够顺利的流通。想要真正实现这个目标，对真空系统进行设计计算时，就必须要计算管路元件还有其中的某一小段流导。

1.3 对真空泵有效的抽速进行计算

按照工艺实际需要的工作的压力Ps，操作的温度Ts，来计算得到真空泵有效的抽速是在该式子中的M指的是抽出气体平均的分子量，单位是kg/kmol；而R 则表示通用的气体常数，一般R 为8.31KJ/(Kmol·K)。而且总的抽气量Q主要分成了三大部分，首先是Q1，它指的是在真空系统实际工作时产生的绝大部分的气体量；而Q2以及Q3代表的则是放气量和泄露量；除此之外还有已经完全溶解与工艺液体中的不凝性气体Q4。对于Q1来说，它是在工艺生产的环节中所产生的，所以这些气体会受到系统操作时平衡蒸汽分压产生的影响。

1.4 真空泵实际的抽速

借助有效抽速S与真空泵还有真空室间的连接管道流导U可以确定真空泵抽速Sp，通过流导串联的公式可得

的抽速进行考虑之外，还一定要按照真空泵实际的特点来做适当修正。

2 真空系统计算实例

一真空容器的气相出口的压力是1000Pa，它操作的温度是50℃，且管道还有关键当量长度是40 米，总的密封面长度是30米，内部气体平均的分子量为40，真空泵修正系数即K为1.05，总容积为10m3，求真空泵进口的抽速以及极限压力还有大概多要花费多长的时间才可以达到真空。

在解决此类问题时，首先要对气体的流型进行判定，由于pD=1000*0.1=100＞0.658Pa·m，所以该气体应该为黏性流；然后求解它的平均压差，由于P1=1000Pa，假定P2=0.9P1，则P2=900Pa；所以平均压差`p=900Pa；再次对流导U 进行求解，U==5.6㎡/s;然后再求出抽速以及实际的抽速S与Sp，同时修正实际的抽速Sp，进而得到进口极限的压力即所以需要t=2.3K的时间才可以达到真空。表2就是抽气时间修正系数。