孫亞凱

(上?？圃蓟こ淘O(shè)計(jì)有限公司,上海 200124)

在化工生產(chǎn)裝置中,氣體輸送、真空過(guò)濾、減壓蒸餾、真空干燥、冷凍干燥、結(jié)晶、吸收、反應(yīng)、脫氣、除臭等操作中都可能用到真空系統(tǒng)。

為了選擇合適的真空系統(tǒng),首先需要進(jìn)行相應(yīng)的工藝計(jì)算,確定出配套的真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷,以用于后續(xù)真空管道尺寸和真空系統(tǒng)規(guī)模的確定。在化工設(shè)計(jì)手冊(cè)和相關(guān)書籍中雖然有真空系統(tǒng)工藝計(jì)算的部分介紹,但對(duì)于真空系統(tǒng)空氣漏入量的估算沒(méi)有全面的總結(jié),對(duì)于真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的影響因素也沒(méi)有詳細(xì)的說(shuō)明。本文結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例,對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)說(shuō)明和總結(jié)。

1 穩(wěn)定操作下真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷

真空操作需要使用真空泵或蒸汽噴射器持續(xù)抽除封閉系統(tǒng)中的各種氣體,來(lái)抵消空氣泄漏到系統(tǒng)中的趨勢(shì),使不凝氣從真空系統(tǒng)中連續(xù)清除,保持所需的系統(tǒng)壓力。我們把需要維持真空度的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的各種氣體的流量總和稱為真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷。這是確定真空系統(tǒng)大小的決定因素之一。

在穩(wěn)定操作條件下,進(jìn)入系統(tǒng)的不凝物負(fù)荷必須等于離開(kāi)系統(tǒng)的負(fù)荷。當(dāng)真空系統(tǒng)處理一種或多種揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)時(shí),離開(kāi)真空系統(tǒng)的不凝物將被VOC飽和。因此,真空系統(tǒng)保持所需的真空度的負(fù)荷有以下幾種:真空系統(tǒng)空氣漏入量,QL;不凝氣中夾帶飽和的揮發(fā)性工藝蒸汽量,QV;其他不凝氣量,QS。

1.1 真空系統(tǒng)空氣漏入量計(jì)算

確定空氣泄漏量的方法可以分為操作方法或經(jīng)驗(yàn)方法。在操作方法中,進(jìn)行實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試來(lái)估計(jì)進(jìn)入系統(tǒng)的空氣量。這一類中最準(zhǔn)確的方法之一是所謂的“跌落試驗(yàn)”方法。然而,對(duì)于現(xiàn)有工廠來(lái)說(shuō),執(zhí)行該測(cè)試并不總是可行的,因?yàn)闇y(cè)試往往會(huì)影響到正常生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)。另外,如果需要保持真空的系統(tǒng)體積比較大,在現(xiàn)場(chǎng)條件下也很難實(shí)現(xiàn)測(cè)試所需要的真空度。特別對(duì)于新建真空系統(tǒng),別無(wú)選擇,只能使用經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)空氣泄漏率。

工程上常用的估算泄漏量的方法主要有以下幾種:HEI經(jīng)驗(yàn)圖表法、公式計(jì)算法、系統(tǒng)組件的特定泄漏率法、GEA Wiegand經(jīng)驗(yàn)表格法。

1.1.1 HEI經(jīng)驗(yàn)圖表法[1]

熱交換研究所發(fā)布了一組用于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的空氣泄漏曲線,通過(guò)將空氣泄漏率與系統(tǒng)體積和系統(tǒng)操作壓力相關(guān)聯(lián)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,給出了商業(yè)密封系統(tǒng)的最大空氣泄漏值,如圖1所示。

圖1 HEI商業(yè)密封真空系統(tǒng)(無(wú)攪拌器)最大空氣泄漏量

該方法開(kāi)發(fā)于20世紀(jì)50年代,盡管其在當(dāng)今操作中的適用性仍有疑慮,但它仍然是初步確定真空系統(tǒng)漏氣率的主要工具。因?yàn)樗芎?jiǎn)單,并且只需要有限的數(shù)據(jù)就可以預(yù)測(cè)空氣泄漏率。

1.1.2 公式計(jì)算法

Gomez[2]給出了一個(gè)方程,該方程再現(xiàn)了由熱交換研究所的曲線所給出的空氣泄漏值,可用于編寫小程序加速計(jì)算,方便用戶使用。該公式如下:

m=A·VB

(1)

式中:m——最大空氣漏入量,單位kg/h(lb/h);

V——需要保持真空的系統(tǒng)總體積,單位m3(ft3);

A,B——空氣泄漏率計(jì)算系數(shù),不同壓力范圍取值如表1所列。

表1 真空系統(tǒng)漏氣量經(jīng)驗(yàn)公式常數(shù)A,B取值

在使用過(guò)程中,進(jìn)一步簡(jiǎn)化系數(shù)B,設(shè)計(jì)人員也常采用以下公式[3]:

(2)

式中:m——空氣漏入量,單位kg/h(lb/h);

V——需要保持真空的系統(tǒng)總體積,單位m3(ft3);

k——壓力常數(shù),取值如表2所列。

表2 真空系統(tǒng)漏氣量經(jīng)驗(yàn)公式常數(shù)k取值

在用上述公式時(shí),同樣未考慮攪拌器等的泄漏率。通常,對(duì)于每個(gè)普通密封的攪拌器,增加5 lb/h的空氣泄漏。使用特殊的真空機(jī)械密封可以將此量減少到1～2 lb/h。

1.1.3 系統(tǒng)組件的特定泄漏率法[3]

當(dāng)氣體通過(guò)一個(gè)小孔后的壓力降至低于一定數(shù)值(臨界壓力Pc),氣體通過(guò)小孔處的流速達(dá)到音速,不論如何降低出口壓力,只要小孔上游的壓力保持一定,流量將維持一定的數(shù)值而不再增加。因此,只要系統(tǒng)內(nèi)的壓力低于0.53倍大氣壓(約15 in汞柱絕對(duì)壓力),空氣就會(huì)以恒定的速率泄漏到系統(tǒng)中?？梢酝ㄟ^(guò)這一氣體臨界流動(dòng)的性質(zhì)預(yù)計(jì)空氣漏入真空度小于530 mbar的真空系統(tǒng)的流量。通過(guò)1 mm2的開(kāi)口,約0.83 kg/h的空氣流入真空裝置(真空度僅<530 mbar),與真空系統(tǒng)的體積無(wú)關(guān)。

真空設(shè)備的氣密性可能會(huì)有很大差異,這取決于設(shè)備是否主要是焊接的,或者是否有許多法蘭連接、視鏡、旋塞連接、閥門、填料密封、機(jī)械密封等。表3基于對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的經(jīng)驗(yàn),顯示了可能的空氣泄漏,單位為lb/h。泄漏速率取決于需要保持在真空下的設(shè)備的總體積以及設(shè)備和管道連接的類型。這種基于系統(tǒng)組件的特定泄漏率的預(yù)計(jì)方法,需要可能不容易獲得的特定設(shè)備細(xì)節(jié),但它提供了更現(xiàn)實(shí)的價(jià)值。

表3 基于工藝設(shè)備的連接、閥門、填料函等的空氣泄漏量估計(jì)

1.1.4 GEA Wiegand經(jīng)驗(yàn)表格法[4-5]

真空系統(tǒng)供應(yīng)商GEA Wiegand基于對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)提出了估計(jì)真空系統(tǒng)空氣漏入量的表格。如表4所示,它顯示了可能的空氣泄漏取決于需要保持真空的設(shè)備的總體積以及設(shè)備和管道連接的類型。

表4 進(jìn)入真空系統(tǒng)和設(shè)備的空氣泄漏的近似值

由于泄漏空氣的確定涉及對(duì)真空系統(tǒng)的大量知識(shí)和判斷,因此無(wú)法指望任何經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)確和正確的值。大多數(shù)工程設(shè)計(jì)人員和制造商都使用這里介紹的方法之一,同時(shí)考慮真空系統(tǒng)的基本類型、維護(hù)情況、生產(chǎn)人員的操作技術(shù)水平和其他相關(guān)因素。因此,對(duì)于密封情況良好、高效運(yùn)行的裝置,空氣泄漏率有時(shí)可能會(huì)降低到計(jì)算數(shù)據(jù)的0.5～0.75,而對(duì)于設(shè)備陳舊,運(yùn)行、管理松散的裝置,泄漏值可能會(huì)乘以2或3。真空系統(tǒng)的空氣泄漏率會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加。當(dāng)泄漏接近或超過(guò)系統(tǒng)容量時(shí),就無(wú)法達(dá)到所需的真空度,必須進(jìn)行維護(hù)。因此,在考慮空氣泄漏率的安全系數(shù)時(shí)也同時(shí)選擇了工廠的“維護(hù)級(jí)別”。工程上經(jīng)常采用1.5～2倍的計(jì)算值作為系統(tǒng)的空氣泄漏率。

1.2 工藝蒸汽量估算

工藝蒸汽是揮發(fā)性工藝有機(jī)物在不凝氣中的飽和蒸汽。不凝氣通常在工藝條件下會(huì)被工藝蒸汽所飽和,隨著不凝氣一起進(jìn)入真空系統(tǒng)。

對(duì)于完全不互溶物系,各組分的飽和蒸汽壓與單獨(dú)存在時(shí)一樣,汽相的總壓等于各物料純態(tài)飽和蒸汽壓之和。

對(duì)于理想溶液混合物,各組分的汽相分壓可以通過(guò)拉烏爾定律求得。一定溫度下,混合溶液溶劑的蒸汽壓等于純?nèi)軇┑恼羝麎撼艘匀芤褐腥軇┑奈镔|(zhì)的量分?jǐn)?shù),即 :

(3)

式中:PA——組分分壓,kPa;

xA——液體中組分物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),%。

以上簡(jiǎn)單物系的工藝蒸汽量可結(jié)合理想氣體道爾頓分壓定律估算[6]。

(4)

對(duì)于多種組分的混合物料,特別是偏離理想溶液的物料(例如含有部分相互溶解的組分,含大量可溶解氣體的物料等),以上估算可能偏差較大。如果需要較為準(zhǔn)確的工藝蒸汽含量,需要借助于模擬軟件,如pro II,ASPEN等輔助計(jì)算。

我們需要盡量減少進(jìn)入真空系統(tǒng)的可冷凝物,因?yàn)榭衫淠锎蟛糠质怯袃r(jià)值的產(chǎn)品,如果進(jìn)入真空系統(tǒng),就會(huì)作為廢物損失掉,也會(huì)增加空氣或水中污染物的排放,同時(shí)會(huì)增加所需真空系統(tǒng)的能力,造成真空系統(tǒng)過(guò)大。最大限度減少可冷凝性物料排放的常用方法是進(jìn)入真空系統(tǒng)前通過(guò)冷凝器盡量冷凝回收盡可能多的物料,減少不凝氣中飽和有機(jī)蒸汽夾帶。另外,由上式可以看出正確密封真空設(shè)備的重要性,即保持空氣泄漏盡可能低,從而使其飽和的有機(jī)蒸汽量盡可能小,以減小真空泵的所需的抽吸流量。

1.3 其他不凝氣體

工藝不凝氣主要是工藝反應(yīng)產(chǎn)生的不凝氣、溶解在系統(tǒng)中的不凝氣體、儀表的吹掃氣體以及其他引入系統(tǒng)中的惰性氣體等。

另外的不凝氣還有,抽容器內(nèi)一旦被抽空,暴露于真空下的各種材料構(gòu)件的表面把原來(lái)在大氣壓下所吸收和吸附的氣體解析出來(lái)而釋放的部分氣體;大氣通過(guò)容器壁結(jié)構(gòu)材料向真空室內(nèi)滲透的部分氣體。

一般而言,真空室內(nèi)放氣負(fù)荷僅在高真空區(qū)域和較高溫度下才會(huì)有明顯的影響,并且很難準(zhǔn)確計(jì)算。一般化工裝置中真空系統(tǒng)屬于中低真空,而且溫度不太高,因而在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下,常?？梢院雎?。在材料種類、溫度和氣體分壓強(qiáng)確定時(shí),滲透氣流量也是個(gè)微小的定值。其他儀表吹掃氣和溶解氣體,一般很小,可以忽略。只有反應(yīng)產(chǎn)生的不凝氣和引入系統(tǒng)的惰性氣體的量需要計(jì)入真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷中,它們由工藝物料平衡確定。

2 真空系統(tǒng)初始抽氣量

在裝置開(kāi)車時(shí),在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將系統(tǒng)從大氣壓力降低至工作壓力的過(guò)程稱為“初始抽氣”。因此抽氣初期(粗真空和低真空階段),系統(tǒng)內(nèi)的壓強(qiáng)較高,排氣量較大,對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)、加工制造良好的真空系統(tǒng),漏氣量是非常微小的,即使系統(tǒng)內(nèi)有些微小的漏氣和放氣,影響也不大,可以忽略。真空系統(tǒng)的氣體負(fù)荷主要是封閉空間中原有大氣。抽氣速率計(jì)算公式如下[6]:

(5)

式中:S——真空泵的抽氣速率,m3/s;

V——真空系統(tǒng)的容積,一般指真空系統(tǒng)的所有貯罐、管道及中間設(shè)備占有的空間體積,m3;

P1——抽氣開(kāi)始時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng),kPa;

P2——抽氣終了時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng),kPa;

t——將系統(tǒng)的壓強(qiáng)從P1降低P2到所需的抽空時(shí)間,s。

大部分情況下,真空系統(tǒng)的總氣體負(fù)荷由溫度運(yùn)行狀態(tài)下的氣體負(fù)荷決定,即Q總=QL+QV+QS。一般用穩(wěn)態(tài)操作的氣體負(fù)荷計(jì)算系統(tǒng)所需的初始抽氣時(shí)間,如果結(jié)果令人滿意或可以接受,真空系統(tǒng)就采用穩(wěn)態(tài)操作時(shí)的總負(fù)荷作為真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。但對(duì)于某些特殊情況(例如非常大的系統(tǒng)體積和極短的抽氣時(shí)間),就必須決定是增加穩(wěn)態(tài)真空系統(tǒng)的容量,還是安裝額外的真空發(fā)生器來(lái)單獨(dú)提供比較大的初始抽氣量。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某項(xiàng)目甲苯精餾塔真空系統(tǒng)為例,按照上述過(guò)程對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行核算,確定配套的真空系統(tǒng)能力。

該真空系統(tǒng)由甲苯精餾塔、塔頂冷凝器、塔底再沸器、側(cè)線進(jìn)料預(yù)熱器、連接的管道、閥門、儀表組成。塔頂壓力為30 kPa,溫度72.6 ℃,塔頂蒸汽流量為甲苯9 202.1 kg/h,水12.2 kg/h,氮?dú)?.9 kg/h。塔頂冷凝器出口壓力26.5 kPa,溫度40 ℃。甲苯和水的相對(duì)分子質(zhì)量分別為92和18 g/mol。40 ℃時(shí),它們的飽和蒸汽壓分別為7.828和7.336 kPa。

3.1 空氣泄漏率確定

通過(guò)計(jì)算,確定需要抽真空系統(tǒng)的設(shè)備,管道的總的體積V約為26.3 m3(929 ft3),系統(tǒng)壓力為26.5 kPa(199 mm Hg)。由上面四種方法分別計(jì)算空氣泄漏率。

1)查圖1,在系統(tǒng)體積為929 ft3,壓力為199 mm Hg時(shí),對(duì)應(yīng)的空氣泄漏率約為19 lb/h,8.62 kg/h。

2)壓力199 mm Hg時(shí),公式(1)中A取0.943 0,B取0.663 0,計(jì)算出的泄漏率為8.24 kg/h;公式(2)k取0.194,計(jì)算出的泄漏率為8.38 kg/h。

3)按照組件計(jì)算系統(tǒng)空氣泄漏率,結(jié)果如表5所示。

表5 甲苯精餾系統(tǒng)組件數(shù)量及空氣泄漏率計(jì)算

4)根據(jù)GEA Wiegand經(jīng)驗(yàn)表格,內(nèi)插可得26.3 m3的真空系統(tǒng)的空氣泄漏率范圍為4.104～8.208 kg/h(表6)。

這幾種方法計(jì)算出的空氣泄漏率比較接近,最大的空氣泄漏率為8.62 kg/h,考慮1.5倍安全系數(shù),該系統(tǒng)空氣泄漏率取值為12.93 kg/h。

3.2 進(jìn)入真空泵總物料量確定

該系統(tǒng)中甲苯和水屬于完全不互溶的二元物系,各自的汽相的分壓等于它們?cè)?0 ℃時(shí)的飽和蒸汽壓。真空系統(tǒng)總壓力為26.5 kPa,減去40 ℃時(shí)甲苯和水的飽和蒸汽壓,為不凝氣的總的分壓26.5-7.828-7.336=11.336 kPa。該真空系統(tǒng)的不凝氣為塔系中原有的氮?dú)夂吐┤胂到y(tǒng)的空氣,分別為0.9,12.93 kg/h。由公式(3)和二者總壓為11.336 kPa,可以得到P空氣=10.574 kPa,P氮?dú)?0.762 kPa。

把空氣分壓和質(zhì)量流量代入公式(4),可得甲苯的質(zhì)量流量m甲苯=(7.828×92)×12.93÷(10.574×29)=30.37 kg/h,水蒸汽的質(zhì)量流量m水=(7.336×18)×12.93÷(10.574×29)=5.568 kg/h。該真空尾氣總量為49.768 kg/h。

利用PRO II(圖2)對(duì)塔頂尾氣加入漏入空氣量進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果如表7所示。Vacuum vapor氣體的各組成與利用公式計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)接近?？紤]到液相溶解有微量氣體,因而不凝氣量及其帶出的蒸汽量稍微小一些。

表7 冷凝器出口40 ℃時(shí)PRO II模擬數(shù)據(jù)

圖2 真空系統(tǒng)PRO II模型

如果冷凝塔出口溫度降到15 ℃時(shí),甲苯和水的飽和蒸汽壓分別為2.187和1.716 kPa。按照上述過(guò)程計(jì)算可得不凝氣帶出的飽和蒸汽量m甲苯=4.256 kg/h,m水= 0.653 kg/h,比40 ℃時(shí)有明顯下降。表8模擬數(shù)據(jù)也顯示這一趨勢(shì)。

表8 冷凝器出口15 ℃時(shí)PRO II模擬數(shù)據(jù)

為了減小配套真空系統(tǒng)的負(fù)荷,除了減少空氣漏入量之外,降低進(jìn)入真空系統(tǒng)的氣體溫度,從而降低工藝物料的飽和蒸汽壓,也能減少帶入飽和蒸汽的量。

3.3 核算抽氣時(shí)間

由以上尾氣組成可以計(jì)算出40 ℃時(shí)真空尾氣的平均密度為0.453 kg/m3,故S= 49.768÷0.453÷3 600 = 0.030 51 m3/s。代入公式(5),可得t=26.3×ln(101.325÷26.5)÷0.030 51=1 156.1 s ≈19.3 min。對(duì)于裝置開(kāi)車初始抽氣,這個(gè)抽氣時(shí)間合理?？梢杂蒙鲜?9.768 kg/h,即入口體積流量110 m3/h作為該真空系統(tǒng)需要的設(shè)計(jì)負(fù)荷。

4 結(jié)論

化工裝置真空系統(tǒng)中,空氣泄漏率很難準(zhǔn)確測(cè)量。本文介紹了工藝設(shè)計(jì)中常用的四種估算方法。根據(jù)已知真空系統(tǒng)不同的條件,可以選擇其中一種或幾種估算后,綜合考慮設(shè)備密封情況和工廠運(yùn)行管理狀況,取1.5～2.0的安全系數(shù)。

空氣泄漏率及進(jìn)入真空系統(tǒng)的工藝物料量的確定是確定真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的基礎(chǔ),結(jié)合真空系統(tǒng)初始抽氣時(shí)間要求,最終確定真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)負(fù)荷。進(jìn)入真空系統(tǒng)的工藝蒸汽的量取決于系統(tǒng)中原有不凝氣及漏入系統(tǒng)的空氣的帶出的飽和蒸汽的多少。減少工藝蒸汽夾帶量一是減少漏入真空系統(tǒng)的空氣量,二是降低進(jìn)入真空系統(tǒng)的工藝氣體的溫度。這些措施可以縮小所需真空系統(tǒng)尺寸、節(jié)省投資、節(jié)省公用工程消耗,同時(shí)也降低污染物排放量,減少有價(jià)值的產(chǎn)品浪費(fèi)。