水噴射真空泵節(jié)水降耗、減排環(huán)保的技改研究

汪和寶

（南明化工有限公司，浙江麗水 323000）

1 水噴射真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理

水噴射真空泵廣泛應(yīng)用于化工制藥、紡織、食品、冶金、環(huán)保等行業(yè)的真空吸收、真空結(jié)晶、真空濃縮等工藝。我公司是一家生產(chǎn)醫(yī)藥中間體的化工企業(yè)，現(xiàn)擁有水噴射真空泵共18臺(tái)，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 臥式水噴射真空泵成套機(jī)組示意圖（技改前）

其工作原理：由補(bǔ)水口11向水箱8進(jìn)工業(yè)自來(lái)水，水滿(mǎn)后經(jīng)溢流排污口7流入污水處理池→開(kāi)啟耐腐蝕泵3→泵出水經(jīng)過(guò)水噴射真空泵9形成負(fù)壓抽力→真空系統(tǒng)氣體經(jīng)進(jìn)氣閥6、進(jìn)入緩沖罐2、止回閥1隨噴射水流進(jìn)入水箱上部空間→工藝氣體進(jìn)入尾氣吸收系統(tǒng)。

必要時(shí)，水噴射真空泵還可以與其它形式的真空泵（如：羅茨泵、蒸汽噴泵）串聯(lián)使用。因此它既可以單獨(dú)使用，在任意入口壓強(qiáng)下工作，如真空包裝、真空吸引，也可以作為羅茨泵機(jī)組的前級(jí)泵。在制藥行業(yè)中，水噴射真空泵特別適用于抽除含有大量水蒸汽和帶有一定腐蝕性和可凝性氣體的工藝過(guò)程，如真空蒸餾、蒸發(fā)、脫水、結(jié)晶、干燥等工藝過(guò)程。

水噴射真空泵各部件材質(zhì)均采用耐腐蝕的增強(qiáng)聚丙烯，該泵具有耐蝕、無(wú)毒、結(jié)構(gòu)合理、安裝方便、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，因此被化工行業(yè)廣泛采用。

2 原水噴射真空泵存在的問(wèn)題

1）水消耗量太大。泵運(yùn)行時(shí)水箱內(nèi)水溫持續(xù)上升,須向水箱連續(xù)補(bǔ)充自來(lái)水加以冷卻，因此運(yùn)行成本高。

水噴射真空泵運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的熱量及真空系統(tǒng)中工藝氣體帶入的熱量，會(huì)使水箱內(nèi)循環(huán)水溫不斷升高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：水箱注滿(mǎn)水后如不再補(bǔ)給自來(lái)水，當(dāng)真空泵運(yùn)行1 h，水溫會(huì)由室溫34℃升至40℃。當(dāng)水溫升至45℃時(shí)，真空機(jī)組的后級(jí)、中級(jí)羅茨泵會(huì)因負(fù)荷過(guò)載而停機(jī)，見(jiàn)圖2。

圖2 KPN蒸餾工段水噴射泵箱內(nèi)無(wú)補(bǔ)水時(shí)溫升曲線(xiàn)圖

由此可見(jiàn)，要使真空泵機(jī)組正常運(yùn)行，須控制箱內(nèi)水溫≤40℃。不斷補(bǔ)水是降低箱內(nèi)水溫的原始辦法。尤其是夏季氣溫較高（T氣溫≥36℃），所需補(bǔ)水量更大，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算：補(bǔ)水口管徑25 mm，水壓0.25MPa，水的流速為2 m/s，補(bǔ)水量為 Q=（0.025/2）2×3.14×2×3600×1=3.53 t/h。

目前我公司有18臺(tái)水噴射泵在線(xiàn)運(yùn)行，其工作時(shí)間平均按300 d/a、20 h/d計(jì)，則18臺(tái)泵每年消耗工業(yè)自來(lái)水為38萬(wàn)1240 t。工業(yè)自來(lái)水價(jià)格按2.75元/t計(jì)，則水消耗費(fèi)用為104.84萬(wàn)元/a。

2）污水處理費(fèi)用高。真空系統(tǒng)氣體中含有大量腐蝕性及可凝性有機(jī)氣體，當(dāng)其溶入補(bǔ)充水中后被排放，會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)污水（18臺(tái)泵每年產(chǎn)生38萬(wàn)多t污水），且水質(zhì)污染十分嚴(yán)重。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽樣檢測(cè)結(jié)果表明，其水質(zhì)的化學(xué)耗氧量（COD值）為15～18 g/L，大大超出本地區(qū)工業(yè)污水達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)（COD值≤500 mg/L）。

根據(jù)有關(guān)資料測(cè)算，COD值為（15～18 g/L的污水，經(jīng)中和、生化等處理，COD值降至≤500 mg/L以下達(dá)標(biāo)排放時(shí)，每噸污水的處理成本約為8～10元/t，則污水處理費(fèi)用為343.116萬(wàn)元/a。

3 技術(shù)改造措施

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

18臺(tái)水噴射真空泵每年耗水費(fèi)用為104.84萬(wàn)元/a，處理污水費(fèi)用為343.116萬(wàn)元/a，累計(jì)高達(dá)448萬(wàn)元。這對(duì)企業(yè)是一筆沉重的成本負(fù)擔(dān)，同時(shí)也浪費(fèi)寶貴的水資源。

為此，我們采取以下技術(shù)改造措施：水箱8內(nèi)安裝冷卻盤(pán)管12，材質(zhì)為聚丙烯+石墨復(fù)合管材，它具有良好的耐腐蝕和熱傳導(dǎo)性能。管內(nèi)通入工業(yè)循環(huán)水，通過(guò)盤(pán)管內(nèi)、外的傳熱交換，使箱內(nèi)水溫控制在40℃以下。冷卻盤(pán)管的規(guī)格為φ25×2，其傳熱面積為5 m2。技改后的結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 技改后水噴射真空泵成套機(jī)組示意圖

3.2 節(jié)水降耗

水箱內(nèi)安裝冷卻盤(pán)管后，盤(pán)管內(nèi)冷卻水可以循環(huán)使用，工業(yè)循環(huán)水由公用工程循環(huán)裝置供給，水的消耗忽略不計(jì)，而工業(yè)循環(huán)水的用量為2.5 t/h，則18臺(tái)泵每年使用工業(yè)循環(huán)水量為27萬(wàn)t。

公用工程循環(huán)水裝置運(yùn)行成本按0.15元/t計(jì)算，則年運(yùn)行成本為4.05萬(wàn)元。

3.3 污水減排，節(jié)約治理成本

冷卻盤(pán)管內(nèi)工業(yè)循環(huán)水將水箱內(nèi)的熱量帶出，但箱內(nèi)循環(huán)使用的污水仍需24h排放1次，每次排放量為1m3。實(shí)測(cè)污水COD值為29 g/L左右。

技改后工業(yè)污水年排放量300 t/a。對(duì)COD值為29 g/L的污水，其達(dá)標(biāo)排放的處理費(fèi)用按30元/t計(jì)，則技改后年污水處理費(fèi)用為9000元。

4 驗(yàn)算與評(píng)估

4.1 水噴射泵水箱內(nèi)冷卻盤(pán)管所需換熱面積驗(yàn)算

真空泵將真空系統(tǒng)氣體的熱量帶入水箱，箱內(nèi)水溫不斷升高，當(dāng)水溫≥45℃時(shí)，真空機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行。設(shè)置冷卻盤(pán)管是控制箱內(nèi)水溫的關(guān)鍵技術(shù)，而冷卻盤(pán)管換熱面積的大小，可通過(guò)對(duì)水箱系統(tǒng)進(jìn)行熱量平衡計(jì)算及傳熱基本方程式推導(dǎo)驗(yàn)證。

1）熱量平衡計(jì)算。

已知：盤(pán)管規(guī)格為 φ25×2，盤(pán)管材質(zhì)為“聚丙烯（PP）+石墨復(fù)合管”，盤(pán)管的傳熱面積A暫定為5 m2，熱量平衡示意圖如圖4。

圖4 KPN水沖泵水箱熱量平衡示意圖

根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖2），箱內(nèi)開(kāi)始水溫T1=34℃，1 h后升至T2=40℃，為使真空機(jī)組正常運(yùn)行，水箱溫度應(yīng)控制在40℃以下。

熱量衡算方程式為 Q1=Q2，Q2＝qmcPΔt。

式中：Q1為真空系統(tǒng)氣體帶入的熱量，kJ；Q2為冷卻盤(pán)管吸收的熱量，kJ；cP為水的比熱容，kJ/kg·K；qm為水量，kg/h；Δt為水溫變化量，℃。

水箱內(nèi)平均水溫 Tm=（T1＋T2）/2=（34+40）/2=37℃，在平均溫度Tm時(shí)水的比熱容為cP=4.174 kJ/（kg·K），水量qm=ρV＝ρ（V1－V2）＝1525 kg/h，吸熱 Q2=qmcPΔt=38192.1 kJ，即冷卻盤(pán)管需吸收（帶走）38192.1 kJ的熱量，可使箱內(nèi)水溫低于40℃。

傳熱基本方程式為Q＝KAΔtm，計(jì)算冷卻盤(pán)管傳熱面積A=5m2時(shí)能帶走的熱量Q。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工業(yè)循環(huán)水的進(jìn)水溫度t1=31℃，回水溫度升高到t2=36℃；盤(pán)管內(nèi)水流速為2 m/s。則傳質(zhì)推動(dòng)力Δtm：

2）傳熱系數(shù)K的計(jì)算。

管子規(guī)格為φ25×2.0，管子導(dǎo)熱系數(shù)為λ=15W/（m·K）。在定性溫度33℃時(shí)，水的比熱cP=4.174 kJ/（kg·K），黏度μ＝0.801×10－3Pa·s，密度 ρ=995.7 kg/m3，則有管內(nèi)冷卻水的給熱系數(shù)為：

水箱水對(duì)盤(pán)管的給熱系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為α1＝2500 W/（m2·K），忽略污垢熱阻，則有總傳熱系數(shù)為：

所以A=5m2的冷卻盤(pán)管可帶走熱量為：

比較 Q2=38192.1kJ、Q=55772.8 kJ，有：Q2

因此，我們擬定冷卻盤(pán)管的換熱面積為5 m2偏大，實(shí)際換熱面積為

然而，水噴射真空機(jī)組的用途十分廣泛，工況條件也不盡相同，綜合考慮影響熱量衡算及傳熱過(guò)程的多種因素，水箱內(nèi)設(shè)置傳熱面積A=5m2的冷卻盤(pán)管是必要、合理、可行的。

4.2 技改成果評(píng)估

水噴射真空泵設(shè)置冷卻盤(pán)管的技術(shù)改造，其項(xiàng)目投資僅為4000元/臺(tái)。現(xiàn)將18臺(tái)水噴射真空泵在技改前、后的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)列表，如表1所示。18臺(tái)泵技改前年運(yùn)行成本為723.33萬(wàn)元，技改后年運(yùn)行成本4.95萬(wàn)元，由于進(jìn)行技術(shù)改造，18臺(tái)水噴射真空泵每年可節(jié)省運(yùn)行成本718.38萬(wàn)元。

這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，不但大幅度降低了企業(yè)設(shè)備運(yùn)行的耗水成本，而且減少了工業(yè)污水排放量。既節(jié)約寶貴的水資源，也對(duì)保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境作出了積極的貢獻(xiàn)，將現(xiàn)有在用水噴射真空泵水箱增設(shè)冷卻盤(pán)管并加以技術(shù)改造，而采購(gòu)新泵時(shí)以此作為技術(shù)要件和供貨驗(yàn)收依據(jù)，其利國(guó)利民，意義深遠(yuǎn)，極具推廣價(jià)值。

表1 18臺(tái)水噴射真空泵技改前、后運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)匯總表

［1］陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理：上冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：171-222.