多級(jí)蒸汽噴射器在真空系統(tǒng)上的應(yīng)用

曹明華

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

多級(jí)蒸汽噴射器在真空系統(tǒng)上的應(yīng)用

曹明華

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

蒸汽噴射器作為真空系統(tǒng)常用設(shè)備之一，具有操作簡(jiǎn)單、便于控制等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)工業(yè)中的多用戶真空系統(tǒng)，需采用多級(jí)蒸汽噴射器的應(yīng)用案例進(jìn)行闡述，著重對(duì)多級(jí)真空系統(tǒng)中的串、并聯(lián)工藝進(jìn)行比較，從操作的節(jié)能及設(shè)備投資上給出合理化的建議，并對(duì)相似真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

真空系統(tǒng)；蒸汽噴射器；串聯(lián)工藝；乙醇胺

在化工生產(chǎn)裝置中，真空系統(tǒng)的應(yīng)用很廣泛，尤其在真空蒸餾系統(tǒng)中的應(yīng)用。本文以乙醇胺裝置為應(yīng)用對(duì)象，對(duì)真空工藝系統(tǒng)的合理進(jìn)行闡述。乙醇胺精餾系統(tǒng)主要采用負(fù)壓蒸餾，乙醇胺裝置中有四臺(tái)真空操作的蒸餾塔，包括真空脫水塔(VDT塔)、一乙醇胺塔(MEA)、二乙醇胺塔(DEA塔)及三乙醇胺塔(TEA塔)。

1 真空工藝系統(tǒng)方案的選擇

真空泵的種類較多，化工中常用的有往復(fù)真空泵、液環(huán)真空泵和蒸汽噴射器。蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單、工作可靠、安裝維修方便、密封性好，適用于高溫、高壓、高真空、強(qiáng)腐蝕性、劇毒和放射性場(chǎng)合，如真空蒸發(fā)、真空干燥、真空制冷、真空蒸餾，還可提升酸、堿或含有磨料的懸浮液，也適于強(qiáng)輻射的特殊環(huán)境。

本文以蒸汽噴射器為例，對(duì)多用戶蒸汽噴射器串聯(lián)與并聯(lián)兩種操作工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，得出適合多用戶、多級(jí)蒸汽噴射器的合理操作工藝，為真空工藝系統(tǒng)方案的選擇提供參考價(jià)值。

2 蒸汽噴射器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

1-頭部腔室；2-動(dòng)力噴嘴；3-進(jìn)口椎體部分；4-喉口；5-擴(kuò)散器(其中3、4、5部分統(tǒng)稱為混合噴嘴)；P1-動(dòng)力蒸汽壓力；P0-吸入壓力；P3-排出壓力；N1-動(dòng)力蒸汽連接口；N2-吸入介質(zhì)連接口；N3-排出介質(zhì)連接口。

圖1 蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Fig.1 Schematic diagram of steam ejector

具有一定壓力的水蒸氣，高速通過動(dòng)力噴嘴時(shí)，壓力能轉(zhuǎn)變成速度能，將系統(tǒng)中的氣體吸入頭部腔室，氣體與工作蒸汽隨即混合，混合后的氣體以一定的速度進(jìn)入擴(kuò)散器，速度能又變成壓力能，減速增壓后排出，這一過程使與吸入口相連的系統(tǒng)形成一定的真空。

蒸汽噴射器的結(jié)構(gòu)如圖1。

3 真空系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件的選取

真空系統(tǒng)的工藝計(jì)算，一般涉及到溫度、壓力、被抽氣量、壓縮比等工藝參數(shù)，只有對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行充分、全面的考慮，才能選擇合適的蒸汽噴射器，才能確保設(shè)計(jì)的真空系統(tǒng)在裝置生產(chǎn)過程中正常穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.1.1 工作蒸汽壓力的選擇

蒸汽噴射器以蒸汽為驅(qū)動(dòng)力，其蒸汽壓力以最低蒸汽壓力為準(zhǔn)向下波動(dòng)幅度不宜過大，本項(xiàng)目中采用的蒸汽正常操作壓力為1.2 MPa，波動(dòng)范圍為1.0～1.4 MPa，設(shè)計(jì)方案中在蒸汽總管增加壓力調(diào)節(jié)閥，將正常工作壓力穩(wěn)定在1.0MPa，以保證真空系統(tǒng)操作的穩(wěn)定。

3.1.2 真空度

本項(xiàng)目共有四臺(tái)真空蒸餾塔，所需滿足的真空度工藝數(shù)據(jù)見表1。

表1 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件Table 1 Vacuum system design conditions

3.1.3 抽氣量的確定[1]

抽氣量是蒸汽噴射器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，主要是指空氣泄漏量與被抽出的工藝氣之和。

在抽真空過程中，不能保證系統(tǒng)完全密閉，總是有外界空氣泄漏入真空系統(tǒng)，漏入的外界空氣主要發(fā)生在塔設(shè)備、管道的連接處(如法蘭、閥門)、塔上人孔的密封處等地方，對(duì)任何真空系統(tǒng)都應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)以確定其空氣泄漏量，對(duì)新設(shè)計(jì)和不能進(jìn)行試驗(yàn)的場(chǎng)合采用估算。對(duì)于工業(yè)上嚴(yán)密系統(tǒng)的空氣泄漏量，常采用的經(jīng)驗(yàn)公式如下：

W空氣=0.21KV2/3

式中：W空氣為空氣泄漏量，kg/h；V為真空系統(tǒng)的容積，m3；K為壓力常數(shù)，取值見表2。

表2 K取值Table 2 K value

除采用上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算系統(tǒng)的空氣泄漏量外，也可以查經(jīng)驗(yàn)圖表，見E.E.路德維希編著的《化工裝置的工藝設(shè)計(jì)》[2]。

被抽出的工藝物料氣量是工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生于系統(tǒng)中的液體處于平衡狀態(tài)的物料蒸汽。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)抽氣量為2倍于上述計(jì)算的抽氣量。最終計(jì)算的四臺(tái)蒸餾塔的抽氣量數(shù)值見表1。

3.1.4 壓縮比[3]

蒸汽噴射器排出壓力P3與吸入壓力P0之比β成為壓縮比，即β= P3/P0。一般，經(jīng)濟(jì)壓縮比的范圍大致為β=1～6，最大β=8左右，壓縮比越大，工作蒸汽的消耗量越大，但噴射器的操作穩(wěn)定性越好。當(dāng)蒸汽噴射器的吸入壓力P0較低(即真空度較高)時(shí)，就需要采用多級(jí)噴射器串聯(lián)，噴射器的級(jí)數(shù)可根據(jù)最低吸入壓力而定。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于多級(jí)噴射器，需慎重選擇一個(gè)最合適的壓縮比分配方案。

3.2 蒸汽噴射器抽真空方案

本方案真空設(shè)備全部采用蒸汽噴射器，對(duì)四臺(tái)真空塔抽真空，方案分為多級(jí)真空噴射器串、并聯(lián)兩種方案。

3.2.1 串聯(lián)工藝

蒸汽噴射器串聯(lián)工藝流程如圖2。

1一級(jí)噴射器(EJ-101A)；2二級(jí)噴射器(EJ-102A)；3三級(jí)噴射器(EJ-103A)；4四級(jí)噴射器(EJ-104A)；5 VDT塔噴射器(EJ-105A)；6五級(jí)噴射器(EJ-106A)；7一級(jí)冷凝器(E-101A)；8二級(jí)冷凝器(E-102A)；9三級(jí)冷凝器(E-103A)。

圖2 工藝技術(shù)方案一(串聯(lián)工藝)

Fig.2 Process technology scheme1(series process)

本技術(shù)方案中采用了五級(jí)真空噴射器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在四臺(tái)真空塔進(jìn)噴射泵入口處均設(shè)置調(diào)節(jié)閥，控制塔系統(tǒng)真空度的穩(wěn)定，該方案中關(guān)閉四臺(tái)真空塔中的任何一個(gè)或多個(gè)，真空系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定運(yùn)行。其中前三級(jí)采用噴射器直接串聯(lián)，級(jí)間壓力分別對(duì)應(yīng)TEA塔、DEA塔及MEA塔的操作壓力，第四級(jí)并聯(lián)VDT塔用蒸汽噴射器。

3.2.2 并聯(lián)工藝

蒸汽噴射器并聯(lián)工藝流程如圖3。

1一級(jí)噴射器(EJ-101B)；2二級(jí)噴射器(EJ-102B)；3一級(jí)噴射器(EJ-103B)；4二級(jí)噴射器(EJ-104B)；5 MEA塔噴射器(EJ-105B)；6三級(jí)噴射器(EJ-106B)；7四級(jí)噴射器(EJ-107B)；8一級(jí)冷凝器(E-101B)；9二級(jí)冷凝器(E-102B)；10三級(jí)冷凝器(E-103B)。

圖3 工藝技術(shù)方案二(并聯(lián)工藝)

Fig.3 Process technology scheme2(parallel process)

本技術(shù)方案中，真空系統(tǒng)的4臺(tái)塔采用并聯(lián)的操作方式，其中TEA塔和DEA塔工藝要求的真空度較高，需采用兩級(jí)串聯(lián)的操作方式。MEA塔和VDT塔均采用一級(jí)噴射器的操作方式。該工藝方案同樣是采用在用戶進(jìn)蒸汽噴射器入口前設(shè)置調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.3 兩種技術(shù)方案的對(duì)比

表3 各級(jí)參數(shù)值(方案一)Table 3 The Parameter of every stage(scheme1)

表4 各級(jí)參數(shù)值(方案二)Table 4 The Parameter of every stage(scheme2)

首先，對(duì)兩種工藝技術(shù)方案各級(jí)噴射器的壓縮比進(jìn)行優(yōu)化選取，見表3和表4。工藝技術(shù)方案一(串聯(lián)工藝)中各級(jí)壓縮比數(shù)值在2.43～6.11之間，數(shù)據(jù)較為均勻；而工藝技術(shù)方案二(并聯(lián)工藝)中各級(jí)壓縮數(shù)值在2.43～13.69之間，壓縮比相對(duì)較大，雖然壓縮比大對(duì)真空系統(tǒng)的操作穩(wěn)定性有利，但較大的壓縮比消耗的蒸汽的量較大，產(chǎn)生的生產(chǎn)污水較多，增加了裝置的能耗。

其次，在設(shè)備投資及公用工程消耗上也做出了對(duì)比，具體數(shù)值見表5。通過表中數(shù)據(jù)可以看出串聯(lián)工藝無論在設(shè)備投資，還是在公用工程消耗上均優(yōu)于并聯(lián)工藝。

表5 兩種技術(shù)方案比較Table 5 Comparison of two technical schemes

通過以上對(duì)比，采用串聯(lián)工藝明顯優(yōu)于并聯(lián)，在乙醇胺裝置真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中優(yōu)先選取了串聯(lián)操作的工藝技術(shù)方案。

4 結(jié)論

采用蒸汽噴射器抽真空的方式，能長(zhǎng)期保證裝置可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，并且蒸汽噴射器裝置無易損部件，一般不需要維修，設(shè)備維修相對(duì)簡(jiǎn)單；運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低，比真空機(jī)組耗電少，且無潤(rùn)滑油消耗，動(dòng)力只需消耗較便宜的蒸汽及冷卻水。在蒸汽噴射器抽真空的裝置中，通過以上串-并聯(lián)兩種工藝的對(duì)比總結(jié)，在多用戶真空系統(tǒng)中，采用串聯(lián)的操作方式，無論在操作難易、設(shè)備投資以及節(jié)能降耗方面都體現(xiàn)出了較大的優(yōu)越性。

[1] Jams S R,Couper W Poy Penney,James R Fair,et al.Chemical process equipment[M].third edition:selection and design.USA:Butterworth-Heinemann, 2012:155.

[2] (美)E.E.路德維希.化工裝置的工藝設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1979:232.

[3]王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)第4卷工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:513.

(本文文獻(xiàn)格式：曹明華.多級(jí)蒸汽噴射器在真空系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].山東化工,2017,46(15):107-109.)

Application of Multi-stage Steam Ejector in Vacuum System

CaoMinghua

(Sinopec Ningbo Engineering Co.,Ltd Shanghai Branch, Shanghai 200030,China)

As one of the common equipment of vacuum system, steam ejector is widely used because of its simple operation and easy control. This paper will describe the application of multi-stage steam ejector in industry fields, focusing on the multi-stage vacuum system in series and parallel process, give reasonable suggestions from the operation of energy saving and equipment investment, to provide some reference for the similar design of the vacuum system.

vacuum system; steam ejector;series process;ethanolamine

2017-05-21

曹明華(1982—)，男，安徽碭山人，工程師，碩士，主要從事化工工藝管道專業(yè)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理工作。

TQ051.4

B

1008-021X(2017)15-0107-03