丁二醇蒸汽噴射真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(北京航天動(dòng)力研究所,北京 100076)

0 引言

真空系統(tǒng)作為PBT生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其壓力(真空度)對(duì)縮聚反應(yīng)起著十分重要的作用，真空度過(guò)低，不能有效脫除反應(yīng)生成的副產(chǎn)物；真空度過(guò)高，易將尚未反應(yīng)完全的小分子聚合物抽出反應(yīng)器，影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。通常情況下，預(yù)縮聚反應(yīng)器中的壓力控制在1.5 kPa(絕對(duì)壓力)左右，終縮聚反應(yīng)器中的壓力控制在100 Pa(絕對(duì)壓力)左右。

丁二醇蒸汽噴射真空系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng))在提供反應(yīng)器所需真空度方面相對(duì)于機(jī)械真空泵而言具有無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)件維護(hù)、抽氣量大、抽吸介質(zhì)適用范圍廣、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、維修工作量小、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；相對(duì)于水蒸氣噴射泵來(lái)說(shuō)具有環(huán)境污染小、動(dòng)力蒸汽可循環(huán)利用等優(yōu)勢(shì)[1-2]。許多學(xué)者對(duì)噴射器進(jìn)行了數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[3-7]，黨睿等對(duì)蒸汽噴射壓縮器參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)[8]，李海軍對(duì)噴射器的性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究[9]，康惠寶等對(duì)傘板式冷凝器進(jìn)行了詳細(xì)研究[10]。目前尚缺乏對(duì)丁二醇真空系統(tǒng)工藝流程特點(diǎn)、真空系統(tǒng)中特型型面拉法爾噴嘴的流動(dòng)特性以及采用傘板結(jié)構(gòu)冷凝器的相關(guān)研究，且真空系統(tǒng)中均未考慮預(yù)縮聚反應(yīng)器的真空度。

本文所述的BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)同時(shí)考慮了終縮聚以及預(yù)縮聚反應(yīng)器的真空度、并且優(yōu)化了各級(jí)引射器的壓縮比、采用了特型型面噴嘴設(shè)計(jì)方案以及傘板結(jié)構(gòu)的冷凝器，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，使用安全穩(wěn)定, 能夠有效控制和調(diào)節(jié)反應(yīng)所需的真空度，并且運(yùn)行狀態(tài)良好，滿(mǎn)足工藝要求?，F(xiàn)已成功應(yīng)用在多套PBT裝置上，且順利達(dá)到產(chǎn)能。

1 BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)的工藝流程及特點(diǎn)

圖1為BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)布置示意圖，終縮聚反應(yīng)器中的氣體經(jīng)過(guò)刮板冷凝器噴淋后經(jīng)過(guò)一級(jí)引射器進(jìn)入到一級(jí)冷凝器噴淋冷凝后，不凝性氣體經(jīng)二級(jí)引射器進(jìn)入到二級(jí)冷凝器；預(yù)縮聚反應(yīng)器中的氣體經(jīng)過(guò)二B級(jí)引射器后也進(jìn)入二級(jí)冷凝器。二級(jí)冷凝器中的不凝性氣體被三級(jí)引射器抽出進(jìn)入到三級(jí)冷凝器，最終混合氣體由四級(jí)引射器抽出進(jìn)入到液環(huán)泵。在各級(jí)冷凝器中冷凝下來(lái)的液體均進(jìn)入液封槽。各級(jí)冷凝器的下部與上一級(jí)引射器出口連通、上部與下一級(jí)引射器的吸入口連通。通常根據(jù)刮板冷凝器的位置將一級(jí)引射器設(shè)計(jì)成臥式，二級(jí)、二B級(jí)、三級(jí)、四級(jí)引射器設(shè)計(jì)成立式，一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)冷卻器設(shè)計(jì)成立式，可據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件調(diào)整一級(jí)引射器與一級(jí)冷凝器之間的角度。

圖1 BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)布置示意圖N1-終縮聚物流入口；N2-預(yù)縮聚物流入口;1-一級(jí)引射器；2-二級(jí)引射器；3-二B級(jí)引射器；4-三級(jí)引射器；5-四級(jí)引射器；6-一級(jí)冷凝器；7-二級(jí)冷凝器;8-三級(jí)冷凝器

相比于三級(jí)引射器與三級(jí)冷凝器串聯(lián)方案，本套系統(tǒng)采用四級(jí)引射器與三級(jí)冷凝器串聯(lián)的方案將獲得更高的真空度和壓縮壓力，并避免了引射器壓縮比過(guò)大，真空系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的問(wèn)題。各級(jí)冷凝器利用冷凝液把可冷凝的蒸汽——特別是上一級(jí)作為動(dòng)力蒸汽的部分冷凝下來(lái)，這樣就可以使下一級(jí)引射器所抽吸的氣體主要為不可冷凝的部分，降低了BDO蒸汽的消耗量，從而達(dá)到了減少能耗的目的。

2 BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)的主要設(shè)備及設(shè)計(jì)

引射器作為BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其工作原理為：高壓的工作介質(zhì)經(jīng)過(guò)拉法爾噴嘴后形成高速低壓的流體，抽吸進(jìn)入接受室中低壓的引射介質(zhì)，二者在混合室中充分混合并進(jìn)行能量交換后以一定的壓力噴出。在對(duì)引射介質(zhì)引射增壓的過(guò)程中只消耗工作介質(zhì)的能量，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，且易于維修、操作方便，在化工領(lǐng)域中得到了非常廣泛的應(yīng)用。本套系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化壓縮比設(shè)計(jì)每一級(jí)引射器，以達(dá)到降低動(dòng)力蒸汽消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

表1噴嘴模擬所用條件

流動(dòng)介質(zhì)入口壓力/kPa入口溫度/℃出口壓力/Pa出口溫度/℃丁二醇5520310050

在表1所示噴嘴邊界條件下，分別對(duì)引射器噴嘴采用特型型面和錐形噴嘴的方案進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果如圖2所示。模型為 2D 軸對(duì)稱(chēng)，求解器為基于密度的隱式求解，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon，密度采用ideal-gas，入口采用壓力入口條件，出口采用壓力出口條件，固體壁面采用不可滲透、無(wú)滑移絕熱邊界。圖2中兩種方案噴嘴的喉道截面、出口截面尺寸一定，但由于設(shè)計(jì)方案不同，錐形噴嘴的長(zhǎng)度是特型型面噴嘴的兩倍，且特型型面噴嘴出口流速比錐形噴嘴更加均勻，出口參數(shù)能夠更好的滿(mǎn)足引射器的技術(shù)要求。表2為設(shè)計(jì)和模擬噴嘴出口最大馬赫數(shù)，其中特型型面噴嘴所能達(dá)到的最大馬赫數(shù)高于錐形噴嘴3.7%，更加接近于理論數(shù)值，特型型面噴嘴不但減少了接受室的長(zhǎng)度，而且相比于傳統(tǒng)的錐形噴嘴有效的減少了能量損失。

圖2 特型型面噴嘴與錐形噴嘴比較圖

表2噴嘴出口最大馬赫數(shù)

理論值特型型面噴嘴模擬值錐形噴嘴模擬值出口最大馬赫數(shù)3.813.623.49

預(yù)、終縮聚反應(yīng)器生成的副產(chǎn)物的主要成分均為BDO，在整個(gè)真空系統(tǒng)BDO可形成封閉循環(huán)形式，避免對(duì)環(huán)境造成污染。為了防止BDO蒸汽液化及可能攜帶的低聚物凝固，影響引射器的使用性能，每一級(jí)引射器筒體和噴嘴均設(shè)有保溫夾套，內(nèi)部為高溫液相或者氣相熱媒。夾套設(shè)計(jì)有利于提高引射器的連續(xù)使用時(shí)間，降低維修頻率，減少維修成本，使PBT裝置能夠更長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了整套裝置穩(wěn)定性。

冷凝器為真空系統(tǒng)又一關(guān)鍵設(shè)備，本系統(tǒng)中采用工業(yè)中廣泛應(yīng)用的噴淋+傘板方式，冷凝器的圓柱型塔體內(nèi)設(shè)有分布傘板，低壓混合氣體由冷凝器下端進(jìn)入，沿塔向上運(yùn)動(dòng)，而低溫BDO液體從上端噴嘴流出，落到傘板上，形成的水幕能夠有效地捕集副產(chǎn)物，最大限度地將捕集氣相中的低聚物。該結(jié)構(gòu)屬直接接觸傳遞式設(shè)備，相比于液柱式冷凝器更能增加BDO氣相與液相的接觸面積，具有噴淋效果好，冷卻效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適用于低壓和真空操作。

3 BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)的工程應(yīng)用

真空系統(tǒng)投入運(yùn)行后，現(xiàn)場(chǎng)收集了滿(mǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)。表3為本系統(tǒng)各級(jí)引射器設(shè)計(jì)壓縮比以及采用錐形噴嘴和特型型面噴嘴單位產(chǎn)能動(dòng)力蒸汽的消耗量，從表中可以看出：隨著壓縮比的降低，動(dòng)力蒸汽用量逐漸減少；各級(jí)引射器采用特型型面方案設(shè)計(jì)的能耗均小于錐形噴嘴的能耗，錐形噴嘴動(dòng)力蒸汽總用量為737.5 kg·h-1·t-1，特型型面噴嘴總用量為689.75 kg·h-1·t-1，相比于錐形噴嘴減少了6.5%，節(jié)約了動(dòng)力蒸汽的用量。該真空系統(tǒng)最終壓縮比為193，系統(tǒng)排出口壓力完全滿(mǎn)足液環(huán)泵的要求。

表3引射器壓縮比與動(dòng)力蒸汽流量

壓縮比錐形噴嘴/kg·h-1·t-1特型型面噴嘴/kg·h-1·t-1用量偏差/[%]一級(jí)引射器10 2152016.5二級(jí)引射器6183.31707.3三級(jí)引射器2.65180.8168.756.7四級(jí)引射器1.75108.3102.75.4二B級(jí)引射器2.55147.55

表4為該系統(tǒng)各級(jí)冷凝器采用液柱結(jié)構(gòu)和傘板結(jié)構(gòu)冷凝液用量對(duì)比，結(jié)合表3可知由于一級(jí)冷凝器需要冷凝的蒸汽較大，所以需要的冷卻介質(zhì)也較多，但是此種方案減少了下一級(jí)引射器的動(dòng)力蒸汽消耗，并由此減少了下一級(jí)引射器與冷凝器的設(shè)備尺寸，節(jié)約了成本。從表中可以看出，真空系統(tǒng)采取引射器串聯(lián)方案，達(dá)到了逐級(jí)升壓的目的，此種方案獲得了較高的真空度，滿(mǎn)足反應(yīng)器對(duì)壓力的需求。從單位產(chǎn)能消耗的冷凝液用量上可知，液柱結(jié)構(gòu)冷凝液用量為16 183 kg·h-1·t-1，傘板結(jié)構(gòu)用量為14 906 kg·h-1·t-1，單位產(chǎn)能消耗減少7.89%，結(jié)合表3動(dòng)力蒸汽減少6.5%，可以得出傘板結(jié)構(gòu)冷凝器冷凝液用量減少1.49%。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明采用傘板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的冷凝器結(jié)構(gòu)合理，滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行工藝條件，更加節(jié)能。

表4各級(jí)冷凝器排出口參數(shù)

壓力/kPa設(shè)計(jì)流量/kg·h-1·t-1實(shí)際流量/kg·h-1·t-1用量偏差/[%]一級(jí)冷凝器0.6611 66710 7507.8二級(jí)冷凝器2.73 3343 0069.8三級(jí)冷凝器3.51 1831 1502.8

該BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)投入運(yùn)行后極限真空能夠達(dá)到25 Pa左右，滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)終縮聚反應(yīng)器真空度達(dá)到87 Pa，運(yùn)行時(shí)根據(jù)負(fù)荷和現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)量情況，通過(guò)調(diào)節(jié)冷凝器BDO液體流量，同時(shí)對(duì)蒸汽流量加以調(diào)節(jié)可以很好的控制縮聚反應(yīng)所需的真空度，調(diào)節(jié)靈敏、快速，滿(mǎn)足工藝要求。

4 結(jié)論

BDO蒸汽噴射真空系統(tǒng)采用四級(jí)引射器與三級(jí)冷凝器串聯(lián)的方案，動(dòng)力蒸汽和冷凝液為同一種介質(zhì)，整套系統(tǒng)形成封閉循環(huán)，降低了過(guò)程能耗損失，避免了排污對(duì)環(huán)境造成的污染。引射器采用特型型面方案設(shè)計(jì)的拉法爾噴嘴比錐形噴嘴節(jié)約動(dòng)力蒸汽6.5%；冷凝器能夠捕集大部分可凝氣體，采用傘板結(jié)構(gòu)比液柱結(jié)構(gòu)節(jié)約冷凝液1.49%。作為PBT生產(chǎn)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，本套真空系統(tǒng)能夠提供反應(yīng)所需的真空度，調(diào)節(jié)靈敏，保證了PBT裝置穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。