水蒸汽噴射真空泵在農(nóng)藥生產(chǎn)中的應(yīng)用

朱海桃

(南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇 南通 226000)

在農(nóng)藥、化工生產(chǎn)過程中，許多操作需要用到真空條件。比如，減壓蒸發(fā)、減壓蒸餾、負(fù)壓提濃、脫水操作，以及物料輸送等單元操作。在使用了真空條件后，使得操作的速率加快，反應(yīng)的溫度降低，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)，節(jié)約了能源消耗，同時也給安全生產(chǎn)帶來了保障。

南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司酰胺類分廠在生產(chǎn)丁草胺、乙草胺過程中需要用到真空條件進(jìn)行脫溶操作。由于之前使用的是機(jī)械式真空泵組，存在軸封經(jīng)常性泄漏、噪聲大、電耗大、零部件損害多等問題，所以對其進(jìn)行了相應(yīng)的改造。使用了結(jié)構(gòu)相對簡單，運行可靠的水蒸汽噴射泵進(jìn)行抽真空操作，經(jīng)運行對比，可節(jié)約能源40%以上。

1 水蒸汽噴射泵的工作原理與特點

1.1 蒸汽噴射泵的工作原理

蒸氣流真空泵是一類用蒸氣流體作為抽氣媒介來獲得真空的裝置，包括蒸氣噴射泵、蒸氣擴(kuò)散泵、蒸氣增壓泵等。其原理均是基于高速運動的蒸氣流與被抽氣體進(jìn)行混合后進(jìn)行能量交換而達(dá)到抽氣的目的。

水蒸汽噴射泵工作原理見圖1。

圖1 水蒸汽噴射泵工作原理示意圖

工作蒸汽高速進(jìn)入噴射真空泵的噴嘴。由于噴嘴是一個截面積很小的圓形小孔，通過噴嘴后動力蒸汽產(chǎn)生絕熱膨脹。此時將位能(壓力能)轉(zhuǎn)化為動能(速度能)，高速射出，壓力下降，攜帶著被抽氣體進(jìn)入混合段。兩股氣體一邊進(jìn)行能量交換，一邊又逐漸被壓縮，逐步進(jìn)入到壓縮段。此時動能又轉(zhuǎn)化為位能，最后從擴(kuò)壓器中排出噴射器。[1]

1.2 水蒸汽噴射泵的特點

水蒸汽噴射泵工作范圍較寬(1×105Pa～10-2Pa)，抽氣量也很大(每小時能達(dá)到幾百千克)，使用介質(zhì)無嚴(yán)格要求，主要特點有：

1)無尺寸限制 (DN 8～DN 3500)；2)設(shè)計上無限制，真空度可達(dá)到 0.01 Pa；3)可以使用各種動力蒸汽；4)能處理吸入流中的污物；5)可根據(jù)物料特性采用各種材料制造；6)性能高，安全，低維護(hù)費用，壽命長。

1.3 水蒸汽噴射泵的結(jié)構(gòu)及分類

水蒸汽噴射泵由噴射泵、冷凝器、消音器等部分組成。根據(jù)噴嘴類型一般分為：單噴嘴噴射泵，多噴嘴噴射泵和可調(diào)節(jié)噴嘴噴射泵。其中，多噴嘴技術(shù)可以節(jié)約10%～20%的蒸汽消耗，多用于噴射器直徑和蒸汽消耗量較大的場合；可調(diào)節(jié)噴嘴噴射泵可以自動調(diào)整蒸汽量，其操作原理是氣力推動錐形軸(可軸向移動)移入或移出噴嘴以控制動力蒸汽的流量，用于吸入或排出壓力需要隨時發(fā)生改變工藝條件的場合。[2]

水蒸汽噴射泵在使用時還需配套相應(yīng)的冷凝器，一般按照結(jié)構(gòu)不同分為：大氣冷凝器和表面冷凝器。大氣冷凝器一般有分配盤式、孔板式和傘帽式三種，主要作用就是使冷卻水呈細(xì)柱狀或降膜狀分布，以增加熱交換面積。大氣冷凝器需要一定的安裝高度,通過液體自重排液,只能垂直安裝。如果低位安裝 (無大氣腿)則需要采用機(jī)械方式排液，一次性投資低，需要較少的冷卻水，可在較低的絕對壓力下操作，維護(hù)少、無須清洗，可使用各種材料制造，還可用作清洗器，但污染冷卻液。表面冷凝器的蒸汽與冷卻水分別在管子內(nèi)外,通過管壁進(jìn)行換熱，能夠回收尾氣中的冷凝液，安裝方式可以垂直或者水平，無需安裝大氣腿，設(shè)備投資相比大氣冷凝器稍大。

水蒸汽噴射泵使用時一般根據(jù)真空度的要求進(jìn)行串聯(lián)使用，級數(shù)越多，所達(dá)到的極限真空也越高。也可根據(jù)實際情況與水噴射泵、機(jī)械式噴射泵聯(lián)合使用。

2 江山公司農(nóng)藥脫溶系統(tǒng)真空改造方案

江山公司脫溶系統(tǒng)需要達(dá)到 600 Pa 的極限真空，尾氣排放為常壓，不凝氣為乙醇：(115 kg/h)，系統(tǒng)泄漏量 4.54 kg/h(按照HEI標(biāo)準(zhǔn)計)。根據(jù)此工藝條件，江山公司進(jìn)行了真空技術(shù)方案的改進(jìn)。

2.1 工作蒸汽壓力

蒸汽噴射器以蒸汽為驅(qū)動力，其蒸汽壓力越高，蒸汽與冷卻水量消耗就越少，但工作蒸汽壓力過高時，會引起膨脹增加，引起噴嘴損失，且蒸汽壓力越高，蒸汽產(chǎn)生的費用和設(shè)備投資相應(yīng)增大。結(jié)合江山公司實際的蒸汽壓力情況，最終選擇工作蒸汽壓力為0.6 MPa(表壓)，最低壓力不低于 0.55 MPa[3]。蒸汽壓力波動過大或者蒸汽壓力過低，均會對蒸汽噴射泵的抽氣能力產(chǎn)生比較大的影響，所以為了保持動力蒸汽的壓力穩(wěn)定，在蒸汽管道上增加了穩(wěn)壓閥門。

考慮到工作蒸汽干度的影響，工作蒸汽含水時會使泵的運行不穩(wěn)定，所以為了保證蒸汽干度，除了在蒸汽管道上進(jìn)行輸水，同時對蒸汽管路進(jìn)行有效保溫。另外，在進(jìn)入噴射泵前增加蒸汽包進(jìn)行二次分水，保證蒸汽的干度。[4]

2.2 真空度

本次改造需要達(dá)到的極限真空為 600 Pa，根據(jù)(表1)水蒸汽噴射泵級數(shù)與極限真空對比，選擇3級噴射泵進(jìn)行串聯(lián)使用。

表1 水蒸汽噴射泵級數(shù)與極限真空對比

2.3 冷卻水

冷凝器冷卻水的溫度越低，冷卻水用量就越少，真空效果也相應(yīng)較好。如果冷卻水的溫度升高，水蒸汽噴射泵的抽氣能力會下降，達(dá)不到工藝值，所以本次改造時選擇冷卻水溫度小于 25 ℃。

冷卻水的流量也是一個重要的指標(biāo)。流量不足，冷凝效果變差，真空度也會急劇的下降，甚至造成倒吸的現(xiàn)象。結(jié)合冷凝器口徑選擇了冷卻水量為 60 m3/h。

另外，一個冷卻水的重要指標(biāo)是冷卻水的水質(zhì)，水質(zhì)變差，硬度升高，會導(dǎo)致冷凝器積垢甚至堵塞，影響冷卻性能，使得動力蒸汽不能冷凝，影響真空效果。所以確定循環(huán)冷卻系統(tǒng)需要進(jìn)行定期換水、排水[5]。

2.4 真空改造方案

根據(jù)以上的系統(tǒng)條件，最終選擇了三級水蒸汽噴射泵串聯(lián)與一級水蒸汽噴射泵并聯(lián)使用，三級水蒸汽噴射泵串聯(lián)后使得極限真空達(dá)到 600 Pa 以下，一級水蒸汽噴射泵并聯(lián)作為啟動級保證抽氣量，保證達(dá)到極限真空的時間。具體改造見圖2。

圖2 真空改造流程圖

2.4.1 設(shè)備尺寸

改造后的真空系統(tǒng)設(shè)備尺寸見表2。

表2 水蒸汽噴射泵各級尺寸一覽表

2.4.2 蒸汽用量

改造后的水蒸汽噴射泵各級蒸汽用量見表3。

表3 水蒸汽噴射泵各級蒸汽用量一覽表

2.4.3 冷卻水用量

改造后的水蒸汽噴射泵各級冷卻水用量見表4。

表4 水蒸汽噴射泵各級冷卻水用量一覽表

2.4.4 改造前后對比

改造完成后對比之前的機(jī)械式真空泵性能，從真空度、穩(wěn)定性、維修費用等8個方面進(jìn)行了對比，詳細(xì)對比見表5。

表5 改造后水蒸汽噴射泵與機(jī)械式真空泵性能對比表

3 結(jié)語

本次改造后的真空系統(tǒng)，采用三級水蒸汽噴射泵串聯(lián)與一級水蒸汽噴射泵并聯(lián)使用，極限真空度能夠達(dá)到 600 Pa，在使用啟動級的情況下 30 m3空釜到達(dá)極限真空的耗時只需 20 min，完全符合工藝條件的需求，綜合運行成本對比下降40%以上。經(jīng)過長時間的運行檢驗，裝置運行可靠，無易損部件，使用3年未進(jìn)行過任何維修，給化工生產(chǎn)的安全穩(wěn)定運行提高了極大的保障。