化工裝置真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷計(jì)算及影響因素探討

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,但對于真空系統(tǒng)空氣漏入量的估算沒有全面的總結(jié),對于真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)荷的影響因素也沒有詳細(xì)的說明。本文結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例,對以上內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)說明和總結(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,來抵消空氣泄漏到系統(tǒng)中的趨勢,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)場測試來估計(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,對于現(xiàn)有工廠來說,執(zhí)行該測試并不總是可行的,因?yàn)闇y試往往會(huì)影響到正常生產(chǎn)和運(yùn)營。另外,如果需要保持真空的系統(tǒng)體積比較大,在現(xiàn)場條件下也很難實(shí)現(xiàn)測試所需要的真空度。特別對于新建真空系統(tǒng),別無選擇,只能使用經(jīng)驗(yàn)預(yù)測空氣泄漏率。

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)來解決這個(gè)問題,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)(無攪拌器)最大空氣泄漏量

該方法開發(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芎唵?并且只需要有限的數(shù)據(jù)就可以預(yù)測空氣泄漏率。

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

在使用過程中,進(jìn)一步簡化系數(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汞柱絕對壓力),空氣就會(huì)以恒定的速率泄漏到系統(tǒng)中?？梢酝ㄟ^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1 mm2的開口,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真空系統(tǒng)的大量知識(shí)和判斷,因此無法指望任何經(jīng)驗(yàn)方法來產(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)泄漏接近或超過系統(tǒng)容量時(shí),就無法達(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。

對于理想溶液混合物,各組分的汽相分壓可以通過拉烏爾定律求得。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)件的表面把原來在大氣壓下所吸收和吸附的氣體解析出來而釋放的部分氣體;大氣通過容器壁結(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?？梢院雎浴Ｔ诓牧戏N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,按照上述過程對真空系統(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在40 ℃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)算出來的數(shù)據(jù)接近。考慮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。

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。對于裝置開車初始抽氣,這個(gè)抽氣時(shí)間合理。可以用上述49.768 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)。