真空系統的工藝計算

馬紅芳 駱彩萍 鮑賢康 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

真空系統的工藝計算

馬紅芳*駱彩萍 鮑賢康 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

介紹抽氣量、壓降等真空系統的工藝計算方法和結合工程的實際應用。

真空系統抽氣量當量空氣流導工藝計算

化工生產裝置中，真空系統主要應用于精餾、過濾、干燥、脫水等工藝過程。真空系統所要達到的真空度是通過真空泵來實現的。影響真空度的因素除了真空泵的性能外，系統的空氣泄漏量、工藝氣量和系統的壓力損失等亦是非常關鍵的。所以在真空系統的工藝計算過程中，要充分考慮上述影響因素，做到系統設計完善、可靠、經濟。

1 真空系統的組成

真空系統通常由真空泵、真空容器及真空管道組成，典型流程見圖1。

圖1 真空系統典型流程圖

2 真空系統的設計基礎

2.1 抽氣量

抽氣量是真空泵的重要參數，在化工生產中，真空容器的被抽氣量主要是指空氣泄漏量與被抽出的工藝氣之和。

2.1.1 空氣泄漏量［3］

在抽真空過程中，因管件、設備密封性能等因素的影響，不能保證系統完全密閉，總是有空氣泄漏入真空系統，對任何真空系統都應進行試驗以確定其空氣泄漏量，對新設計和不能進行試驗的場合采用估算，目前主要有以下幾種方法。

(1)對于工業上嚴密系統的空氣泄漏量，經驗公式如下:

式中，W空氣為空氣泄漏量，lb/h;V為真空系統的容積，ft3;k為壓力常數，取值見表1。

表1 k取值

(2)對應于上式，最大空氣泄漏量見圖2。圖中為絕對壓力，英制和公制分別見圖2(a)和(b)。

圖2 工業上嚴密系統最大空氣泄漏量值

(3)管件的空氣泄漏量的估算見表2。

表2 真空系統管件的空氣泄漏量估算表(kg/h)

對于真空容器，一般保守估算時采用(1)法計算值，或(2)法的查圖值，再加上(3)法所得管件泄漏量之值。或者，采用(1)法計算值或(2)法查圖值的兩倍，即得該真空系統的空氣泄漏量。

對于帶有采用普通軸封的攪拌器，其空氣泄漏量應為每個攪拌器增加5lb/h(2.27 kg/h)，如采用特殊良好密封，此值可為1～2 lb/h(0.45～0.90 kg/h)。

2.1.2 被抽出的工藝物料氣量

化工生產中，真空容器被抽氣體除泄漏的空氣外，主要還包括工藝生產過程中產生與系統中的液體處于平衡狀態的物料蒸氣。物料蒸氣量的計算如下:

由拉烏爾定律［2］可知，對于混合溶液中的某一組分，其在氣相中的分壓為:

Pi=P0i×xi

式中，Pi為各組分的分壓，mmHg;P0i為純物質的飽和蒸氣壓，mmHg;xi為液體中各組分的摩爾分數。

由上式可得出:被抽氣體中，物料蒸氣的分壓P物料=∑Pi，抽真空時，真空容器的絕對壓力P為P物料和P空氣之和，故P空氣值可得。

物料氣量按下式計算:

式中，W物料為物料蒸氣，kg/h;W空氣為空氣泄漏量，kg/h;M物料為物料蒸氣平均分子量;M空氣為空氣的分子量;P物料為物料蒸氣的分壓，mmHg; P空氣為空氣的分壓，mmHg。

設計和選擇真空泵時，需要將工藝物料氣量換算為當量空氣量，其換算公式如下［3］:

式中，T為被抽物料的溫度，℉。

將上述氣體的流量相加，即得真空容器的總抽氣量(當量空氣):

在此，應特別注意單位的換算和公式及圖表要求的單位對應關系。

3 真空管道的流導

在選擇真空泵時，除真空容器被抽氣量外，另一重要參數為真空泵的抽氣壓力，其大小決定著系統的真空度。真空泵入口的壓力應根據工藝容器的真空度要求和真空容器與真空泵之間管道的壓力降來確定。為使真空管道的壓力降在允許的范圍內，必須核算管道的管徑。此處采用真空管道流導來核算管徑，現以圖1中真空容器出口(1點)與真空泵入口(2)之間的管道為例計算。

3.1 定義［1，4，5］

抽氣速率S1是指單位時間內真空泵在其入口壓力下從系統中抽走的氣體體積，其計算式如下:

式中，S2為真空系統2點處抽氣速率，L/s;P2為真空系統2點處的壓力，mmHg;T為被抽氣體的溫度，K;M為被抽氣體的平均分子量。

真空泵的氣體流量Q為入口抽氣速率與入口壓力之積。

真空系統某點的抽氣速率與氣體流量的關系［1］:

式中，Q為氣體流量，mmHg L/s;S1為真空系統1點處抽氣速率，L/s;P1為真空系統1點處的壓力，mmHg。

真空系統兩點間的氣體流量:

式中，C為真空系統1點與2點間管道流導，L/s; ΔP為1點與2點之間管道壓力降，mmHg。

上式即是真空系統管道流導的定義式，表示真空系統中氣體沿相應管段的流通能力，是確定管道阻力降滿足要求的重要參數。

3.2 計算

3.2.1 氣流的基本狀態

在真空系統管路中的氣流可分為3種基本流動狀態，見表3。

表3 流型的劃分方法及判斷

對常溫下的空氣(其它氣體也大致可用):

式中，1為氣體分子平均自由程，mm;r為管道半徑，mm;P為氣體壓力，mmHg。

化工生產中，真空操作時，絕對壓力一般＞10－3mmHg，故氣流流型基本為粘滯流。

3.2.2 計算

(1)粘滯流流導用泊肅葉(Poiseuille)公式:

對于20℃的空氣:

(2)分子流流導用克魯曾公式:

對于20℃空氣:

(3)過渡流流導用從泊肅葉公式推導出簡式為:

對20℃的空氣:

式中，Cv為粘滯流流導，L/s;Cva為20℃空氣粘滯流流導，L/s;Cm為分子流流導，L/s;Cma為20℃空氣分子流流導，L/s;Ci為過渡流流導，L/ s;Cia為20℃空氣過渡流流導，L/s;T為絕對溫度，K;M為分子量;Pa為平均壓力，mmHg;Μ為粘度，cP;D為管內徑，mm;L為管長，m;α為克勞辛(Clausing)系數，其值見表4(D為管內徑，m;L為管長，m);Z為校正系數，是克魯曾數l/r的函數，其值見表5。

管件及閥門流導用其當量長度進行計算。

如真空容器與真空泵之間多根管道串聯，其管道流導:

表4 克勞辛系數α值

表5 克魯曾數的校正系數

并聯管道流導:

在進行流導的計算時，主要是確定系統的壓力降要滿足工藝要求。而與壓力降密切相關的則是此段管道的管徑，因此，在計算過程中，首先確定此段管道允許的壓力降ΔP，通過式Q=ΔP× C得到管道的最小允許流導C值。然后假定此管段的管徑d，判斷流型、計算流導Cv，如Cv≥C，則管徑合適，如Cv＜C，則管徑不滿足壓降要求，需重新選擇計算，直到滿足要求為止。

4 實際應用

現以四川天華GBL系列產品項目的2－PY產品塔塔頂真空系統的設計為例，說明計算過程。

該系統要求塔頂冷凝器操作條件為120℃，15 mmHg，要求冷凝器到真空泵入口的壓力降小于5 mmHg，冷凝器中的液相物料含量為98wt%2－PY，2.0wt%輕組分，2－PY分子量為85，輕組分分子量為30，換算為摩爾質量含量為2－PY: 94.5%，輕組分:5.5%。120℃時，2－PY和輕組分的飽和蒸氣壓分別為10.13 mmHg和5 mmHg。

4.1 空氣泄漏量

真空容器包括2－PY產品塔、塔頂冷凝器及管道等，計算其全部容積V為1737 ft3，因其壓力為15 mmHg，根據表1，k值取0.0825，由經驗式得空氣泄漏量W空氣為11.92lb/h(5.4 kg/h)，與查圖法結果一致，為保守計算，系統的空氣泄漏量以計算值的2.0倍計。

4.2 被抽物料量

系統中被抽物料量包括2－PY、輕組分和泄漏的空氣量。

(1)計算2－PY和輕組分在被抽物料中的分壓:

2－PY的分壓:

輕組分的分壓:

2－PY 120℃時的飽和蒸氣壓:

輕組分120℃時的飽和蒸氣壓:

(2)空氣的分壓:

(3)由式(1)分別計算被抽2－PY和輕組分的量:

2－PY的量:

輕組分的量:

由式(2)將兩種被抽物料量分別換算為當量空氣的量:

2－PY的量:

輕組分的量:

其中，M1為85;P1為9.6 mmHg;M2為30; P2為0.3 mmHg;W空氣為10.8 kg/h;M空氣為29; P空氣為5.1 mmHg;T為120℃=248℉。

(4)總的抽氣量:

根據工程經驗，以此值的2.0倍作為真空泵抽氣量的設計值183.4 kg/h(當量空氣)。

4.3 管徑

(1)計算冷凝器出口的抽氣速率:

(2)冷凝器出口氣體流量:

(3)取此管道允許的壓力降ΔP為5 mmHg，確定管道的最小流導:

(4)計算管徑:

首先假定管道的直徑:

計算氣體分子平均自由程:

則克魯曾數l/r為0.000133，判斷為粘滯流。管道的實際流導:

管長(包括管道閥門的當量長度)L為10m，α為1.0(由L/D=200查表4得到)，Cv＜C，所以d=50 mm不合適。

再次假定d=80 mm，重復上述步驟，計算流導Cv為16737 L/s，Cv＞C，所以管徑應取大于等于80 mm滿足流導要求。

4.4 選泵

采購真空泵時，確定工藝專業提出的真空泵的抽氣量為183.4 kg/h(當量空氣)，其中空氣泄漏量為21.6 kg/h，其入口壓力為10 mmHg，此外，還應注明被抽氣體的溫度、組成、各組分的分子量等，以便真空泵廠家進行相應的計算。

5 結語

在真空系統的工藝計算中，一般涉及到被抽氣量、溫度、壓力等參數，只有對這些參數進行充分、全面考慮，才能選擇合適的真空泵，確保設計的真空系統在裝置生產過程中正常運行。

1 化學工業部化學工程設計技術中心站．化工單元操作設計手冊(中冊)(內部使用)．1987．

2 天津大學物理化學教研室．物理化學［M］．北京:高等教育出版社，1991．

3J ame S R．Couper，W．Poy Penney，James R．Fair，Stanley M．Walas．Chemical Process Equipment Selection and Design．

4 達道安等．真空設計手冊［M］．北京:國防工業出版社，2004．

5 王繼常．真空系統設計［M］．沈陽:東北大學出版社，2002．

Introduce the process calculation methods of the sucking rate，pressure drop for vacuum system and the application of the engineering practice．

Process Calculation of Vacuum System

Ma Hongfang，et al
(Hualu Engineering and Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

vacuum systemsucking rateequivalent airflow conductanceprocess calculation

*馬紅芳:工程師。2005年畢業于太原理工大學工業催化專業獲碩士學位。一直從事化工工藝及系統設計工作。聯系電話:(029) 87988636，E－mail:mhf2078@chinahualueng.com。

2011－08－22)