DMMP發(fā)生和實驗系統(tǒng)設計

梁建東，王宏芝，張振華

（1.山西新華化工有限責任公司計量測試中心，山西 太原 030008；2.山西新華化工有限責任公司建筑工程公司，山西 太原 030008；3.山西新華化工有限責任公司過濾吸收器分廠，山西 太原 030008）

0 引 言

DMMP學名甲基磷酸二甲酯，是一種內添加型的阻燃劑，因分子結構與神經(jīng)性毒劑沙林極為相似，且毒性很小，在防化領域內被用作沙林的模擬劑。美國軍用濾器標準規(guī)定了4項指標，其中一項就是DMMP，用來代表濾器對神經(jīng)性毒劑的吸附能力。因此，作為防化一級計量站，建立一套DMMP檢測系統(tǒng)用于產(chǎn)品的評價是很有必要的[1]。

依據(jù)試驗方法可知：DMMP的原始濃度和尾氣濃度為一定的值，試驗管道內溫度為40℃±3℃，試驗管道內相對濕度不大于40%RH，試驗風量為200～600m3/h。該系統(tǒng)主要有進風除塵、空氣除濕預熱、DMMP發(fā)生、管路系統(tǒng)設計，系統(tǒng)的結構如圖1所示。

1 系統(tǒng)總述

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的濾器測試方式：負壓吸入式，因為太原地區(qū)的環(huán)境溫度低于管道內的溫度，管道存在熱量散失，需要保溫處理，一直到閥3的前端。該系統(tǒng)涉及到兩種氣體的混合，需求出混合氣體的平均濃度ρm，以1 m3混合氣體為基準，則ρm=1.21 kg/m3，要求管道內混合氣體的流態(tài)為湍流，即最低雷諾數(shù)應大于12000[2]，經(jīng)計算得：最小雷諾數(shù)為23 770，可知流態(tài)為湍流。過濾器測試方法要求管道平均流速不大于8m/s，選擇管徑為φ200mm，根據(jù)流量計算得：最大流速為5.31 m/s，最小流速為1.77m/s。

圖1 系統(tǒng)結構簡圖

2 設計方法

2.1 發(fā)生器設計

發(fā)生器的設計包括結構設計和加熱功率計算兩部分。發(fā)生器選用結構比較簡單的加熱蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的頂端設置階梯孔噴嘴?？紤]到潔凈空氣與經(jīng)加熱蒸發(fā)出的DMMP混合，噴嘴的上方設置兩路潔凈空氣匯合后改變流向，并帶出從噴嘴噴出的DMMP蒸氣。在兩路潔凈空氣匯合處第一次混合、進行熱交換，為了使混合與熱交換快速高效，在兩路空氣進入發(fā)生器時的通道由通徑為φ200 mm改變?yōu)殚L300 mm、寬50 mm的矩形截面，從而增加氣流的湍動程度，在矩形截面內最大流速為5.56 m/s，最小流速為1.85m/s。熱交換的過程中使部分DMMP蒸氣的溫度降低，出現(xiàn)冷凝，一少部分回流到發(fā)生器，大部分與空氣混合在熱交換后的溫度下達到飽和狀態(tài)時，則保持氣態(tài)流進混合段再進行混合。發(fā)生器的結構如圖2所示。

已知DMMP液體的正常沸點為181℃（1個大氣壓下），太原地區(qū)的平均大氣壓92.6kPa，該系統(tǒng)為負壓操作，在發(fā)生器內約為-2.6kPa，即發(fā)生器內的大氣壓約為90kPa。依據(jù)液體蒸氣壓指數(shù)定律：

式中：p1——標況下的大氣壓，kPa；

p2——實際狀況下的大氣壓，kPa；

T2——實際狀況下的沸點，K；

T1——標況下的沸點，K；

R——摩爾氣體常數(shù)8.31J/（K·mol）。

蒸發(fā)熱的計算，經(jīng)查閱資料知：DMMP的分子結構無氫鍵，屬于正常液體，依據(jù)的關系式，式中的單位為 J/mol；Tb為液體的沸點，單位為 K，經(jīng)計算知=39 852.12 J/mol，再將值代入蒸氣壓指數(shù)定律中，最后計算得：DMMP液體在該系統(tǒng)中的沸點為176℃。

圖2 發(fā)生器結構簡圖

經(jīng)加熱蒸發(fā)進行分子傳質的過程與擬穩(wěn)態(tài)擴散過程極為相似，在此按照擬穩(wěn)態(tài)擴散進行計算DMMP通過空氣擴散的穩(wěn)態(tài)擴散通量，其中DMMP分子擴散系數(shù)的大小可用馬克斯韋爾-吉利蘭公式進行估算：

式中：DAB——組分A在組分B中的分子擴散系數(shù)；

MA，MB——組分A和B的分子量；

P——總壓，Pa；

此式中的分子體積可用克普加和法則作近視估算，其間共有兩個組分：空氣和DMMP蒸氣，查閱手冊知空氣的分子體積為29.9 cm3/mol，DMMP蒸氣則以組成元素的原子體積總和計算，得分子體積為131.2cm3/mol，最后計算得：5.27×10-6m2/s。實驗前需加入液體DMMP 45kg，對應于發(fā)生器內的液面加到310mm高度，距離出口200mm。由

圖3 系統(tǒng)熱計算段簡圖

式中：NA——摩爾通量，kmol/m2s；

DAB——擴散系數(shù)；

P——總壓，Pa；

R——氣體常數(shù)；

T——溫度，K；

Δz——擴散距離，m；

pBM——平均壓力，Pa；

pA1——液面處DMMP的分壓，Pa；

pA2——出口處DMMP的分壓，Pa。

液面處在449 K下，DMMP蒸氣接近飽和，故pA1=90 000 Pa，出口處DMMP蒸氣分壓很小，可視為零，可以計算出DMMP的摩爾通量和濃度分布方程。

設實驗室中DMMP液體的溫度為15℃，從生產(chǎn)廠家了解到該液體的實際純度為99.5%，為了方便計算設純度為100%。加入量為45 kg，加溫時間為40 min，經(jīng)查得DMMP液體的比熱容為2.09J/（g·℃），即該液體由15℃升高到176℃時吸收的熱量為顯熱，顯熱的加熱功率經(jīng)計算得6.85 kW，又知DMMP蒸發(fā)熱為39 852.12 J/mol，而蒸發(fā)熱為潛熱，計算得0.28 kW。功率計算時需將顯熱和潛熱全部計算在內，最后計算得所需的加熱功率為7.13 kW，若加熱效率以90%計，則發(fā)生器的加熱功率為8kW。

2.2 管路熱量損失計算

為保證試驗管道溫度為最低37℃，即保證在尾氣濃度取樣位置的混合氣體溫度不小于37℃。若發(fā)生器產(chǎn)生的DMMP蒸氣以5mg/L計，對應600m3/h的風量時質量流量則為3kg/h，相當于在發(fā)生器出口端系統(tǒng)加入一部分熱量。熱計算段如圖3所示。

由以上敘述和圖3知，在閥3前端的混合氣體溫度最低應為37℃，系統(tǒng)風量為600m3/h，欲求除濕加熱器出口端的溫度，則需知道管路的熱損失。而對應600 m3/h的風量DMMP的質量流量為3 kg/h液體的比熱容為2.09 J/（g·℃），假設經(jīng)發(fā)生器流出的DMMP與空氣混合后溫度由175℃降為43℃時，引入的熱量約為232W。

對于管路的保溫處理，該管路為1.5 mm厚的不銹鋼管外面包覆20 mm厚的橡塑海綿，最外層為0.5mm厚的不銹鋼管。其屬于層對層之間接觸良好的三層圓筒壁傳導[6]，如圖4所示。

圖4 三層圓筒壁熱傳導簡圖

已知：r1=0.15 m，r2=0.151 5 m，r3=0.171 5 m，r4=0.172 m，t1=43℃，t2=43℃，t3=20℃，t4=20℃，橡塑海綿的導熱系數(shù)不超過0.035W/（m·℃），不銹鋼板的導熱系數(shù)不超過45W/（m·℃），將已知條件代入：

式中：Q——每米管長的熱損失，W/m；

r——管半徑，m；

t——管內各層的溫度，℃；

L——管長，m；

λ——導熱系數(shù)，W/（m·℃）。

經(jīng)計算得：該管路每米的熱損失為40.8W/m。管道總長約為26 m（忽略閥門的局部散熱和發(fā)生器帶出的熱量），則管道總熱損失為1060.8W。管道中DMMP的含量很小，依空氣的比熱容1.005kJ/（kg·℃）考慮，在600m3/h風量下，流過26m管道氣體損失的熱量來考察溫度的降幅，經(jīng)計算得5.26℃，說明600m3/h時管道預熱溫度為43℃時可以滿足實驗要求。

2.3 管道阻力估算

該系統(tǒng)的阻力損失分為直管段阻力損失、局部阻力損失、管路其他件阻力損失3類。直管段的阻力計算采用公式進行計算：

式中：Δpf——阻力損失，Pa；

λ——摩擦系數(shù)，無量綱量。

而管道由1.5mm厚的不銹鋼板卷制而成，則絕對粗糙度ε的值選0.2mm，相對粗糙度ε/d為0.001，由計算知：最小雷諾數(shù)為23770，最大雷諾數(shù)為71323，查“摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對粗糙度的關系”得：

式中：L——直管段長度，m；

d——管直徑，m；

ρ——混合氣體的密度，kg/m3；

u——混合氣體的流速，m/s。

由此公式可以計算出直管段在最大風量和最小風量下的阻力損失。局部阻力損失計算一般采用阻力系數(shù)法，公式為

式中：Δpf′——阻力損失，Pa；

ζ——阻力系數(shù)，無量綱量，彎頭、天圓地方、

突然縮小、突然擴大等部件對應的大小可查閱流體力學手冊得到。

管路其他件阻力損失，如進風除塵器、實驗濾器、尾氣濾器可按出廠測定的阻力值的兩倍計算，孔板流量計的阻力損失按廠家提供的數(shù)據(jù)計算。最后得到的總阻力應乘以1.2的系數(shù)作為最后的管道阻力損失值，選用風機時必須保證在對應的實驗風量下，風壓大于管道阻力損失值。

2.4 除濕量和預熱加熱量計算

按太原地區(qū)氣候極端情況考慮，即冬天室內溫度為15℃，相對濕度為30%；夏天室內溫度為30℃，相對濕度為80%計算；選擇春秋季的某陰雨天氣如20℃，相對濕度為70%的情況，進行除濕量的計算。依除濕加熱器出口溫度43℃參與計算。

第一種情況：室內溫度為15℃，相對濕度為30%，系統(tǒng)只需加熱，不需除濕。已知空氣的比熱為1.005kJ/（kg·℃），空氣密度為1.205kg/m3，最大風量為600m3/h，環(huán)境溫度差為43℃-15℃=28℃，計算得加熱功率為5.65kW。

第二種情況：室內溫度為30℃，相對濕度為80%，系統(tǒng)又需加熱，又需除濕。即求由相對濕度為80%降為40%的除濕量，查濕空氣的H-I圖知30℃，相對濕度80%的含濕量為0.024 kg/kg絕干氣；30℃，相對濕度40%的含濕量為0.011kg/kg絕干氣，系統(tǒng)風量,600m3/h，計算得：除濕量為600×1.205×（0.024-0.011）=9.4kg/h。又經(jīng)計算得加熱功率為2.63kW。

第三種情況：室內溫度為20℃，相對濕度為80%，系統(tǒng)又需加熱，又需除濕。即求由相對濕度為80%降為40%的除濕量，已知20℃，相對濕度80%的含濕量為0.013kg/kg絕干氣；20℃，相對濕度40%的含濕量為0.005kg/kg絕干氣，系統(tǒng)風量，600m3/h，計算得：除濕量為：600×1.205×（0.013-0.005）=5.8kg/h。又經(jīng)計算得加熱功率為4.65kW。

對應于除濕機的除濕量為10 kg/h所需功率12 kW，5kg/h所需功率6kW，得除濕加熱機的總功率最大為13kW，再考慮除濕加熱的效率和部分余量，則除濕加熱機的總功率選為15kW，以滿足極端狀況下的除濕與預熱的要求。

3 結束語

采用傳統(tǒng)的負壓吸入式來設計該實驗系統(tǒng)，考慮混合氣體的密度，依據(jù)實驗要求的湍流，判斷指定風量范圍內的流態(tài)，選擇合適的管徑，設計發(fā)生器和確定了加熱功率，用理論推導的辦法計算出在太原地區(qū)和在該系統(tǒng)中DMMP的沸點，對管路的熱量損失進行了推導計算，給出了管路及元件的阻力估算方法，最后計算了在極端環(huán)境條件下的除濕量和預熱功率，為類似于DMMP實驗系統(tǒng)的設計提供了理論依據(jù)和設計思路。

[1]元以棟.防化計量試驗知識[M].國防科技工業(yè)防化一級計量站，山西新華化工有限責任公司，2012.

[2]天津大學化工原理教研室.化工原理[M].天津：天津科學技術出版社，1986.

[3]約翰 M·普勞斯尼茨.流體相平衡的分子熱力學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[4]王惠明.液體在其正常沸點下的蒸發(fā)熱計算[J].化學世界，1993：78-81.

[5]劉萌戈，劉穎，周持興.非極性有機物蒸發(fā)熱與正常沸點的關聯(lián)[J].山東化工，2005（6）：1-2.

[6]J.M.柯爾森，J.F.李嘉森.化工工程 卷I流體流動傳熱與傳質[M].北京：化學工業(yè)出版社，1983.