水噴射真空泵水箱降溫方案

王衛(wèi)國+郭友+姚忠東

摘 要：在減壓蒸餾過程中，由于真空抽取的高溫工藝氣體溶于真空泵的水箱以及水噴射真空泵做功均會造成水箱溫度升高，會影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率，從而導(dǎo)致真空度降低，所蒸餾產(chǎn)品產(chǎn)量降低。通過設(shè)計(jì)水噴射真空泵水箱降溫系統(tǒng)設(shè)備，調(diào)節(jié)4個水噴射真空泵水箱進(jìn)出水的平衡，利用泵將水箱內(nèi)的熱水通過換熱器冷卻降溫后返回各個水箱并不斷循環(huán)降溫，提高系統(tǒng)真空度，不但縮短了產(chǎn)品減壓蒸餾時間，提高了產(chǎn)效率，并且提高了產(chǎn)品收率，最終達(dá)到設(shè)計(jì)效果，解決了生產(chǎn)難題。

關(guān)鍵詞：減壓蒸餾;水噴射;真空泵;降溫

1 背景

肼類物質(zhì)是重要的液體航天發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑，西安航天動力試驗(yàn)技術(shù)研究所在某種肼類化合物生產(chǎn)線中，使用減壓蒸餾的方式先制得含肼水溶液粗品物質(zhì)。減壓蒸餾是化學(xué)品生產(chǎn)中非常常用的一個操作步驟，是借助真空泵降低系統(tǒng)壓力從而降低液體沸點(diǎn)，在精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)中能夠節(jié)能降耗、提高效率、降低安全隱患、保障工藝穩(wěn)定。在該肼水溶液減壓蒸餾過程中，真空系統(tǒng)采用4臺水噴射真空泵。由于真空抽取的高溫工藝氣體溶于真空泵的水箱以及水噴射真空泵做功均會造成水箱溫度升高，而水噴射真空泵正常使用溫度為25℃以下，當(dāng)水箱內(nèi)水溫≥30℃后，系統(tǒng)真空度明顯下降，由最初的0.09MPa左右降至0.08MPa左右，當(dāng)水溫繼續(xù)上升至40℃后，真空系統(tǒng)中的二級羅茨真空泵無法啟動，系統(tǒng)真空度將不足0.07Mpa，這時造成產(chǎn)品蒸餾時間顯著延長，生產(chǎn)效率大幅下降。

原水噴射真空泵的水箱降溫方法為換水降溫，即通過將水箱內(nèi)溫度較高的廢水直接排放，再向水箱補(bǔ)加自來水。由于排走的水中有少量肼類工藝氣體溶解其中，平均每臺泵每天排水5次，每次1 m?，4臺泵每天共計(jì)排放廢水20m?，不僅給廢水處理系統(tǒng)增加負(fù)擔(dān)，毒害性廢水處理成本加大，而且頻繁換水導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，換水過程中生產(chǎn)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2 設(shè)計(jì)目的

通過設(shè)計(jì)一套水箱降溫系統(tǒng)，來使得水噴射真空泵水箱內(nèi)水溫恒定低于20℃，滿足生產(chǎn)系統(tǒng)的真空度要求，同時減少廢水排放量，將廢水不斷循環(huán)降溫，待廢水雜質(zhì)含量較高時集中處理。

3 設(shè)計(jì)思路

考慮一般循環(huán)用水無法滿足真空泵降溫需求，需設(shè)計(jì)一臺冷水機(jī)組來提供冷卻介質(zhì)，同時循環(huán)管路上需設(shè)計(jì)一臺列管換熱器用于水箱水降溫冷卻，整套循環(huán)過程利用泵提供輸送動力，在泵前端設(shè)計(jì)一臺過濾器用于過濾雜質(zhì)。

4 工作原理

圖1和圖2分別為改造前后的真空系統(tǒng)工藝流程簡圖。

通過設(shè)計(jì)合適制冷量的冷水機(jī)組來提供冷卻介質(zhì)，設(shè)計(jì)足夠換熱面積的換熱器用于水箱熱水的熱交換設(shè)備，將四臺水噴射真空泵水箱內(nèi)的水通過底部放凈閥流出，先經(jīng)過籃式過濾器過濾后，通過離心泵輸送，經(jīng)換熱器冷卻降溫后，再返回至水噴射真空泵中繼續(xù)循環(huán)使用。

5 理論計(jì)算

5.1 水噴射真空泵水箱水熱量恒算和制冷機(jī)選型

經(jīng)實(shí)際測量，冬天里，水箱進(jìn)水平均溫度約為10℃，出水平均溫度約為30℃，夏天里，水箱進(jìn)水平均溫度約為15℃，出水平均溫度約為40℃，取最大值計(jì)算，根據(jù)公式：

Q=qm1Cp1（T1-T2）

其中Q為水溫升高過程放出的總熱量，qm1為廢水流量，Cp1為水的比熱容，T1為水箱排水溫度，T2為水箱進(jìn)水溫度。

帶入數(shù)據(jù)：

qm1=30m?/d=1.25m?/h=1250kg/h

Cp1=4.2×103J/kg·℃

T1=40℃ ? T2=15℃

Q=qm1Cp1（T1-T2）=1250×4.2×103×25

=1.31×105KJ/h

=3.1×104Kcal/h

由以上計(jì)算可以得出，理論計(jì)算水箱內(nèi)水溫升高過程的總熱量約為3.1萬大卡，一般設(shè)計(jì)裕度為15～25%，取20%，則制冷機(jī)組至少需選擇制冷量為3.1×120%=3.7萬大卡。考慮在水噴射機(jī)組前端還需增加其他小型換熱裝置，則制冷機(jī)組還需增加20%的富裕量，則制冷機(jī)組制冷量最終為3.7×120%=4.4萬大卡。根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)，選擇制冷量為4.5萬大卡冷水機(jī)組，機(jī)組出水最低溫度7℃。

5.2 冷凝器換熱面積計(jì)算和冷凝器的選型

由公式Q=KA△tm*可知，A= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

由于已知總熱量Q=1.31×105KJ/h，則需計(jì)算總傳熱系數(shù)K，以及修正后平均推動力△tm*

5.2.1 總傳熱系數(shù)K的計(jì)算

（1）廢水給熱系數(shù)α1的計(jì)算

查閱化工手冊及相關(guān)工業(yè)書籍，得知：

廢水粘度：μ1=1mPa·s

導(dǎo)熱系數(shù)：λ1=0.599W/m·℃

密度：ρ1=1000kg/m?

比熱容：Cp1=4.2×103J/kg·℃

流速：u1=2m/s

管徑：d1=0.02m

帶入上述公式計(jì)算可知：

（2）制冷劑（氟利昂）給熱系數(shù)α2的計(jì)算

查閱化工手冊及相關(guān)工業(yè)書籍，得知：

氟利昂粘度：μ2=0.32mPa·s

導(dǎo)熱系數(shù)：λ2=0.0727W/m·℃

密度：ρ1=1486kg/m?

比熱容：Cp1=1.41×103J/kg·℃

流速：u1=0.27m/s

管徑：d1=0.1m

帶入上述公式計(jì)算可知：

（3）總傳熱系數(shù)K

? K=

由于列管換熱器器壁熱阻δ/λ一般很小，可忽略不計(jì)，則總傳熱系數(shù)：

（2）

5.2.2 修正后的平均推動力△tm*

（1）平均推動力△tm=，由于T1為廢水出口溫度40℃，T2為廢水回水溫度15℃，t1為制冷機(jī)組進(jìn)入冷凝器溫度7℃，t2為制冷機(jī)組出冷凝器溫度12℃，帶入上式，可得：

（2）修正后的平均推動力。由于橫軸修正值，豎軸修正值，查平均推動力修正表可知，修正值ψ=0.92

則△tm*=△tm×ψ=9.818×0.92=9.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

5.2.3 換熱面積計(jì)算

將（2）和（3）式中的結(jié)果帶入（1）式，可得出

一般換熱面積有15%～25%的設(shè)計(jì)裕度，取20%，則

A=10.4×120%=12.5m2

由于計(jì)算中忽略污垢熱阻給傳熱系數(shù)A帶來的影響，在長期使用后，污垢熱阻會逐漸增加，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)由于污垢熱阻的影響會導(dǎo)致傳熱系數(shù)K下降約30%，同理換熱面積則需增大30%，則最終換熱面積為：

A最終=A×1.3=16.25m2

因此選擇換熱面積20㎡的換熱器。

6 使用效果

通過此次設(shè)計(jì)改造，降溫系統(tǒng)運(yùn)行后，水箱內(nèi)水溫基本穩(wěn)定在15～17℃左右，達(dá)到真空泵正常運(yùn)行水溫需≤25℃的要求，同時生產(chǎn)系統(tǒng)真空度≥0.09Mpa，滿足生產(chǎn)系統(tǒng)真空度要求。

同時，此次設(shè)計(jì)改造之前由于真空泵水箱水溫過高，需對真空泵水箱換水來達(dá)到降溫目的，而現(xiàn)在由于將真空泵水箱水通過泵輸送至換熱器降溫后循環(huán)使用，水箱內(nèi)水不需要排放，廢水排放量由之前的平均20m?/天，降低到5天排放一次（一次是4臺真空泵水箱內(nèi)廢水，共計(jì)約4m?），日平均排放量<1m?/天，完全達(dá)到設(shè)計(jì)效果。

7 效率提升及成本節(jié)約

（1）產(chǎn)品減壓蒸餾時間隨系統(tǒng)真空度增加而降低，見下表：

從生產(chǎn)過程來看，提高系統(tǒng)真空度則相應(yīng)減少減壓蒸餾時間，目前系統(tǒng)真空度基本維持在≥0.09Mpa，減壓蒸餾時間基本在8～10小時，相比之前減少了4～5小時，減壓蒸餾效率粗算提高近50%。

（2）自來水用量日均減少量為19m?/天，年節(jié)約用水近7000m?/年，同時減少廢水排放量，數(shù)據(jù)基本同上，為近7000m?/年。

（3）未改造之前，一次換水時間為15分鐘，平均2～3小時換水一次，一天換水平均10次，日節(jié)約時間約150分鐘，同時減少了操作人員換水操作。

8 推廣應(yīng)用前景

化工生產(chǎn)中，采用減壓蒸餾或真空干燥的產(chǎn)品特別多，使用到水噴射真空泵作為系統(tǒng)的真空時基本均會遇到此類問題，利用循環(huán)降溫補(bǔ)水的方式是經(jīng)濟(jì)可行且效果良好的解決方案。該方案還可應(yīng)用于水環(huán)真空泵等需要用水來作為必要介質(zhì)的真空設(shè)備，同樣是由于長時間運(yùn)行過程中造成水溫升高，此時也可利用循環(huán)降溫原理為水環(huán)真空泵補(bǔ)水罐的水進(jìn)行冷卻，滿足使用要求。

參考資料：

[1]陳敏恒.化工原理[M]. 華東理工大學(xué)出版社，2006.

[2]朱有庭.化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊[S]. 化學(xué)工業(yè)出版社，2005.