脫附用CO多級離心真空泵設計研究

黨飛龍

（中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，西安710075）

1 引言

離心真空泵在脫附工作過程中，隨抽氣過程不斷進行，質量流量不斷減小，進口壓力不斷降低，真空度不斷提高，機組處于工況不斷變化的運行過程中，要求壓縮機有較大的穩定裕度，尤其是喘振極限。抽真空過程中，壓縮機進口真空度逐漸升高，雷諾數較低，對機器性能也有明顯影響。所以，為確保離心真空泵機組高效、穩定運行，設計點的選取尤為重要。

2 離心真空泵國內外研究現狀

目前，國內外學者對容積式真空泵的基礎研究較多[1，2]，然而有關離心真空泵設計點的選取方法研究較少。普萊克斯公司的Ahmed Abdelwahab提出使用中等轉速、尺寸較大的離心壓縮機來作為真空變壓吸附的加壓吸附壓氣機來取代傳統容積式壓縮機，以提高效率，并指出壓力和流量變化時，如何預測壓縮機性能以及通過加進口導葉來調節壓縮機性能，但是沒有對脫附用的離心真空泵做相關研究[3]。國內的李佳、黃金榮等人通過對已有的離心真空泵進行計算研究，指出為了減小葉尖二次流損失，反命題設計三元葉輪時應該用后加功的方法；同時，所研究對象利用了能夠調整角度的葉片擴壓器來移動性能曲線，確保在非設計工況時真空泵也具有較高的效率，從而達到節能的目的[4]。這些學者都集中于對已有的抽真空用離心壓縮機進行簡單研究，并沒有探索脫附用離心真空泵進口為內含分子篩的吸附塔時進口參數如何變化、設計點如何選取，所以該方面的研究具有極其重要的學術意義。

3 離心真空泵設計點的選取

真空變壓吸附工藝流程主要包括原料氣升壓、分子篩常壓或高壓吸附CO氣體、真空脫附CO氣體3個步驟。本文主要針對抽真空脫附解吸過程進行研究。

離心真空泵設計參數如下：

1）進口條件：進氣溫度40 ℃，進氣壓力從110 kPa到15 kPa周期性變動；

2）出口條件：出口壓力要求從145 kPa到120 kPa周期性變動；

3）輸送氣體介質為100%純度CO氣體，要求1 h內輸送12 000 m（3標準大氣壓）的氣體。

儲氣罐內所含CO氣體吸附在分子篩上，設計真空泵的目的是利用分子篩低壓脫附的原理在真空狀態下將分子篩內的CO氣體解析出來，這個過程與直接將某一不含分子篩固定體積容器抽真空的過程截然不同。

3.1 進氣溫度確定

在VPSA工藝流程中，所使用的吸附劑熱導率一般都較小，雖然吸附時會放出熱量，脫附過程會吸收熱量，但由于真空變壓吸附循環周期較短，吸附過程放出的熱量可以供脫附使用，外界不需要供給熱量，吸附床溫度變化很小，所以在對脫附過程進行研究時可認為進口溫度恒定。根據設計參數，可以認為進氣溫度恒定為40 ℃。

3.2 CO氣體40℃時等溫吸附特性曲線研究

VPSA技術流程中主要涉及的對象為吸附質和吸附劑。在某一固定壓力下，吸附質在吸附劑上處于不斷吸附與溢出的動態平衡過程中。不同種類分子篩吸附劑在對不同流體進行吸附或者脫附時，隨壓力變化吸附量呈現不同類型的變化曲線。如果能夠知道所研究離心真空泵使用了何種分子篩并且知道該種分子篩對CO氣體的脫附曲線，設計點的選取將會方便很多。眾多學者主要對吸附過程進行研究，而對于脫附只是一筆帶過，但如果吸附過程完全可逆，那么吸附過程的研究就非常有意義。Brunauer等人將純氣體實驗的吸附等溫線分為5類，本文所研究的CO離心真空泵進氣溫度為40 ℃，遠大于CO臨界溫度，對應的是第一類單分子層吸附曲線，如圖1所示，并且從工程角度考慮可逆。

本文所要研究的真空脫附過程所使用的分子篩是添加了銅離子的分子篩，CO脫附過程設計參數進氣溫度為40 ℃（313.15 K），雖然需要的是313 K的實驗數據，但是所能查到的最接近的數據為311 K吸附等溫線[5]，如圖2所示。

圖1 Brunauer的第一類等溫吸附線圖

圖2 CO在載銅分子篩吸附劑上的等溫吸附線（311 K時）

從圖1和圖2及前文分析可知，CO在載銅分子篩上的吸附等溫線具有1個明顯特征：低壓階段，吸附等溫線斜率非常大，等溫線幾乎與q線（吸附量曲線，圖2縱軸）重合，而當壓力較大時，等溫線非常平坦，吸附量隨壓力變化很小，對CO離心真空泵設計點的選取具有極其重要的參考價值。

3.3 考慮分子篩特性的簡化設計

CO在吸附塔內主要以2種形式存在：分子篩之間空隙內的“游離態”以及分子篩孔隙內部“吸附態”，空隙內游離態含量較小，孔隙內吸附態含量非常大。為了確保真空度和流量滿足設計需求，文中研究的化學工藝流程的抽真空過程能夠假設為：吸附塔壓力在110 kPa到15 kPa的降壓過程中，分子篩對CO的吸附量基本不變，真空泵主要對吸附塔空隙內游離態CO進行抽氣，當吸附塔內壓力降至15 kPa時分子篩孔隙內CO氣體（吸附態氣體）大量溢出，真空泵主要對分子篩孔隙內氣體進行抽吸，吸附塔內壓力維持在15 kPa不變，離心真空泵以一固定體積流量將氣體抽出。因此，抽真空過程可以分為2個過程進行研究：（1）吸附塔內分子篩之間的空隙在很短時間內壓力由110 kPa被抽到15 kPa；（2）吸附塔內壓力維持在15 kPa，以一固定體積流量持續抽氣。基于這樣的假設，有必要首先對充滿氣體的固定體積容器不含分子篩時固定體積流量抽氣過程進行研究。

假設固定容器體積為V，抽氣固定體積流量為固定容器內氣體質量為m，氣體熱力學溫度為T，抽氣過程中，容器總體積保持不變，只有氣體壓力P和質量流量變化，則由理想氣體狀態方程可知：

式中，n為物質的量；M為氣體摩爾質量；R為氣體常數；Rg=m/M。

對式（1）進行微分變換可得：

對式（2）進行積分可得：

式（3）即為不含分子篩固定體積容器以固定體積流量抽氣過程壓力與時間關系式（式中，c1為待定常數也就是對儲氣罐空隙內游離態氣體抽氣過程壓力與時間關系，可以看出，壓力與時間為冪指數關系。

本文所要設計的CO真空泵內含分子篩的儲氣罐空隙率約為40%，則空隙體積為：V1=110×0.4=44 m3，選取平均質量流量在進氣最低壓力時的體積流量作為固定體積流量，平均質量流量為平均質量流量在 15 kPa、40 ℃時對應的體積流量為將V1與代入上述時間與壓力函數式，可知空隙內壓力由110 kPa降低至15 kPa時所需時間t1=4 s，此時抽出CO氣體質量m1為45 kg；由設計參數知4 min所要抽出的CO氣體質量要達到916.224 kg，則抽氣第二階段所需抽出質量為871.224 kg，維持在15 kPa的抽氣時間t2=228 s；抽氣總時間t=t1+t2=232 s，滿足4 min時間要求。

由以上分析可知，若考慮一定裕量，該離心真空泵設計點可以確定為：進氣壓力15 kPa，進氣溫度40 ℃，質量流量3.817 6 kg·s-1，排氣壓力 120 kPa。

4 結語

不含分子篩固定體積容器以固定體積流量抽氣過程壓力與時間關系為冪指數關系；在設計脫附用CO離心真空泵時，設計點質量流量選取平均質量流量，進氣壓力選擇進氣壓力周期性波動最低值，排氣壓力選擇排氣壓力周期性波動最低值。