水蒸汽噴射真空泵在農藥生產中的應用

朱海桃

(南通江山農藥化工股份有限公司，江蘇 南通 226000)

在農藥、化工生產過程中，許多操作需要用到真空條件。比如，減壓蒸發、減壓蒸餾、負壓提濃、脫水操作，以及物料輸送等單元操作。在使用了真空條件后，使得操作的速率加快，反應的溫度降低，提高了產品的品質，節約了能源消耗，同時也給安全生產帶來了保障。

南通江山農藥化工股份有限公司酰胺類分廠在生產丁草胺、乙草胺過程中需要用到真空條件進行脫溶操作。由于之前使用的是機械式真空泵組，存在軸封經常性泄漏、噪聲大、電耗大、零部件損害多等問題，所以對其進行了相應的改造。使用了結構相對簡單，運行可靠的水蒸汽噴射泵進行抽真空操作，經運行對比，可節約能源40%以上。

1 水蒸汽噴射泵的工作原理與特點

1.1 蒸汽噴射泵的工作原理

蒸氣流真空泵是一類用蒸氣流體作為抽氣媒介來獲得真空的裝置，包括蒸氣噴射泵、蒸氣擴散泵、蒸氣增壓泵等。其原理均是基于高速運動的蒸氣流與被抽氣體進行混合后進行能量交換而達到抽氣的目的。

水蒸汽噴射泵工作原理見圖1。

圖1 水蒸汽噴射泵工作原理示意圖

工作蒸汽高速進入噴射真空泵的噴嘴。由于噴嘴是一個截面積很小的圓形小孔，通過噴嘴后動力蒸汽產生絕熱膨脹。此時將位能(壓力能)轉化為動能(速度能)，高速射出，壓力下降，攜帶著被抽氣體進入混合段。兩股氣體一邊進行能量交換，一邊又逐漸被壓縮，逐步進入到壓縮段。此時動能又轉化為位能，最后從擴壓器中排出噴射器。[1]

1.2 水蒸汽噴射泵的特點

水蒸汽噴射泵工作范圍較寬(1×105Pa～10-2Pa)，抽氣量也很大(每小時能達到幾百千克)，使用介質無嚴格要求，主要特點有：

1)無尺寸限制 (DN 8～DN 3500)；2)設計上無限制，真空度可達到 0.01 Pa；3)可以使用各種動力蒸汽；4)能處理吸入流中的污物；5)可根據物料特性采用各種材料制造；6)性能高，安全，低維護費用，壽命長。

1.3 水蒸汽噴射泵的結構及分類

水蒸汽噴射泵由噴射泵、冷凝器、消音器等部分組成。根據噴嘴類型一般分為：單噴嘴噴射泵，多噴嘴噴射泵和可調節噴嘴噴射泵。其中，多噴嘴技術可以節約10%～20%的蒸汽消耗，多用于噴射器直徑和蒸汽消耗量較大的場合；可調節噴嘴噴射泵可以自動調整蒸汽量，其操作原理是氣力推動錐形軸(可軸向移動)移入或移出噴嘴以控制動力蒸汽的流量，用于吸入或排出壓力需要隨時發生改變工藝條件的場合。[2]

水蒸汽噴射泵在使用時還需配套相應的冷凝器，一般按照結構不同分為：大氣冷凝器和表面冷凝器。大氣冷凝器一般有分配盤式、孔板式和傘帽式三種，主要作用就是使冷卻水呈細柱狀或降膜狀分布，以增加熱交換面積。大氣冷凝器需要一定的安裝高度,通過液體自重排液,只能垂直安裝。如果低位安裝 (無大氣腿)則需要采用機械方式排液，一次性投資低，需要較少的冷卻水，可在較低的絕對壓力下操作，維護少、無須清洗，可使用各種材料制造，還可用作清洗器，但污染冷卻液。表面冷凝器的蒸汽與冷卻水分別在管子內外,通過管壁進行換熱，能夠回收尾氣中的冷凝液，安裝方式可以垂直或者水平，無需安裝大氣腿，設備投資相比大氣冷凝器稍大。

水蒸汽噴射泵使用時一般根據真空度的要求進行串聯使用，級數越多，所達到的極限真空也越高。也可根據實際情況與水噴射泵、機械式噴射泵聯合使用。

2 江山公司農藥脫溶系統真空改造方案

江山公司脫溶系統需要達到 600 Pa 的極限真空，尾氣排放為常壓，不凝氣為乙醇：(115 kg/h)，系統泄漏量 4.54 kg/h(按照HEI標準計)。根據此工藝條件，江山公司進行了真空技術方案的改進。

2.1 工作蒸汽壓力

蒸汽噴射器以蒸汽為驅動力，其蒸汽壓力越高，蒸汽與冷卻水量消耗就越少，但工作蒸汽壓力過高時，會引起膨脹增加，引起噴嘴損失，且蒸汽壓力越高，蒸汽產生的費用和設備投資相應增大。結合江山公司實際的蒸汽壓力情況，最終選擇工作蒸汽壓力為0.6 MPa(表壓)，最低壓力不低于 0.55 MPa[3]。蒸汽壓力波動過大或者蒸汽壓力過低，均會對蒸汽噴射泵的抽氣能力產生比較大的影響，所以為了保持動力蒸汽的壓力穩定，在蒸汽管道上增加了穩壓閥門。

考慮到工作蒸汽干度的影響，工作蒸汽含水時會使泵的運行不穩定，所以為了保證蒸汽干度，除了在蒸汽管道上進行輸水，同時對蒸汽管路進行有效保溫。另外，在進入噴射泵前增加蒸汽包進行二次分水，保證蒸汽的干度。[4]

2.2 真空度

本次改造需要達到的極限真空為 600 Pa，根據(表1)水蒸汽噴射泵級數與極限真空對比，選擇3級噴射泵進行串聯使用。

表1 水蒸汽噴射泵級數與極限真空對比

2.3 冷卻水

冷凝器冷卻水的溫度越低，冷卻水用量就越少，真空效果也相應較好。如果冷卻水的溫度升高，水蒸汽噴射泵的抽氣能力會下降，達不到工藝值，所以本次改造時選擇冷卻水溫度小于 25 ℃。

冷卻水的流量也是一個重要的指標。流量不足，冷凝效果變差，真空度也會急劇的下降，甚至造成倒吸的現象。結合冷凝器口徑選擇了冷卻水量為 60 m3/h。

另外，一個冷卻水的重要指標是冷卻水的水質，水質變差，硬度升高，會導致冷凝器積垢甚至堵塞，影響冷卻性能，使得動力蒸汽不能冷凝，影響真空效果。所以確定循環冷卻系統需要進行定期換水、排水[5]。

2.4 真空改造方案

根據以上的系統條件，最終選擇了三級水蒸汽噴射泵串聯與一級水蒸汽噴射泵并聯使用，三級水蒸汽噴射泵串聯后使得極限真空達到 600 Pa 以下，一級水蒸汽噴射泵并聯作為啟動級保證抽氣量，保證達到極限真空的時間。具體改造見圖2。

圖2 真空改造流程圖

2.4.1 設備尺寸

改造后的真空系統設備尺寸見表2。

表2 水蒸汽噴射泵各級尺寸一覽表

2.4.2 蒸汽用量

改造后的水蒸汽噴射泵各級蒸汽用量見表3。

表3 水蒸汽噴射泵各級蒸汽用量一覽表

2.4.3 冷卻水用量

改造后的水蒸汽噴射泵各級冷卻水用量見表4。

表4 水蒸汽噴射泵各級冷卻水用量一覽表

2.4.4 改造前后對比

改造完成后對比之前的機械式真空泵性能，從真空度、穩定性、維修費用等8個方面進行了對比，詳細對比見表5。

表5 改造后水蒸汽噴射泵與機械式真空泵性能對比表

3 結語

本次改造后的真空系統，采用三級水蒸汽噴射泵串聯與一級水蒸汽噴射泵并聯使用，極限真空度能夠達到 600 Pa，在使用啟動級的情況下 30 m3空釜到達極限真空的耗時只需 20 min，完全符合工藝條件的需求，綜合運行成本對比下降40%以上。經過長時間的運行檢驗，裝置運行可靠，無易損部件，使用3年未進行過任何維修，給化工生產的安全穩定運行提高了極大的保障。