真空系统的工艺设计

1、真空系统的工艺设计马小龙中国华陆工程公司西安710054摘要介绍真空系统的基本概念、工艺设计及实际应用。真空系统工艺设计关键词真空系统在化工生产中的应用非常广泛, 但有关真空系统的设计资料较少, 且缺乏一定的系统性。本文将对其基本概念和工艺设计进行纲要性的总结, 并通过实际工作应用加以佐证说明。真空度(% =(大气压力-P /大气压力×100%式中, P 为封闭空间的绝对压力值。真空度百分数直观地表示出了真空度相对于大气压力的比例大小。在国家标准真空技术名词术语(G B3163-82 将真空系统按剩余压力(即绝对压力 分为4个范围, 即低真空、中真空、高真空和超高真空, 范围如下:低

2、真空:105102Pa 中真空:10210-1Pa 高真空:10-110-5Pa 超高真空:<10-5Pa在化工、石油化工装置中, 通常遇到的是低真空和中真空。在此特别指出两点:(1 因为, 表压=绝对压力-大气压力, 故, 表压=-真空度。为了避免绝压、表压、真空度三者相互混淆, 一般在工程设计中, 均对其加以标注, 如110MPa (绝压 、116MPa (表压 、400mmHg (真空度 等。(2 由于外界大气压随大气的温度、湿度和所在地区的海拔高度而改变, 所以在工程设计中, 一定要根据建设地区的具体情况先确定大气压, 再结合单元操作已确定的绝对压力来确定真空度的大小, 如, 苯

3、乙烯真空蒸馏塔顶要求的绝对压力为20mmHg , 在兰州地区操作时, 由于当地平均大气压为640mmHg , 所以塔顶的真空度为640-20=620mmHg , 而在天津地区操作时, 由于当地平均大气压为760mmHg , 所以塔顶的真空度为760-20=740mmHg 。1基本概念111真空度真空度通常有以下几种表示方法:11111以绝对压力表示绝对压力是指一个封闭空间内的气体垂直作用于器壁的压力, 是气体的真实压力。以绝对压力表示真空度时, 其值必须在零和大气压力之间。当绝对压力为零时, 表明封闭空间内不存在任何物质, 处于全真空状态; 当绝对压力等于或大于外界大气压力时, 表明封闭空间处

4、于常压或压力状态, 为非真空状态, 不在本研究范围之内。11112以真空度表示P v =大气压力-P (mmHg 式中, P v 为真空度, mmHg ; P 为封闭空间的绝对压力值。真空度是指一个封闭空间内的气体压力小于外界大气压力的程度, 其值也在零和大气压力之间, 但其意义与绝对压力相反。当真空度为零时, 表明封闭空间处于常压状态; 当真空度等于大气压力时, 表明封闭空间内不存在任何物质, 处于全真空状态。11113以真空度百分数表示即大气压力与真空压力的差值, 占大气压力的百分数。马小龙:工程师, 注册安全评价师, 1988年毕业于天津大学化工系, 一直从事化工工艺设计工作, 现兼做建

5、设项目(工程安全卫生预评价工作。E 2mail :mikema pub 1xaonline 1com 。112最大真空度样本不一, 选用时注意单位换算。116两种抽气速率的关系最大真空度, 有的称极限真空度, 也有称极限真空, 均指真空泵抽气时可以达到的最低绝对压力值, 是真空泵的基本工艺性能参数。其单位各样本不一, 选用时注意单位换算。113抽气速率11311气量真空泵用于封闭空间抽真空时, 一般均用管道连接真空泵和封闭空间, 管道对气体流动有阻力, 即管道两端之间(封闭空间出口至真空泵进口 产生压力差, 如图1所示 。定量的气体分子在指定的温度下其占据的空间体积与气体压力有关。在真空技术中

6、, 气量一般用气体容积与气体压力的乘积表示(PV , 如压力单位为mmHg , 气体容积单位为m 3, 则气量单位为mmHg m 3。11312流量Q指单位时间内通过真空系统某一断面的气量, 如时间以h 为单位, 气量单位同上, 则流量单位为mmHg m 3/h 。11313抽气速率S指单位时间内, 由真空泵从封闭空间内抽出的气体体积数。封闭空间的气体体积与其绝对压力有关, 故可以流量Q 与绝对压力P 的比值来表示:S =Q/P图1真空系统示意图P 1为封闭空间压力, mmHg ; P 2为进入真空泵的压力, mmHg ;Q 1, Q 2分别为封闭空间和真空泵的抽气流量, mmHg m 3/h

7、 ; S 1, S 2分别为封闭空间和真空泵的抽气速率, m 3/h 。其中, S 1=Q 1/P 1, S 2=Q 2/P 2。稳定操作时, Q 1=Q 2=Q , 故, S 1×P 1=S 2×P 2=Q , 可知, S 2=S 1×(P 1/P 2 。在任何操作情况下, P 1>P 2, (P 1/P 2 >1, 故, S 2>S 1。引入管道流体阻力(W 或流体通导能力(U 并分别定义为:W =(P 1-P 2 /Q , U =1/W , 已知封闭空间抽气速率S 1, 由上述不难推出:S 2=S 1/(1-S 1/U =S 1/(1-WS

8、 1 。可见, 只有当管道阻力W 无限小或流体通导能力U 无限大时, 真空泵的抽气速率才等于封闭空间的抽气速率, 即, S 2=S 1。式中, Q 为流量, mmHg m 3/h ; P 为压力, mmHg 。114封闭空间的抽气速率封闭空间的抽气速率是指将一个封闭空间造成一定真空时所需的抽气速率, 是被抽气体在出离封闭空间处的速率。其影响因素主要有:(1 漏入封闭空间的外界空气量。虽然有些封闭空间可以做到只有极低的空气泄漏量, 但几乎没有一个能达到完全气密。实践证明, 必须考虑空气泄漏量。(2 泄漏空气中饱和的可凝蒸气量。对一个存在气液两相的封闭空间, 在抽气造真空时, 其液面上的可凝蒸气也

9、将被抽走, 所以必须考虑这些可凝蒸气的量。(3 生产过程释放的空气量和不凝气体量。115真空泵的抽气速率2工艺设计211确定封闭空间界限及抽气出口位置真空封闭空间的确定是根据化工工艺的具体操作来确定的, 它可以是1台设备, 如真空抽吸的高位槽, 也可以是数台设备组成的一个单元, 如真空蒸馏单元, 包括蒸馏塔、塔顶冷凝器、回流罐等。对数台设备组成的单元, 要明确所造真空的核心设备及位置, 如真空蒸馏单元, 一般的操作要求是确定蒸馏塔顶处的真空度。确定了封闭空间界限后, 再选择合适的抽气出口位置。212确定封闭空间的真空压力P真空泵的抽气速率是指真空泵本身具有的抽气速率, 是被抽气体在真空泵进口处

10、的速率, 它是真空泵的另一个基本工艺性能参数。其单位各封闭空间的真空压力在化工工艺的具体操作计算中已经确定了, 在此为已知条件。需要注意的是, 一般均以绝对压力P 示值, 单位为mmHg 。213计算封闭空间的总体积V表1真空系统设备的空气泄漏量估算表管件类型226624 估算的平均空气泄漏量(磅/时以下的螺纹连接以上的螺纹连接以下的法兰连接到24 包括人孔在内的法兰连接以上的法兰连接真空系统的设计是在工艺的单元操作设计之后, 其真空封闭空间内的设备计算已经完成, 只需将这些设备的处于真空状态下的空间体积加起来即可。214计算封闭空间的抽气速率S 21411漏入封闭空间的外界空气量阀杆直径在1

11、/2 以下的填料阀阀杆直径在1/2 以上的填料阀具有润滑的旋塞排泄旋塞玻璃视镜玻璃液面计包括液面计旋塞搅拌器轴、泵等封液填料函, 以每轴直径计算普通填料函, 以每轴直径计安全阀或破坏真空的设施, 以每的公称直径计空气的泄漏发生在管子连接处(法兰、螺纹管件、阀门 、填料函、机械设备的密封等地方。如果可能, 对任何封闭空间都应进行试验以确定其空气泄漏量; 对新设计和不能进行试验的场合采用估算。E 1E 1路德维希编著的化工装置的工艺设计介绍了估算的经验图表。(1 工业上严密系统的最大空气泄漏值见图2 。一般在估算时采用(1 法查值即可, 如果要保守的话, 再加上(2 法所得之值。由于空气泄漏的确定

12、涉及到有关真空系统方面相当广泛的知识, 同时要运用判断, 所以不可能从经验方法获得精确的数值。因此, 对一个严密而高效的真空封闭空间, 其泄漏值有时比(1 法查图所得的值小, 约为其读数的0150175, 但对粗糙的不严密的装置, 此值可能要乘以2或3, 或者, 仅按(2 法估算也符合要求。大多数设计者均采用这些方法之一估算空气泄漏值, 再结合工程具体情况进行系数调整。21412泄漏空气中饱和的可凝蒸气量泄漏空气中饱和的可凝蒸汽量按下式计算。W 凝=W 空气(M 凝P 凝/M 空气P 空气图2工业上严密系统最大空气泄漏值(无搅拌由已经计算出的真空封闭空间总体积值和封闭空间的真空压力按图查其最大

13、空气泄漏值。对带有搅拌器和普通轴封的真空封闭间, 其泄漏量应为每个搅拌器每小时增加5磅空气。如采用特殊密封, 此值可减到1或2磅空气。密封的转动轴越多, 则系统增加泄漏的可能性也越大。(2 真空系统设备的空气泄漏量的估算见表1。式中, W 凝为可凝蒸气量, 磅/时; W 空气为空气泄漏量, 磅/时; P 凝为可凝蒸气的饱和蒸汽压, mmHg ; P 空气为泄漏空气分压, mmHg ; M 凝为可凝蒸汽分子量; M 空气为空气分子量。这里, P 凝值可查, 沸腾时, P 凝+P 空气=真空封闭空间绝对压力P , 故P 空气值可得。21413生产过程释放的空气量和不凝气体量包括:从直接接触的喷射水

14、中释放的不凝气体, 一般是空气; 从反应产物中释放出的不凝气体; 原先注入生产过程的清洗气体中所释放的不凝气体。此部分气量一般情况下很小, 可根据具体生产过程的物料平衡数据计入或忽略。将上述几部分气体的质量流量相加, 再根据理想气体状态方程PV =nR T (P 、T 已知, n =W/M 折算为操作条件下的体积流量, 即为真空封闭空间的抽气速率S 。在计算时, 特别注意单位的换算和公式要求的单位对应关系。215选择真空泵空系统为例说明上述设计方法。该装置的脱环、裂解、逼干工序均在20mmHg (绝压 、80的操作条件下运行, 故将这3个工序作为一个真空封闭空间考虑。在确定真空封闭空间抽气速率

15、时, 仅考虑了系统空气泄漏量, 其它未考虑。经估算, 脱环、逼干工序的抽气速率为6816L/s , 裂解工序的抽气速率为46L/s 。设计选用上海真空泵厂生产的2X 270A 型旋片式真空泵3台, 1台为脱环、逼干两工序同时造真空, 1台为裂解工序造真空, 另1台为备用。所选真空泵工艺性能参数为:抽气速率:70L/s ; 极限真空:开气镇1×10-2(mmHg (绝压 ; 关气镇5×10-4(mmHg (绝压 。设备定货时, 业主与设计方商定改选为抚顺市真空设备厂的H -70A 型真空泵, 其工艺性能参数为:抽气速率:70L/s ; 极限真空:开气镇5×10-1(

16、mmHg (绝压 ; 关气镇5×10-3(mmHg (绝压 。迄今, 该装置已生产多年, 真空系统运转良好。选择时, 需要初步进行真空系统的系统设计, 以确定管道、阀门、管件和仪表的规格及数量, 复核系统空气泄漏量, 确定真空管道中的流体压力损失和流体通导能力, 将其与已经算得的真空封闭空间的压力P 和抽气速率S 结合, 确定真空泵的极限真空和真空泵的抽气速率。综合考虑后, 选择合适的真空泵。216系统抽真空所需的时间计算预先知道系统抽真空所需的时间, 在装置开车时具有实际价值。当使用具有固定排气量的真空泵时, 可按下式计算:t =(V/V d ln (P 2-P c /(P 1-P

17、 c 式中, t 为抽真空的时间, h ; V 为系统体积, m 3; V d 为真空泵气缸排气量, m 3/h ; P 2为真空泵的排气压力, mmHg (绝压 ; P c 为真空泵在进口封闭时的进口压力, mmHg (绝压 ; P 1为真空泵的进口压力, mmHg (绝压 。上述关系式是由理论推得, 没有计入抽气时空气的漏入。可将上式V 乘以2或3来进行计算, 使之比较接近实际所需的时间。在目前的工程设计中, 一般不进行这一步的计算。但为了对装置开车能够提供一个预定的抽真空所需时间, 建议在今后的设计中, 增加此项工作。4结语通过以上叙述不难看出, 真空系统的工艺设计有很突出的经验性, 而

18、这种经验性又是基于深刻的理论研究之上的。所以, 在实际工作中, 要加强学习和收集最新的研究资料, 不断整理和总结相关工程的设计经验, 才能将真空系统的工艺设计做到更加合理、经济。参考文献1(美 E 1E 1路德维希1化工装置的工艺设计1北京:化学工3实际应用1993年, 我们承担了北京化工二厂有机硅业出版社, 19792国家医药管理局上海医药设计院1化工工艺设计手册1(内扩建工程的初步设计和施工图设计, 笔者负责的是裂解及环体蒸馏装置的工艺、系统及安装设计工作。该装置有高、低两个真空系统。现以高真部使用3天津大学化工原理教研室1化工原理1天津:天津科学技术出版社, 1985(收稿日期2002-

19、12-08ABSTRACTSProduction T echnology and Market Prospect ofNitro -NPK Compound FertilizerY ao Y ongfa(L anz hou Design Instit ute , S IN O PEC , L anz hou 730060 Introduce importance of correct selection of material through anal 2ysis and comparison of different pipe standards by taking carbon steel

20、 20#as an example.K ey w ords seamless steel pipe standard selectionSupport Design of Large Diameter Pressure -reductionLine for Oil -transferringLin Yue ,et al(Design Instit ute of N anji ng Chemical Group Com pany , N an 2ji ng 210048The author introduces basic philosophy , production feature , pr

21、o 2cess design , consumption figures , market and efficiency of the nitro -NP K compound fertilizer.(S hanghai Ji nshan Engi neeri ng Corporation , S hanghai 200540 Introduce arrangement and stress analysis of pipe supports of pres 2sure -reducing line for oil -transferring in expansion project.K ey

22、 w ords nitro -NP K production technology market ef 2ficiencySimulated C alculation and System Analysis of C rude DistillationSystem of Ethylene PlantG ou Hongxia ,et alK ey w ords atmospheric vacuum distillation unit pressure -re 2ducing line for oil -transferring support arrangement stress analy 2

23、sisSphere Compensator and its Application on Low Pressure Steam LinesZhang Baocheng(N anz hou Design Instit ute of S IN O PEC , L anz hou 730060 Introduce overall simulation and analysis for the crude distillationof the ethylene plant , discuss influence of various parameters on heat recovery(L anz

24、hou Design Instit ute , S IN O PEC , L anz hou 730060 Introduce feature , application and determination of several typicalparameters of sphere compensator , and illustrate application of the sphere compensator on low pressure steam lines by taking engineering practices as examples.K ey w ords ethyle

25、ne plant crude distillation system gasolinedistillation column heat recoveryDevelopment and Application of Process Flow DiagramLiu QunK ey w ords sphere compensator low pressure steam applicationApplication of Autom atic Chemical -adding U nitin Circulating Cooling W ater SystemZhou Xiaoxiang(Huanqi

26、 u Engi neeri ng Corporation of Chi na , Beiji ng 100029 The development method of the process flow diagram (PFD isbased on a new design method of process flow diagram , adopted in the international companies in recent years. It forms most efficient design documents in intermittent process , such as

27、 design margin drawing of process flow diagram , mark and sign drawing of design temperature/pressure , selection drawing of process materials and cal 2culation unit drawing of hydraulics etc. .(Yangtze Pet ro -chemical Design Instit ute , N anji ng 210048 Introduce constitution and realization of a

28、utomatic control of auto 2matic chemical -adding unit of SY system , and develop result evalu 2ation of the application.K ey w ords automatic chemical -adding unit circulating watercooling system treatmentB rief Discussion on Design of Circulation Cooling W ater Systemof Large Size Ammonia PlantYu C

29、uiyunK ey w ords process flow diagram design developmentProcess Design in V acuum SystemMa Xiaolong(Hual u Engi neeri ng Corporation of Chi na , Xian 710054 Introduce basic concept of vacuum system , process design and itsapplication.(Dalian Design and Research Instit ute , Dalian Chemical(Group Com pany , Dalian 116031K ey w ords vacuum system process designProcess Analysis and Comp arison of Dechlorinationof Depleted B rine under V acuu