真空系統(tǒng)的工藝設(shè)計

1、真空系統(tǒng)的工藝設(shè)計馬小龍中國華陸工程公司西安710054摘要介紹真空系統(tǒng)的基本概念、工藝設(shè)計及實際應(yīng)用。真空系統(tǒng)工藝設(shè)計關(guān)鍵詞真空系統(tǒng)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛, 但有關(guān)真空系統(tǒng)的設(shè)計資料較少, 且缺乏一定的系統(tǒng)性。本文將對其基本概念和工藝設(shè)計進行綱要性的總結(jié), 并通過實際工作應(yīng)用加以佐證說明。真空度(% =(大氣壓力-P /大氣壓力×100%式中, P 為封閉空間的絕對壓力值。真空度百分?jǐn)?shù)直觀地表示出了真空度相對于大氣壓力的比例大小。在國家標(biāo)準(zhǔn)真空技術(shù)名詞術(shù)語(G B3163-82 將真空系統(tǒng)按剩余壓力(即絕對壓力 分為4個范圍, 即低真空、中真空、高真空和超高真空, 范圍如下: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、石油化工裝置中, 通常遇到的是低真空和中真空。在此特別指出兩點:(1 因為, 表壓=絕對壓力-大氣壓力, 故, 表壓=-真空度。為了避免絕壓、表壓、真空度三者相互混淆, 一般在工程設(shè)計中, 均對其加以標(biāo)注, 如110MPa (絕壓 、116MPa (表壓 、400mmHg (真空度 等。(2 由于外界大氣壓隨大氣的溫度、濕度和所在地區(qū)的海拔高度而改變, 所以在工程設(shè)計中, 一定要根據(jù)建設(shè)地區(qū)的具體情況先確定大氣壓, 再結(jié)合單元操作已確定的絕對壓力來確定真空度的大小, 如, 苯

3、乙烯真空蒸餾塔頂要求的絕對壓力為20mmHg , 在蘭州地區(qū)操作時, 由于當(dāng)?shù)仄骄髿鈮簽?40mmHg , 所以塔頂?shù)恼婵斩葹?40-20=620mmHg , 而在天津地區(qū)操作時, 由于當(dāng)?shù)仄骄髿鈮簽?60mmHg , 所以塔頂?shù)恼婵斩葹?60-20=740mmHg 。1基本概念111真空度真空度通常有以下幾種表示方法:11111以絕對壓力表示絕對壓力是指一個封閉空間內(nèi)的氣體垂直作用于器壁的壓力, 是氣體的真實壓力。以絕對壓力表示真空度時, 其值必須在零和大氣壓力之間。當(dāng)絕對壓力為零時, 表明封閉空間內(nèi)不存在任何物質(zhì), 處于全真空狀態(tài); 當(dāng)絕對壓力等于或大于外界大氣壓力時, 表明封閉空間處

4、于常壓或壓力狀態(tài), 為非真空狀態(tài), 不在本研究范圍之內(nèi)。11112以真空度表示P v =大氣壓力-P (mmHg 式中, P v 為真空度, mmHg ; P 為封閉空間的絕對壓力值。真空度是指一個封閉空間內(nèi)的氣體壓力小于外界大氣壓力的程度, 其值也在零和大氣壓力之間, 但其意義與絕對壓力相反。當(dāng)真空度為零時, 表明封閉空間處于常壓狀態(tài); 當(dāng)真空度等于大氣壓力時, 表明封閉空間內(nèi)不存在任何物質(zhì), 處于全真空狀態(tài)。11113以真空度百分?jǐn)?shù)表示即大氣壓力與真空壓力的差值, 占大氣壓力的百分?jǐn)?shù)。馬小龍:工程師, 注冊安全評價師, 1988年畢業(yè)于天津大學(xué)化工系, 一直從事化工工藝設(shè)計工作, 現(xiàn)兼做建

5、設(shè)項目(工程安全衛(wèi)生預(yù)評價工作。E 2mail :mikema pub 1xaonline 1com 。112最大真空度樣本不一, 選用時注意單位換算。116兩種抽氣速率的關(guān)系最大真空度, 有的稱極限真空度, 也有稱極限真空, 均指真空泵抽氣時可以達(dá)到的最低絕對壓力值, 是真空泵的基本工藝性能參數(shù)。其單位各樣本不一, 選用時注意單位換算。113抽氣速率11311氣量真空泵用于封閉空間抽真空時, 一般均用管道連接真空泵和封閉空間, 管道對氣體流動有阻力, 即管道兩端之間(封閉空間出口至真空泵進口 產(chǎn)生壓力差, 如圖1所示 。定量的氣體分子在指定的溫度下其占據(jù)的空間體積與氣體壓力有關(guān)。在真空技術(shù)中

6、, 氣量一般用氣體容積與氣體壓力的乘積表示(PV , 如壓力單位為mmHg , 氣體容積單位為m 3, 則氣量單位為mmHg m 3。11312流量Q指單位時間內(nèi)通過真空系統(tǒng)某一斷面的氣量, 如時間以h 為單位, 氣量單位同上, 則流量單位為mmHg m 3/h 。11313抽氣速率S指單位時間內(nèi), 由真空泵從封閉空間內(nèi)抽出的氣體體積數(shù)。封閉空間的氣體體積與其絕對壓力有關(guān), 故可以流量Q 與絕對壓力P 的比值來表示:S =Q/P圖1真空系統(tǒng)示意圖P 1為封閉空間壓力, mmHg ; P 2為進入真空泵的壓力, mmHg ;Q 1, Q 2分別為封閉空間和真空泵的抽氣流量, mmHg m 3/h

7、 ; S 1, S 2分別為封閉空間和真空泵的抽氣速率, m 3/h 。其中, S 1=Q 1/P 1, S 2=Q 2/P 2。穩(wěn)定操作時, 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 。在任何操作情況下, P 1>P 2, (P 1/P 2 >1, 故, S 2>S 1。引入管道流體阻力(W 或流體通導(dǎo)能力(U 并分別定義為:W =(P 1-P 2 /Q , U =1/W , 已知封閉空間抽氣速率S 1, 由上述不難推出:S 2=S 1/(1-S 1/U =S 1/(1-WS

8、 1 ?？梢? 只有當(dāng)管道阻力W 無限小或流體通導(dǎo)能力U 無限大時, 真空泵的抽氣速率才等于封閉空間的抽氣速率, 即, S 2=S 1。式中, Q 為流量, mmHg m 3/h ; P 為壓力, mmHg 。114封閉空間的抽氣速率封閉空間的抽氣速率是指將一個封閉空間造成一定真空時所需的抽氣速率, 是被抽氣體在出離封閉空間處的速率。其影響因素主要有:(1 漏入封閉空間的外界空氣量。雖然有些封閉空間可以做到只有極低的空氣泄漏量, 但幾乎沒有一個能達(dá)到完全氣密。實踐證明, 必須考慮空氣泄漏量。(2 泄漏空氣中飽和的可凝蒸氣量。對一個存在氣液兩相的封閉空間, 在抽氣造真空時, 其液面上的可凝蒸氣也

9、將被抽走, 所以必須考慮這些可凝蒸氣的量。(3 生產(chǎn)過程釋放的空氣量和不凝氣體量。115真空泵的抽氣速率2工藝設(shè)計211確定封閉空間界限及抽氣出口位置真空封閉空間的確定是根據(jù)化工工藝的具體操作來確定的, 它可以是1臺設(shè)備, 如真空抽吸的高位槽, 也可以是數(shù)臺設(shè)備組成的一個單元, 如真空蒸餾單元, 包括蒸餾塔、塔頂冷凝器、回流罐等。對數(shù)臺設(shè)備組成的單元, 要明確所造真空的核心設(shè)備及位置, 如真空蒸餾單元, 一般的操作要求是確定蒸餾塔頂處的真空度。確定了封閉空間界限后, 再選擇合適的抽氣出口位置。212確定封閉空間的真空壓力P真空泵的抽氣速率是指真空泵本身具有的抽氣速率, 是被抽氣體在真空泵進口處

10、的速率, 它是真空泵的另一個基本工藝性能參數(shù)。其單位各封閉空間的真空壓力在化工工藝的具體操作計算中已經(jīng)確定了, 在此為已知條件。需要注意的是, 一般均以絕對壓力P 示值, 單位為mmHg 。213計算封閉空間的總體積V表1真空系統(tǒng)設(shè)備的空氣泄漏量估算表管件類型226624 估算的平均空氣泄漏量(磅/時以下的螺紋連接以上的螺紋連接以下的法蘭連接到24 包括人孔在內(nèi)的法蘭連接以上的法蘭連接真空系統(tǒng)的設(shè)計是在工藝的單元操作設(shè)計之后, 其真空封閉空間內(nèi)的設(shè)備計算已經(jīng)完成, 只需將這些設(shè)備的處于真空狀態(tài)下的空間體積加起來即可。214計算封閉空間的抽氣速率S 21411漏入封閉空間的外界空氣量閥桿直徑在1

11、/2 以下的填料閥閥桿直徑在1/2 以上的填料閥具有潤滑的旋塞排泄旋塞玻璃視鏡玻璃液面計包括液面計旋塞攪拌器軸、泵等封液填料函, 以每軸直徑計算普通填料函, 以每軸直徑計安全閥或破壞真空的設(shè)施, 以每的公稱直徑計空氣的泄漏發(fā)生在管子連接處(法蘭、螺紋管件、閥門 、填料函、機械設(shè)備的密封等地方。如果可能, 對任何封閉空間都應(yīng)進行試驗以確定其空氣泄漏量; 對新設(shè)計和不能進行試驗的場合采用估算。E 1E 1路德維希編著的化工裝置的工藝設(shè)計介紹了估算的經(jīng)驗圖表。(1 工業(yè)上嚴(yán)密系統(tǒng)的最大空氣泄漏值見圖2 。一般在估算時采用(1 法查值即可, 如果要保守的話, 再加上(2 法所得之值。由于空氣泄漏的確定

12、涉及到有關(guān)真空系統(tǒng)方面相當(dāng)廣泛的知識, 同時要運用判斷, 所以不可能從經(jīng)驗方法獲得精確的數(shù)值。因此, 對一個嚴(yán)密而高效的真空封閉空間, 其泄漏值有時比(1 法查圖所得的值小, 約為其讀數(shù)的0150175, 但對粗糙的不嚴(yán)密的裝置, 此值可能要乘以2或3, 或者, 僅按(2 法估算也符合要求。大多數(shù)設(shè)計者均采用這些方法之一估算空氣泄漏值, 再結(jié)合工程具體情況進行系數(shù)調(diào)整。21412泄漏空氣中飽和的可凝蒸氣量泄漏空氣中飽和的可凝蒸汽量按下式計算。W 凝=W 空氣(M 凝P 凝/M 空氣P 空氣圖2工業(yè)上嚴(yán)密系統(tǒng)最大空氣泄漏值(無攪拌由已經(jīng)計算出的真空封閉空間總體積值和封閉空間的真空壓力按圖查其最大

13、空氣泄漏值。對帶有攪拌器和普通軸封的真空封閉間, 其泄漏量應(yīng)為每個攪拌器每小時增加5磅空氣。如采用特殊密封, 此值可減到1或2磅空氣。密封的轉(zhuǎn)動軸越多, 則系統(tǒng)增加泄漏的可能性也越大。(2 真空系統(tǒng)設(shè)備的空氣泄漏量的估算見表1。式中, W 凝為可凝蒸氣量, 磅/時; W 空氣為空氣泄漏量, 磅/時; P 凝為可凝蒸氣的飽和蒸汽壓, mmHg ; P 空氣為泄漏空氣分壓, mmHg ; M 凝為可凝蒸汽分子量; M 空氣為空氣分子量。這里, P 凝值可查, 沸騰時, P 凝+P 空氣=真空封閉空間絕對壓力P , 故P 空氣值可得。21413生產(chǎn)過程釋放的空氣量和不凝氣體量包括:從直接接觸的噴射水

14、中釋放的不凝氣體, 一般是空氣; 從反應(yīng)產(chǎn)物中釋放出的不凝氣體; 原先注入生產(chǎn)過程的清洗氣體中所釋放的不凝氣體。此部分氣量一般情況下很小, 可根據(jù)具體生產(chǎn)過程的物料平衡數(shù)據(jù)計入或忽略。將上述幾部分氣體的質(zhì)量流量相加, 再根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV =nR T (P 、T 已知, n =W/M 折算為操作條件下的體積流量, 即為真空封閉空間的抽氣速率S 。在計算時, 特別注意單位的換算和公式要求的單位對應(yīng)關(guān)系。215選擇真空泵空系統(tǒng)為例說明上述設(shè)計方法。該裝置的脫環(huán)、裂解、逼干工序均在20mmHg (絕壓 、80的操作條件下運行, 故將這3個工序作為一個真空封閉空間考慮。在確定真空封閉空間抽氣速率

15、時, 僅考慮了系統(tǒng)空氣泄漏量, 其它未考慮。經(jīng)估算, 脫環(huán)、逼干工序的抽氣速率為6816L/s , 裂解工序的抽氣速率為46L/s 。設(shè)計選用上海真空泵廠生產(chǎn)的2X 270A 型旋片式真空泵3臺, 1臺為脫環(huán)、逼干兩工序同時造真空, 1臺為裂解工序造真空, 另1臺為備用。所選真空泵工藝性能參數(shù)為:抽氣速率:70L/s ; 極限真空:開氣鎮(zhèn)1×10-2(mmHg (絕壓 ; 關(guān)氣鎮(zhèn)5×10-4(mmHg (絕壓 。設(shè)備定貨時, 業(yè)主與設(shè)計方商定改選為撫順市真空設(shè)備廠的H -70A 型真空泵, 其工藝性能參數(shù)為:抽氣速率:70L/s ; 極限真空:開氣鎮(zhèn)5×10-1(

16、mmHg (絕壓 ; 關(guān)氣鎮(zhèn)5×10-3(mmHg (絕壓 。迄今, 該裝置已生產(chǎn)多年, 真空系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。選擇時, 需要初步進行真空系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計, 以確定管道、閥門、管件和儀表的規(guī)格及數(shù)量, 復(fù)核系統(tǒng)空氣泄漏量, 確定真空管道中的流體壓力損失和流體通導(dǎo)能力, 將其與已經(jīng)算得的真空封閉空間的壓力P 和抽氣速率S 結(jié)合, 確定真空泵的極限真空和真空泵的抽氣速率。綜合考慮后, 選擇合適的真空泵。216系統(tǒng)抽真空所需的時間計算預(yù)先知道系統(tǒng)抽真空所需的時間, 在裝置開車時具有實際價值。當(dāng)使用具有固定排氣量的真空泵時, 可按下式計算:t =(V/V d ln (P 2-P c /(P 1-P

17、 c 式中, t 為抽真空的時間, h ; V 為系統(tǒng)體積, m 3; V d 為真空泵氣缸排氣量, m 3/h ; P 2為真空泵的排氣壓力, mmHg (絕壓 ; P c 為真空泵在進口封閉時的進口壓力, mmHg (絕壓 ; P 1為真空泵的進口壓力, mmHg (絕壓 。上述關(guān)系式是由理論推得, 沒有計入抽氣時空氣的漏入。可將上式V 乘以2或3來進行計算, 使之比較接近實際所需的時間。在目前的工程設(shè)計中, 一般不進行這一步的計算。但為了對裝置開車能夠提供一個預(yù)定的抽真空所需時間, 建議在今后的設(shè)計中, 增加此項工作。4結(jié)語通過以上敘述不難看出, 真空系統(tǒng)的工藝設(shè)計有很突出的經(jīng)驗性, 而

18、這種經(jīng)驗性又是基于深刻的理論研究之上的。所以, 在實際工作中, 要加強學(xué)習(xí)和收集最新的研究資料, 不斷整理和總結(jié)相關(guān)工程的設(shè)計經(jīng)驗, 才能將真空系統(tǒng)的工藝設(shè)計做到更加合理、經(jīng)濟。參考文獻(xiàn)1(美 E 1E 1路德維希1化工裝置的工藝設(shè)計1北京:化學(xué)工3實際應(yīng)用1993年, 我們承擔(dān)了北京化工二廠有機硅業(yè)出版社, 19792國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院1化工工藝設(shè)計手冊1(內(nèi)擴建工程的初步設(shè)計和施工圖設(shè)計, 筆者負(fù)責(zé)的是裂解及環(huán)體蒸餾裝置的工藝、系統(tǒng)及安裝設(shè)計工作。該裝置有高、低兩個真空系統(tǒng)?，F(xiàn)以高真部使用3天津大學(xué)化工原理教研室1化工原理1天津:天津科學(xué)技術(shù)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