真空系统的工艺设计

真空系统的工艺设计

马小龙Ξ　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。

关键词　真空系统　工艺设计

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。

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。

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:

低真空:105～102Pa

中真空:102～10-1Pa

高真空:10-1～10-5Pa

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。

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CHEMICA L ENGINEERING DESIGN 化工设计2003,13(2)

Ξ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,现兼做建设项目(工程)安全卫生预评价工作。E2mail:mikema@pub1xaonline1com。

112　最大真空度

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

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,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m3,则气量单位为mmHg·m3。

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·m3/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

式中,Q为流量,mmHg·m3/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

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的速率,它是真空泵的另一个基本工艺性能参数。其单位各样本不一,选用时注意单位换算。

116　两种抽气速率的关系

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

。

图1　真空系统示意图

P1为封闭空间压力,mmHg;

P2为进入真空泵的压力,mmHg;

Q1,Q2分别为封闭空间和真空泵的抽气流量,mmHg·m3/h;

S1,S2分别为封闭空间和真空泵的抽气速率,m3/h。

其中,S1=Q1/P1,S2=Q2/P2。

稳定操作时,Q1=Q2=Q,故,S1×P1=S2×P2=Q,可知,S2=S1×(P1/P2)。

在任何操作情况下,P1>P2,(P1/P2)>1,故,S2>S1。

引入管道流体阻力(W)或流体通导能力(U)并分别定义为:W=(P1-P2)/Q,U= 1/W,已知封闭空间抽气速率S1,由上述不难推出:S2=S1/(1-S1/U)=S1/(1-WS1)。

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,S2=S1。

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

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2003,13(2) 马小龙　真空系统的工艺设计