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。

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:

低真空:105～102Pa 中真空:102～10-1Pa 高真空:10-1～10-5Pa 超高真空:

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 。

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。

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。E 2mail :mikema @pub 1xaonline 1com

。

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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, 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 ; 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 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的速率, 它是真空泵的另一个基本工艺性能参数。其单位各

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　　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)

[**************]～[***********][1**********]0

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1/2 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015～0175, 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)

①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空气泄漏值。

②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:①从直接接触的喷射水中释放的不凝气体, 一般是空气; ②从反应产物中释放出的不凝气体; ③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

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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(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 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, 1979

2　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　2002-12-08)

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ABSTRACTS

Production T echnology and Market Prospect of

Nitro -NPK Compound Fertilizer

Y 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 2

ysis and comparison of different pipe standards by taking carbon steel 20#as an example.

　K ey w ords 　seamless steel pipe 　standard 　selection

Support Design of Large Diameter Pressure -reduction

Line for Oil -transferring

Lin Yue ,et al

　(Design Instit ute of N anji ng Chemical Group Com pany , N an 2

ji ng 210048)

　The author introduces basic philosophy , production feature , pro 2

cess 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 2

sure -reducing line for oil -transferring in expansion project.

　K ey w ords 　nitro -NP K 　production 　technology 　market 　ef 2

ficiency

Simulated C alculation and System Analysis of C rude Distillation

System of Ethylene Plant

G ou Hongxia ,et al

　K ey w ords 　atmospheric vacuum distillation unit 　pressure -re 2

ducing line for oil -transferring 　support arrangement 　stress analy 2sis

Sphere Compensator and its Application on Low Pressure Steam Lines

Zhang Baocheng

　(N anz hou Design Instit ute of S IN O PEC , L anz hou 730060) 　Introduce overall simulation and analysis for the crude distillation

of the ethylene plant , discuss influence of various parameters on heat recovery

　(L anz hou Design Instit ute , S IN O PEC , L anz hou 730060) 　Introduce feature , application and determination of several typical

parameters 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 　ethylene plant 　crude distillation system 　gasoline

distillation column 　heat recovery

Development and Application of Process Flow Diagram

Liu Qun

　K ey w ords 　sphere compensator 　low pressure steam 　application

Application of Autom atic Chemical -adding U nit

in Circulating Cooling W ater System

Zhou Xiaoxiang

　(Huanqi u Engi neeri ng Corporation of Chi na , Beiji ng 100029) 　The development method of the process flow diagram (PFD ) is

based 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 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 automatic control of auto 2

matic chemical -adding unit of SY system , and develop result evalu 2ation of the application.

　K ey w ords 　automatic chemical -adding unit 　circulating water

cooling system 　treatment

B rief Discussion on Design of Circulation Cooling W ater System

of Large Size Ammonia Plant

Yu Cuiyun

　K ey w ords 　process flow diagram 　design 　development

Process Design in V acuum System

Ma Xiaolong

　(Hual u Engi neeri ng Corporation of Chi na , Xian 710054) 　Introduce basic concept of vacuum system , process design and its

application.

　(Dalian Design and Research Instit ute , Dalian Chemical

(Group ) Com pany , Dalian 116031)

　K ey w ords 　vacuum system 　process design

Process Analysis and Comp arison of Dechlorination

of Depleted B rine under V acuum

Zheng Yuan ,et al

　Introduce water amount calculation of circulation cooling water and

selection of main equipment in the design of circulation cooling water of 300,000MTP Y ammonia plant.

　K ey w ords 　circulation cooling water 　system 　engineering de 2

sign

Development of Special Chemical C leaning Agent for

Stripper of U rea U nit

Li Qing ,et al

　(Chengda Chemical Engi neeri ng Corporation of Chi na , Cheng 2

du 610041)

　Analyze and compare existing dechlorination process of depleted

brine dechlorination section , and make conclusion.

　K ey w ords 　dechlorination under vacuum 　process scheme 　anal 2

ysis and comparison

Discussion on Application of C arbon Steel Pipe 20#

Li Y onghong

　(Sichuan U niversity , Chengdu 610065)

　Introduce the development of special chemical cleaning agent LS -851of the stripper of urea unit , observe influences of temperature , cleaning concentration , p H value , adding amount of additives and re 2action time of dynamic experiment unit etc. on the cleaning result. It

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