水噴射真空泵水箱降溫方案

王衛國+郭友+姚忠東

摘 要：在減壓蒸餾過程中，由于真空抽取的高溫工藝氣體溶于真空泵的水箱以及水噴射真空泵做功均會造成水箱溫度升高，會影響產品生產效率，從而導致真空度降低，所蒸餾產品產量降低。通過設計水噴射真空泵水箱降溫系統設備，調節4個水噴射真空泵水箱進出水的平衡，利用泵將水箱內的熱水通過換熱器冷卻降溫后返回各個水箱并不斷循環降溫，提高系統真空度，不但縮短了產品減壓蒸餾時間，提高了產效率，并且提高了產品收率，最終達到設計效果，解決了生產難題。

關鍵詞：減壓蒸餾;水噴射;真空泵;降溫

1 背景

肼類物質是重要的液體航天發動機推進劑，西安航天動力試驗技術研究所在某種肼類化合物生產線中，使用減壓蒸餾的方式先制得含肼水溶液粗品物質。減壓蒸餾是化學品生產中非常常用的一個操作步驟，是借助真空泵降低系統壓力從而降低液體沸點，在精細化工產品生產中能夠節能降耗、提高效率、降低安全隱患、保障工藝穩定。在該肼水溶液減壓蒸餾過程中，真空系統采用4臺水噴射真空泵。由于真空抽取的高溫工藝氣體溶于真空泵的水箱以及水噴射真空泵做功均會造成水箱溫度升高，而水噴射真空泵正常使用溫度為25℃以下，當水箱內水溫≥30℃后，系統真空度明顯下降，由最初的0.09MPa左右降至0.08MPa左右，當水溫繼續上升至40℃后，真空系統中的二級羅茨真空泵無法啟動，系統真空度將不足0.07Mpa，這時造成產品蒸餾時間顯著延長，生產效率大幅下降。

原水噴射真空泵的水箱降溫方法為換水降溫，即通過將水箱內溫度較高的廢水直接排放，再向水箱補加自來水。由于排走的水中有少量肼類工藝氣體溶解其中，平均每臺泵每天排水5次，每次1 m?，4臺泵每天共計排放廢水20m?，不僅給廢水處理系統增加負擔，毒害性廢水處理成本加大，而且頻繁換水導致生產效率降低，換水過程中生產系統不穩定。

2 設計目的

通過設計一套水箱降溫系統，來使得水噴射真空泵水箱內水溫恒定低于20℃，滿足生產系統的真空度要求，同時減少廢水排放量，將廢水不斷循環降溫，待廢水雜質含量較高時集中處理。

3 設計思路

考慮一般循環用水無法滿足真空泵降溫需求，需設計一臺冷水機組來提供冷卻介質，同時循環管路上需設計一臺列管換熱器用于水箱水降溫冷卻，整套循環過程利用泵提供輸送動力，在泵前端設計一臺過濾器用于過濾雜質。

4 工作原理

圖1和圖2分別為改造前后的真空系統工藝流程簡圖。

通過設計合適制冷量的冷水機組來提供冷卻介質，設計足夠換熱面積的換熱器用于水箱熱水的熱交換設備，將四臺水噴射真空泵水箱內的水通過底部放凈閥流出，先經過籃式過濾器過濾后，通過離心泵輸送，經換熱器冷卻降溫后，再返回至水噴射真空泵中繼續循環使用。

5 理論計算

5.1 水噴射真空泵水箱水熱量恒算和制冷機選型

經實際測量，冬天里，水箱進水平均溫度約為10℃，出水平均溫度約為30℃，夏天里，水箱進水平均溫度約為15℃，出水平均溫度約為40℃，取最大值計算，根據公式：

Q=qm1Cp1（T1-T2）

其中Q為水溫升高過程放出的總熱量，qm1為廢水流量，Cp1為水的比熱容，T1為水箱排水溫度，T2為水箱進水溫度。

帶入數據：

qm1=30m?/d=1.25m?/h=1250kg/h

Cp1=4.2×103J/kg·℃

T1=40℃ ? T2=15℃

Q=qm1Cp1（T1-T2）=1250×4.2×103×25

=1.31×105KJ/h

=3.1×104Kcal/h

由以上計算可以得出，理論計算水箱內水溫升高過程的總熱量約為3.1萬大卡，一般設計裕度為15～25%，取20%，則制冷機組至少需選擇制冷量為3.1×120%=3.7萬大卡。考慮在水噴射機組前端還需增加其他小型換熱裝置，則制冷機組還需增加20%的富裕量，則制冷機組制冷量最終為3.7×120%=4.4萬大卡。根據以上計算數據，選擇制冷量為4.5萬大卡冷水機組，機組出水最低溫度7℃。

5.2 冷凝器換熱面積計算和冷凝器的選型

由公式Q=KA△tm*可知，A= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

由于已知總熱量Q=1.31×105KJ/h，則需計算總傳熱系數K，以及修正后平均推動力△tm*

5.2.1 總傳熱系數K的計算

（1）廢水給熱系數α1的計算

查閱化工手冊及相關工業書籍，得知：

廢水粘度：μ1=1mPa·s

導熱系數：λ1=0.599W/m·℃

密度：ρ1=1000kg/m?

比熱容：Cp1=4.2×103J/kg·℃

流速：u1=2m/s

管徑：d1=0.02m

帶入上述公式計算可知：

（2）制冷劑（氟利昂）給熱系數α2的計算

查閱化工手冊及相關工業書籍，得知：

氟利昂粘度：μ2=0.32mPa·s

導熱系數：λ2=0.0727W/m·℃

密度：ρ1=1486kg/m?

比熱容：Cp1=1.41×103J/kg·℃

流速：u1=0.27m/s

管徑：d1=0.1m

帶入上述公式計算可知：

（3）總傳熱系數K

? K=

由于列管換熱器器壁熱阻δ/λ一般很小，可忽略不計，則總傳熱系數：

（2）

5.2.2 修正后的平均推動力△tm*

（1）平均推動力△tm=，由于T1為廢水出口溫度40℃，T2為廢水回水溫度15℃，t1為制冷機組進入冷凝器溫度7℃，t2為制冷機組出冷凝器溫度12℃，帶入上式，可得：

（2）修正后的平均推動力。由于橫軸修正值，豎軸修正值，查平均推動力修正表可知，修正值ψ=0.92

則△tm*=△tm×ψ=9.818×0.92=9.03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

5.2.3 換熱面積計算

將（2）和（3）式中的結果帶入（1）式，可得出

一般換熱面積有15%～25%的設計裕度，取20%，則

A=10.4×120%=12.5m2

由于計算中忽略污垢熱阻給傳熱系數A帶來的影響，在長期使用后，污垢熱阻會逐漸增加，根據經驗數據，預計由于污垢熱阻的影響會導致傳熱系數K下降約30%，同理換熱面積則需增大30%，則最終換熱面積為：

A最終=A×1.3=16.25m2

因此選擇換熱面積20㎡的換熱器。

6 使用效果

通過此次設計改造，降溫系統運行后，水箱內水溫基本穩定在15～17℃左右，達到真空泵正常運行水溫需≤25℃的要求，同時生產系統真空度≥0.09Mpa，滿足生產系統真空度要求。

同時，此次設計改造之前由于真空泵水箱水溫過高，需對真空泵水箱換水來達到降溫目的，而現在由于將真空泵水箱水通過泵輸送至換熱器降溫后循環使用，水箱內水不需要排放，廢水排放量由之前的平均20m?/天，降低到5天排放一次（一次是4臺真空泵水箱內廢水，共計約4m?），日平均排放量<1m?/天，完全達到設計效果。

7 效率提升及成本節約

（1）產品減壓蒸餾時間隨系統真空度增加而降低，見下表：

從生產過程來看，提高系統真空度則相應減少減壓蒸餾時間，目前系統真空度基本維持在≥0.09Mpa，減壓蒸餾時間基本在8～10小時，相比之前減少了4～5小時，減壓蒸餾效率粗算提高近50%。

（2）自來水用量日均減少量為19m?/天，年節約用水近7000m?/年，同時減少廢水排放量，數據基本同上，為近7000m?/年。

（3）未改造之前，一次換水時間為15分鐘，平均2～3小時換水一次，一天換水平均10次，日節約時間約150分鐘，同時減少了操作人員換水操作。

8 推廣應用前景

化工生產中，采用減壓蒸餾或真空干燥的產品特別多，使用到水噴射真空泵作為系統的真空時基本均會遇到此類問題，利用循環降溫補水的方式是經濟可行且效果良好的解決方案。該方案還可應用于水環真空泵等需要用水來作為必要介質的真空設備，同樣是由于長時間運行過程中造成水溫升高，此時也可利用循環降溫原理為水環真空泵補水罐的水進行冷卻，滿足使用要求。

參考資料：

[1]陳敏恒.化工原理[M]. 華東理工大學出版社，2006.

[2]朱有庭.化工設備設計手冊[S]. 化學工業出版社，2005.