蒸汽噴射器在蒸發系統中的應用

范開智

中石化寧波工程有限公司上海分公司（上海　200030）

化工設備

蒸汽噴射器在蒸發系統中的應用

范開智

中石化寧波工程有限公司上海分公司（上海200030）

在真空系統的設計中，應根據物料的性質、操作的要求和真空度的范圍，結合公用工程的實際情況來選擇真空設備。著重介紹了二級蒸汽噴射器的計算，結合蒸汽噴射器的特點，闡述了蒸汽噴射器在真空系統中的應用。通過對蒸汽噴射系統和真空泵組的投資及經濟分析，希望對相似類型真空系統的設計提供一定的參考。

蒸汽噴射器真空泵能耗

0　概述

噴射器的工作原理是利用高壓流體通過噴嘴時的節流作用而達到工藝目的。常用的噴射器有兩種：蒸汽噴射器和水（或工藝液體）噴射器。蒸汽噴射器以蒸汽作動力，可以穩定地維持系統的真空狀態；水（或工藝液體）噴射器主要用來混合物料。噴射器因結構簡單、制造容易、維修費用低而在化工行業應用十分普遍。

如圖1所示，高壓蒸汽通過透平做功，乏汽進入凝汽器，通常采用兩級蒸汽噴射器連續抽汽，在凝汽器中形成87 kPa左右的真空度，透平的末級排氣溫度低至50～55℃，以充分利用蒸汽的熱焓，并使乏汽能夠使用常規的冷卻方法冷凝回收，保持系統平穩運行。

如圖2所示的液體噴射器在濕法脫硫裝置中得到了廣泛應用。無論是氨水、碳酸鈉溶液、還是其他堿性水溶液，吸收硫化氫并將其氧化再生均為瞬時反應；一定壓力的富液經過噴嘴時將勢能轉化為動能，壓力降低，速度升高，被抽吸的空氣接受動能，在混合室充分混合反應，氧化再生的混合物在擴散管內降低速度，升高壓力后排出，單質硫泡沫浮至再生槽上部而分離溢流，再生貧液經液位調節器引出，加壓循環使用。噴射器吸入口無真空度要求，結構計算簡單。

目前，大部分多效蒸發裝置仍使用真空機械作為末效蒸發真空度的動力源，例如在某裝置的傳統設計流程中，蒸汽由蒸發器進入冷凝器中，凝液進入凝液罐，在冷凝器底部接入真空泵，由真空泵出口調節真空度，如圖3所示。但在實際運行中，真空泵的噪音大，進口分離罐排液量大，系統運行并不平穩。在新的設計中，提出了兩個解決方案：一是在真空泵分離罐前增加冷凝器，使用冷凍鹽水深度冷凝分離液滴；二是應用蒸汽噴射系統實現真空度（見圖4）。本文就蒸汽噴射器替代真空泵的應用實例，介紹蒸汽噴射器的設計與經濟效益分析。

圖1　全凝透平機組的真空系統

圖2　濕法脫硫再生槽噴射系統

圖3　蒸發裝置真空泵組液程

圖4　蒸汽噴射系統真空蒸發液程

2　噴射器在蒸發系統中的設計

2.1確定各級參數

蒸發器的操作壓力（p進）為0．0086 MPa(a)；排氣壓力（p排）設計為0．105 MPa(a)；一級噴射器進口設計流量G11=100 kg/h，其中G11(H2O)=55 kg/h，G11(N2)= 45 kg/h；每級噴射器后串接級間冷卻器，見圖4；動力蒸汽壓力0．5 MPa(a)；每級排氣冷卻器阻力降（p阻）取0．002 MPa。

則壓縮比ε=（p排+p阻）/p進=（0．105+0．002）/ 0．0086≈12．44。

膨脹比(E)為每級噴射器的工作蒸汽與吸入壓力的比值，計算公式見式（1）。

E=p0/p1（1）式中，p0為工作蒸汽壓力，MPa(a)；p1為各級的吸氣壓力，MPa(a)。

根據壓縮比ε和膨脹比E，由圖5噴射系數曲線圖[2]中查得一級噴射系數μ1＝0．45、二級噴射系數μ2＝0．23。確定各級參數，具體見表1。

圖5　噴射系數曲線

2.2確定熱力學參數

2.2.1一級排出氣體溫度

一級吸入氣體平均相對分子質量（M11）的計算

表1　各級參數值

式中，GH2O為H2O的質量流量，kg/h；GN2為N2的質量流量，kg/h；MH2O為H2O的相對分子質量；MN2為N2的相對分子質量。經計算M11＝21.45。

一級排出氣體中的水蒸氣分壓（pS1）的計算見式（3）。

先假設排出氣體的溫度為109℃，根據排出溫度及水蒸氣分壓pS1查出氣體的蒸汽熱焓h1。

一級吸入氣體的定壓比熱（C11）的計算見式（4）。

式中，Gi為各組分的質量流量，kg/h；Cpi為各組分的定壓比熱，J/(kg·℃)。

一級排出氣體溫度（T12）的計算見式（5）。

式中，H0為蒸汽的熱焓，kJ/kg；H1為一級排出氣體的蒸汽熱焓，kJ/kg。

計算結果表明假設成立，如果假設的溫度與計算結果不符則需要重新假設和迭代輸入，一直到計算結果與假設吻合為止。

2.2.2氣體絕熱指數和氣體常數

式中，M0為蒸汽的相對分子質量。

動力蒸汽的氣體常數（R0）取462 J/(kg·K)，一級

2.2.3臨界速度

查得0.5 MPa(a)、154℃微過熱動力蒸汽比容為0.377 m3/kg，動力蒸汽通過噴嘴喉管時的臨界速度（W01）計算見式（8）。吸入氣體的氣體常數：R11=R/M11=387.6 J/(kg·K)，其中，R為通用氣體常數，取8314 J/(kmol·K)。

一級排出氣體的氣體常數（R12）的計算見式（7）。

式中，Vp為蒸汽比容m3/kg。

混合氣體通過擴壓室喉管時的臨界速度（W11）計算見式（9）。

2.2.4噴射系數的計算

μ1的計算公式見式（10）。

經計算，μ1=0.449。

如果最初查得噴射系數μ1為0.4或0.5，則代入的計算結果分別為0.37及0.53，與由圖5查得的值相對誤差較大，則需要重新選取噴射系數迭代計算，直到選取的μ1值與計算值（0.449）之差處于合理的范圍內。上述結果說明以μ1＝0.45計算蒸汽消耗是可行的。

2.3確定設計條件及蒸汽消耗核算

按二級噴射器入口溫度60℃及分壓0.03 MPa (a)的條件確定二級入口氣體中的水蒸氣分壓，為0.012 MPa(a)；二級噴射器進口流量G21=65 kg/h，其中，G21(H2O)=20 kg/h，G21(N2)＝45 kg/h；二級排氣溫度為124.4℃。按照上述條件分別計算二級吸入及排出氣體的氣體常數、絕熱指數、臨界速度等參數。

經計算，二級噴射系數μ2＝0.23。確定的設計條件見表2。

蒸汽消耗G0=G1+G2＝G11/μ1+G21/μ2=505 kg/h。

2.4冷卻器核算

根據各級的組成及表2中的參數計算熱負荷；選用管殼式換熱器，借助HTRI軟件，確定冷卻水的用量（循環水條件：進水溫度32℃，回水溫度42℃）及冷卻器規格，見表3。

表2　各級設計條件表

表3　冷卻器計算數據表

另外，根據物料的清潔情況，可從凝液泵的出口抽出一股凝液從冷卻器的管箱處噴入用于清洗管程。如果連續抽出凝液用于預冷進入冷卻器的物料，雖然可以將冷卻器的熱負荷降低三分之一左右，但是根據進入冷卻器工藝物料的潛熱計算，所需凝液量較大，這樣無疑會增加凝液泵的用電負荷，實際運行經濟性不高。

3　投資及操作費用比較

3.1真空泵的選擇

按各類機械式真空泵的工作壓力范圍及特性[3]，選擇水環式真空泵組，根據式（11）計算抽氣速率（SC）。

式中，Q為額定流量，kg/h；T為排氣溫度，K；p為吸氣壓力kPa(a)；M為吸入氣體平均相對分子質量。經計算SC=28 m3/min。

將計算結果換算為真空泵吸入狀態下的抽氣速率，為33.7 m3/min，安全系數取0.3，則入口壓力為8.6 kPa時真空泵的抽氣速率為43.8 m3/min；軸功率為68 kW；工作液采用工業水。

3.2投資及操作費用

蒸汽噴射系統的設備投資約23萬元，水環真空泵組的設備投資約42萬元，年操作能耗（以8000 h計）比較見表4。

表4　能耗匯總表

通過對設備費用及操作能耗的比較，發現真空泵組的設備投資較高，雖然其操作費用比蒸汽噴射系統略低，但這方面的優勢并不足以抵消其維修及設備折舊費用。

4　結語

液環式真空泵因為要形成水環而需消耗外功，故效率較低。與往復式真空泵相比，該類真空泵運動部件較少、制造要求低，而且受氣體中夾帶液體限制的影響較小。但是液環式真空泵所能達到的真空度較低，如本例中的壓力屬于中等真空范圍[5]，操作點處于操作曲線邊緣，操作極不穩定。

蒸汽噴射器結構簡單、價格低廉、操作及維護費用低，在小型裝置上應用較多。但是其噴射系統的操作壓力不能大幅度波動，因為在設計蒸汽噴射器時，為了能使抽氣量為零時仍能維持系統的真空度且能夠穩定操作，需要按設計要求的流量和能量穩定動力蒸汽，以維持擴壓室內所必需的流速。當動力蒸汽的壓力低于一定值時，就會導致操作不連續，且入口壓力上升；當穩定壓力的動力蒸汽流量增加時，則抽氣量下降而吸入壓力增加。

噴射器不僅能抽濕的、干的物料，包括腐蝕性的物料，還能滿足工業上所需的任何合理的真空度，同時無運動部件、無噪音，操作簡單、占地面積小。在實際設計中，應結合工廠的實際情況，在蒸汽富裕、介質相對干凈且不易堵、控制要求不苛刻的條件下，因地制宜選用真空設施，以蒸汽噴射系統代替真空泵組，將不失為一種很好的選擇。

[1]路德維希.化工裝置的工藝設計[M].北京：化學工業出版社,1979：212.

[2]中國石化集團北京設計院.SH/T 3118—2000石油化工蒸汽噴射式抽空器設計規范[S].中國石化出版社, 2000.

[3]全國化工設備設計技術中心站.工業泵選用手冊[M].北京：化學工業出版社,1998：162.

[4]中國石化集團洛陽石油化工工程公司.SH/T 3110—2001石油化工設計能量消耗計算辦法[S].北京：中國石化出版社,2001.

[5]時鈞,汪家鼎,余國琮,等.化學工程手冊[M].2版.北京：化學工業出版社,1996：9-39.

Application of Steam Jet Ejector in Evaporation System

Fan Kaizhi

In the design of vacuum system,the vacuum equipment should be chosen according to material properties, operation conditions,vacuum requirement,and actual situation of utility system.The calculation of two-stage steam jet ejector and the features of steam jet ejector are discussed to guide the application of steam jet ejector in vacuum system. The comparison of investment and economic evaluation between steam jet ejector and vacuum pump are also demonstrated,hoping to provide references for the design of similar vacuum systems.

Steam jet ejector;Vacuum pump;Energy consumption

TQ051.4

范開智男1975年生大專工程師長期從事化工工藝管道專業設計及項目管理工作

2015年4月