化工及原料藥生產中的真空系統計算

董永廣（河北冀衡(集團)藥業(yè)有限公司，河北 衡水053000）

在化工及原料藥生產過程中，例如精餾、過濾還有干燥以及脫水等均需要用到真空系統。想要滿足真空系統所需要的真空程度就需要借助真空泵來完成。由于多種因素均會對真空系統的真空度產生影響，所以在真空系統計算時，必須要全面的對各類影響因素做考慮，進而保證系統設計有著相對出色的可靠性。

1 真空系統計算

1.1 流動狀態(tài)的判斷

當處于真空狀態(tài)時，氣體在管道中的流動實際上應當被稱作稀薄氣體的流動。通常情況下，氣流通過真空系統的管路時的流動狀態(tài)主要有以下五種，首先是湍流（亦可被稱作紊流以及渦流等）；其次是湍-粘滯流；再次是粘滯-分子流；最后是粘滯流（又被稱之為層流、粘性流還有泊稷葉流）以及分子流（又可稱之為自由分子流和克努森流）。上述五種流動狀態(tài)里，湍-粘滯流實際上是湍流過渡到粘滯流的一個特殊環(huán)節(jié)，而同樣的粘滯-分子流也是粘滯流過渡到分子流的一個特殊階段。

大多數情況下都是針對粘滯流和粘滯-分子流以及分子流三大類流動狀態(tài)中管道對于氣體的流導進行詳細的分析與研究。實際上由于管道內氣體流動的狀態(tài)存在差異，因此管道流導也具有一定的區(qū)別，即管道不只是通過自身的尺寸以及幾何形狀來限制氣體的流導，而且還包括管道里流動氣體實際的類型與溫度等因素，甚至對于某些流動狀態(tài)來說，還受到管道內氣體平均壓力影響。所以，在對管道內氣體流導展開計算時，一定要先明確管道內部存在的氣流屬于何種流動狀態(tài)。實際的估算方法見下表1。

表1.真空系統中流體流動的狀態(tài)

中間流粘性流0．0197 Pa·m＜pD＜0．658 Pa·m pD＞0．658Pa·m

P即壓力Pa；D為管道的公稱直徑m。

在真空系統計算里也可以對分子流以及粘滯流進行粗略的判定，一般情況下將高真空（即處在10-1Pa 到10-5Pa 范圍內）管路中的流動稱作分子流，而將中真空（也就是范圍處在102Pa到10-1Pa）以及低真空（105Pa～102Pa 范圍內的）管道里的流動定義成粘滯流。

1.2 對流導U進行的計算

在真空系統之中，管道與閥門以及冷凝器均是真空系統重要的組成部分，而且還在一定程度上阻礙著氣體流動，反之亦可說這些組件都具有著導通氣體流動的能力，而這樣的能力則被稱作流導。一般情況下，流導大小表明了管路兩側壓強的差值P1～P2在一定條件之下通過管路氣流量的實際體積。眾所周知，自然狀態(tài)下，氣體流動的趨勢總是由高壓處向低壓處流動，假設兩側壓力是P1與P2，且流過的總氣體量是Q，那么流導的定義就是由該式可以發(fā)現，假如壓差P1～P2是一個定值時，U值相對較大，也就意味著此時通過管路元件內部的氣流量Q也比較大；反之越小。所以對于真空系統中的管路元件來說，不論是閥門還是管道亦或者是冷凝管，都需要盡可能使它的實際流導值大一點，進而確保氣流能夠順利的流通。想要真正實現這個目標，對真空系統進行設計計算時，就必須要計算管路元件還有其中的某一小段流導。

1.3 對真空泵有效的抽速進行計算

按照工藝實際需要的工作的壓力Ps，操作的溫度Ts，來計算得到真空泵有效的抽速是在該式子中的M指的是抽出氣體平均的分子量，單位是kg/kmol；而R 則表示通用的氣體常數，一般R 為8.31KJ/(Kmol·K)。而且總的抽氣量Q主要分成了三大部分，首先是Q1，它指的是在真空系統實際工作時產生的絕大部分的氣體量；而Q2以及Q3代表的則是放氣量和泄露量；除此之外還有已經完全溶解與工藝液體中的不凝性氣體Q4。對于Q1來說，它是在工藝生產的環(huán)節(jié)中所產生的，所以這些氣體會受到系統操作時平衡蒸汽分壓產生的影響。

1.4 真空泵實際的抽速

借助有效抽速S與真空泵還有真空室間的連接管道流導U可以確定真空泵抽速Sp，通過流導串聯的公式可得

的抽速進行考慮之外，還一定要按照真空泵實際的特點來做適當修正。

2 真空系統計算實例

一真空容器的氣相出口的壓力是1000Pa，它操作的溫度是50℃，且管道還有關鍵當量長度是40 米，總的密封面長度是30米，內部氣體平均的分子量為40，真空泵修正系數即K為1.05，總容積為10m3，求真空泵進口的抽速以及極限壓力還有大概多要花費多長的時間才可以達到真空。

在解決此類問題時，首先要對氣體的流型進行判定，由于pD=1000*0.1=100＞0.658Pa·m，所以該氣體應該為黏性流；然后求解它的平均壓差，由于P1=1000Pa，假定P2=0.9P1，則P2=900Pa；所以平均壓差`p=900Pa；再次對流導U 進行求解，U==5.6㎡/s;然后再求出抽速以及實際的抽速S與Sp，同時修正實際的抽速Sp，進而得到進口極限的壓力即所 以 需 要t=2.3K的時間才可以達到真空。表2就是抽氣時間修正系數。

表1 抽氣時間修正系數

3 結論

倘若管道的流導較大，那么管道的阻力便會較小，也就是當U＞＞SP時，S≈SP，在這種狀況下，真空泵有效的抽速S僅僅只會受到操作排氣量影響。所以，想要讓真空泵有效的抽速得到顯著提高，就必須要讓管道流導變大，使管道短且粗，從而減少各類管件彎頭，進而有效降低真空管道壓力的損失。

除了工藝要求的排氣量之外，還需要盡可能的降低真空泵排氣量損耗，盡可能對管道使用焊接，避免應用法蘭，從而有效的降低管道泄漏量；通過控制真空泵前冷凝器冷媒的溫度，可以有效的防止低沸點的有機溶劑揮發(fā)，最終降低總的排氣量與真空損耗。

4 結語

總而言之，不是挑選抽速較高的真空泵，就一定可以滿足工藝操作的實際要求。由于真空系統會受到流導以及抽氣量等因素的影響，所以倘若只是提升抽速而降低流導，那么只能加快有機溶劑揮發(fā)的速度，從而提升真空泵廢水量。