蒸汽噴射器在蒸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)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(shè)備

蒸汽噴射器在蒸發(fā)系統(tǒng)中的應(yīng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)物料的性質(zhì)、操作的要求和真空度的范圍，結(jié)合公用工程的實(shí)際情況來選擇真空設(shè)備。著重介紹了二級(jí)蒸汽噴射器的計(jì)算，結(jié)合蒸汽噴射器的特點(diǎn)，闡述了蒸汽噴射器在真空系統(tǒng)中的應(yīng)用。通過對(duì)蒸汽噴射系統(tǒng)和真空泵組的投資及經(jīng)濟(jì)分析，希望對(duì)相似類型真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)的節(jié)流作用而達(dá)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(dòng)力，可以穩(wěn)定地維持系統(tǒng)的真空狀態(tài)；水（或工藝液體）噴射器主要用來混合物料。噴射器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維修費(fèi)用低而在化工行業(yè)應(yīng)用十分普遍。

如圖1所示，高壓蒸汽通過透平做功，乏汽進(jìn)入凝汽器，通常采用兩級(jí)蒸汽噴射器連續(xù)抽汽，在凝汽器中形成87 kPa左右的真空度，透平的末級(jí)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(guī)的冷卻方法冷凝回收，保持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)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(yīng)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(shí)反應(yīng)；一定壓力的富液經(jīng)過噴嘴時(shí)將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，壓力降低，速度升高，被抽吸的空氣接受動(dòng)能，在混合室充分混合反應(yīng)，氧化再生的混合物在擴(kuò)散管內(nèi)降低速度，升高壓力后排出，單質(zhì)硫泡沫浮至再生槽上部而分離溢流，再生貧液經(jīng)液位調(diào)節(jié)器引出，加壓循環(huán)使用。噴射器吸入口無真空度要求，結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)單。

目前，大部分多效蒸發(fā)裝置仍使用真空機(jī)械作為末效蒸發(fā)真空度的動(dòng)力源，例如在某裝置的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，蒸汽由蒸發(fā)器進(jìn)入冷凝器中，凝液進(jìn)入凝液罐，在冷凝器底部接入真空泵，由真空泵出口調(diào)節(jié)真空度，如圖3所示。但在實(shí)際運(yùn)行中，真空泵的噪音大，進(jìn)口分離罐排液量大，系統(tǒng)運(yùn)行并不平穩(wěn)。在新的設(shè)計(jì)中，提出了兩個(gè)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(yīng)用蒸汽噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真空度（見圖4）。本文就蒸汽噴射器替代真空泵的應(yīng)用實(shí)例，介紹蒸汽噴射器的設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)效益分析。

圖1　全凝透平機(jī)組的真空系統(tǒng)

圖2　濕法脫硫再生槽噴射系統(tǒng)

圖3　蒸發(fā)裝置真空泵組液程

圖4　蒸汽噴射系統(tǒng)真空蒸發(fā)液程

2　噴射器在蒸發(fā)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)

2.1確定各級(jí)參數(shù)

蒸發(fā)器的操作壓力（p進(jìn)）為0．0086 MPa(a)；排氣壓力（p排）設(shè)計(jì)為0．105 MPa(a)；一級(jí)噴射器進(jìn)口設(shè)計(jì)流量G11=100 kg/h，其中G11(H2O)=55 kg/h，G11(N2)= 45 kg/h；每級(jí)噴射器后串接級(jí)間冷卻器，見圖4；動(dòng)力蒸汽壓力0．5 MPa(a)；每級(jí)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(jìn)=（0．105+0．002）/ 0．0086≈12．44。

膨脹比(E)為每級(jí)噴射器的工作蒸汽與吸入壓力的比值，計(jì)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(jí)的吸氣壓力，MPa(a)。

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

圖5　噴射系數(shù)曲線

2.2確定熱力學(xué)參數(shù)

2.2.1一級(jí)排出氣體溫度

一級(jí)吸入氣體平均相對(duì)分子質(zhì)量（M11）的計(jì)算

表1　各級(jí)參數(shù)值

式中，GH2O為H2O的質(zhì)量流量，kg/h；GN2為N2的質(zhì)量流量，kg/h；MH2O為H2O的相對(duì)分子質(zhì)量；MN2為N2的相對(duì)分子質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算M11＝21.45。

一級(jí)排出氣體中的水蒸氣分壓（pS1）的計(jì)算見式（3）。

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

一級(jí)吸入氣體的定壓比熱（C11）的計(jì)算見式（4）。

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

一級(jí)排出氣體溫度（T12）的計(jì)算見式（5）。

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

計(jì)算結(jié)果表明假設(shè)成立，如果假設(shè)的溫度與計(jì)算結(jié)果不符則需要重新假設(shè)和迭代輸入，一直到計(jì)算結(jié)果與假設(shè)吻合為止。

2.2.2氣體絕熱指數(shù)和氣體常數(shù)

式中，M0為蒸汽的相對(duì)分子質(zhì)量。

動(dòng)力蒸汽的氣體常數(shù)（R0）取462 J/(kg·K)，一級(jí)

2.2.3臨界速度

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

一級(jí)排出氣體的氣體常數(shù)（R12）的計(jì)算見式（7）。

式中，Vp為蒸汽比容m3/kg。

混合氣體通過擴(kuò)壓室喉管時(shí)的臨界速度（W11）計(jì)算見式（9）。

2.2.4噴射系數(shù)的計(jì)算

μ1的計(jì)算公式見式（10）。

經(jīng)計(jì)算，μ1=0.449。

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

2.3確定設(shè)計(jì)條件及蒸汽消耗核算

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

經(jīng)計(jì)算，二級(jí)噴射系數(shù)μ2＝0.23。確定的設(shè)計(jì)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(jù)各級(jí)的組成及表2中的參數(shù)計(jì)算熱負(fù)荷；選用管殼式換熱器，借助HTRI軟件，確定冷卻水的用量（循環(huán)水條件：進(jìn)水溫度32℃，回水溫度42℃）及冷卻器規(guī)格，見表3。

表2　各級(jí)設(shè)計(jì)條件表

表3　冷卻器計(jì)算數(shù)據(jù)表

另外，根據(jù)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(xù)抽出凝液用于預(yù)冷進(jìn)入冷卻器的物料，雖然可以將冷卻器的熱負(fù)荷降低三分之一左右，但是根據(jù)進(jìn)入冷卻器工藝物料的潛熱計(jì)算，所需凝液量較大，這樣無疑會(huì)增加凝液泵的用電負(fù)荷，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性不高。

3　投資及操作費(fèi)用比較

3.1真空泵的選擇

按各類機(jī)械式真空泵的工作壓力范圍及特性[3]，選擇水環(huán)式真空泵組，根據(jù)式（11）計(jì)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(duì)分子質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算SC=28 m3/min。

將計(jì)算結(jié)果換算為真空泵吸入狀態(tài)下的抽氣速率，為33.7 m3/min，安全系數(shù)取0.3，則入口壓力為8.6 kPa時(shí)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(yè)水。

3.2投資及操作費(fèi)用

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

表4　能耗匯總表

通過對(duì)設(shè)備費(fèi)用及操作能耗的比較，發(fā)現(xiàn)真空泵組的設(shè)備投資較高，雖然其操作費(fèi)用比蒸汽噴射系統(tǒng)略低，但這方面的優(yōu)勢(shì)并不足以抵消其維修及設(shè)備折舊費(fèi)用。

4　結(jié)語

液環(huán)式真空泵因?yàn)橐纬伤h(huán)而需消耗外功，故效率較低。與往復(fù)式真空泵相比，該類真空泵運(yùn)動(dòng)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(huán)式真空泵所能達(dá)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(diǎn)處于操作曲線邊緣，操作極不穩(wěn)定。

蒸汽噴射器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、操作及維護(hù)費(fèi)用低，在小型裝置上應(yīng)用較多。但是其噴射系統(tǒng)的操作壓力不能大幅度波動(dòng)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)蒸汽噴射器時(shí)，為了能使抽氣量為零時(shí)仍能維持系統(tǒng)的真空度且能夠穩(wěn)定操作，需要按設(shè)計(jì)要求的流量和能量穩(wěn)定動(dòng)力蒸汽，以維持?jǐn)U壓室內(nèi)所必需的流速。當(dāng)動(dòng)力蒸汽的壓力低于一定值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致操作不連續(xù)，且入口壓力上升；當(dāng)穩(wěn)定壓力的動(dòng)力蒸汽流量增加時(shí)，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(yè)上所需的任何合理的真空度，同時(shí)無運(yùn)動(dòng)部件、無噪音，操作簡(jiǎn)單、占地面積小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合工廠的實(shí)際情況，在蒸汽富裕、介質(zhì)相對(duì)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(shè)施，以蒸汽噴射系統(tǒng)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(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1979：212.

[2]中國(guó)石化集團(tuán)北京設(shè)計(jì)院.SH/T 3118—2000石油化工蒸汽噴射式抽空器設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)石化出版社, 2000.

[3]全國(guó)化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.工業(yè)泵選用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1998：162.

[4]中國(guó)石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司.SH/T 3110—2001石油化工設(shè)計(jì)能量消耗計(jì)算辦法[S].北京：中國(guó)石化出版社,2001.

[5]時(shí)鈞,汪家鼎,余國(guó)琮,等.化學(xué)工程手冊(cè)[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)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(zhǎng)期從事化工工藝管道專業(yè)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目管理工作

2015年4月