化工及原料藥生產(chǎn)中的真空系統(tǒng)計(jì)算

董永廣（河北冀衡(集團(tuán))藥業(yè)有限公司，河北 衡水053000）

在化工及原料藥生產(chǎn)過(guò)程中，例如精餾、過(guò)濾還有干燥以及脫水等均需要用到真空系統(tǒng)。想要滿足真空系統(tǒng)所需要的真空程度就需要借助真空泵來(lái)完成。由于多種因素均會(huì)對(duì)真空系統(tǒng)的真空度產(chǎn)生影響，所以在真空系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，必須要全面的對(duì)各類影響因素做考慮，進(jìn)而保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著相對(duì)出色的可靠性。

1 真空系統(tǒng)計(jì)算

1.1 流動(dòng)狀態(tài)的判斷

當(dāng)處于真空狀態(tài)時(shí)，氣體在管道中的流動(dòng)實(shí)際上應(yīng)當(dāng)被稱作稀薄氣體的流動(dòng)。通常情況下，氣流通過(guò)真空系統(tǒng)的管路時(shí)的流動(dòng)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(dòng)狀態(tài)里，湍-粘滯流實(shí)際上是湍流過(guò)渡到粘滯流的一個(gè)特殊環(huán)節(jié)，而同樣的粘滯-分子流也是粘滯流過(guò)渡到分子流的一個(gè)特殊階段。

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

表1.真空系統(tǒng)中流體流動(dòng)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(tǒng)計(jì)算里也可以對(duì)分子流以及粘滯流進(jìn)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(nèi)）管路中的流動(dòng)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(nèi)的）管道里的流動(dòng)定義成粘滯流。

1.2 對(duì)流導(dǎo)U進(jìn)行的計(jì)算

在真空系統(tǒng)之中，管道與閥門以及冷凝器均是真空系統(tǒng)重要的組成部分，而且還在一定程度上阻礙著氣體流動(dòng)，反之亦可說(shuō)這些組件都具有著導(dǎo)通氣體流動(dòng)的能力，而這樣的能力則被稱作流導(dǎo)。一般情況下，流導(dǎo)大小表明了管路兩側(cè)壓強(qiáng)的差值P1～P2在一定條件之下通過(guò)管路氣流量的實(shí)際體積。眾所周知，自然狀態(tài)下，氣體流動(dòng)的趨勢(shì)總是由高壓處向低壓處流動(dòng)，假設(shè)兩側(cè)壓力是P1與P2，且流過(guò)的總氣體量是Q，那么流導(dǎo)的定義就是由該式可以發(fā)現(xiàn)，假如壓差P1～P2是一個(gè)定值時(shí)，U值相對(duì)較大，也就意味著此時(shí)通過(guò)管路元件內(nèi)部的氣流量Q也比較大；反之越小。所以對(duì)于真空系統(tǒng)中的管路元件來(lái)說(shuō)，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(shí)際流導(dǎo)值大一點(diǎn)，進(jìn)而確保氣流能夠順利的流通。想要真正實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，對(duì)真空系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，就必須要計(jì)算管路元件還有其中的某一小段流導(dǎo)。

1.3 對(duì)真空泵有效的抽速進(jìn)行計(jì)算

按照工藝實(shí)際需要的工作的壓力Ps，操作的溫度Ts，來(lái)計(jì)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(shù)，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(tǒng)實(shí)際工作時(shí)產(chǎn)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(jīng)完全溶解與工藝液體中的不凝性氣體Q4。對(duì)于Q1來(lái)說(shuō)，它是在工藝生產(chǎn)的環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的，所以這些氣體會(huì)受到系統(tǒng)操作時(shí)平衡蒸汽分壓產(chǎn)生的影響。

1.4 真空泵實(shí)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(dǎo)U可以確定真空泵抽速Sp，通過(guò)流導(dǎo)串聯(lián)的公式可得

的抽速進(jìn)行考慮之外，還一定要按照真空泵實(shí)際的特點(diǎn)來(lái)做適當(dāng)修正。

2 真空系統(tǒng)計(jì)算實(shí)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(guān)鍵當(dāng)量長(zhǎng)度是40 米，總的密封面長(zhǎng)度是30米，內(nèi)部氣體平均的分子量為40，真空泵修正系數(shù)即K為1.05，總?cè)莘e為10m3，求真空泵進(jìn)口的抽速以及極限壓力還有大概多要花費(fèi)多長(zhǎng)的時(shí)間才可以達(dá)到真空。

在解決此類問(wèn)題時(shí)，首先要對(duì)氣體的流型進(jìn)行判定，由于pD=1000*0.1=100＞0.658Pa·m，所以該氣體應(yīng)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(duì)流導(dǎo)U 進(jìn)行求解，U==5.6㎡/s;然后再求出抽速以及實(shí)際的抽速S與Sp，同時(shí)修正實(shí)際的抽速Sp，進(jìn)而得到進(jìn)口極限的壓力即所 以 需 要t=2.3K的時(shí)間才可以達(dá)到真空。表2就是抽氣時(shí)間修正系數(shù)。

表1 抽氣時(shí)間修正系數(shù)

3 結(jié)論

倘若管道的流導(dǎo)較大，那么管道的阻力便會(huì)較小，也就是當(dāng)U＞＞SP時(shí)，S≈SP，在這種狀況下，真空泵有效的抽速S僅僅只會(huì)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(dǎo)變大，使管道短且粗，從而減少各類管件彎頭，進(jìn)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(duì)管道使用焊接，避免應(yīng)用法蘭，從而有效的降低管道泄漏量；通過(guò)控制真空泵前冷凝器冷媒的溫度，可以有效的防止低沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑揮發(fā)，最終降低總的排氣量與真空損耗。

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)際要求。由于真空系統(tǒng)會(huì)受到流導(dǎo)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(dǎo)，那么只能加快有機(jī)溶劑揮發(fā)的速度，從而提升真空泵廢水量。