关于如何提高真空度的讨论

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中盐华祥盐化有限公司 作者:王如明

  混合冷凝器是真空生产中最常用的真空设备。文章主要讨论了在使用混合冷凝器时影响生产系统真空度提高的几个主要因素,在实际工业生产中如何利用有利因素,减少和避免不利因素,对提高系统真空度从而增加生产能力是非常重要的。

1、前言

  真空度的高低事关装置的生产能力,所以如何提高真空度是生产过程中一个非常重要的课题。传热速率方程Q=KFΔt中有效温差Δt主要取决于系统总温差;在蒸发过程中提高系统总温差有两个途径:一是提高加热蒸汽压力,二是提高末效真空度。但是提高首效加热蒸汽压力会带来后几效温度升高,生产能力的提高并不明显,反而会造成结垢加重、运行周期缩短、增加设备腐蚀等问题。因此,提高真空度是增加系统总温差的首选。影响真空度的因素有很多,但是主要有二个:二次蒸汽的冷凝和不凝气的排除。

2、二次蒸汽的冷凝

  二次蒸汽的冷凝普遍采用冷却水直接接触冷凝的方法。下面就影响冷凝的几个因素进行讨论。

  2.1、冷却水

  现在一般大型蒸发装置的真空系统都是由大气式混合冷凝器加真空泵组成,如图1所示,或者大气式混合冷凝器加蒸汽喷射泵和真空泵组成,如图2所示。

大气式混合冷凝器

图1 大气式混合冷凝器

  二次蒸汽在大气式混合冷凝器内与冷却水直接接触迅速被冷凝,使系统形成了真空,不凝气直接由真空泵或经蒸汽喷射泵抽出再由真空泵排走。也有使用两级或两级以上的蒸喷系统,从而取得更高的真空度。

大气式混合冷凝器加蒸汽喷射泵系统

图2 大气式混合冷凝器加蒸汽喷射泵系统

  二次蒸汽被冷凝的关键是要有充足的冷却水,冷却水的消耗量可由下式计算求出:

关于如何提高真空度的讨论

  式中:G———冷却水消耗量,kg/h;W———末效二次蒸汽量,kg/h;I———末效二次蒸汽的焓,kJ/Kg;I'———终温下混合水的焓,kJ/Kg;C———水的比热,kJ/Kg·℃;t1———冷却水的进口温度,℃;t2———冷却水的出口温度,℃。

  从式(1)可以看出,冷却水消耗量随末效二次蒸汽量、真空度和进水温度的增高而加大,随冷却水进口温度的降低而减少。冷却水出口温度与二次蒸汽的温差一般要求5℃~8℃,所以要想得到较高的真空度就必须想办法降低冷却水的进口温度。在做工艺设计时必须要正确选择当地的水温,这样经过正确的工艺计算才能设计出满足需要的冷却水供应系统。另外对循环使用的冷却水还必须考虑冷却措施,保证系统需要。

  有条件的地方尽量选用直流水(河水、海水或井水),水源不足的地方可以考虑冷却塔或冷却池对冷却水循环使用。

  还有一个问题就是必须保证冷却水的洁净,也就是不能有杂物,以免给系统造成堵塞而影响供水量,供水系统必须考虑过滤措施。

  另外,由于二次蒸汽会夹带一些雾沫,长时间环会造成冷却水密度加大、比热减小,所以要注意补充新鲜水,以免冷却水密度过高影响真空度的提高。

  2.2、设备

  二次蒸汽冷凝的主要设备是大气式混合冷凝器。传统的大气式混合冷凝器结构如图1所示,冷却水由上部加入,经淋水板(7块~9块)上的下水孔或溢流堰而下,与从底部进来的二次蒸汽直接接触,使二次蒸汽不断得到冷凝,冷凝液和冷却水顺大气腿流至液封槽后排走,不凝气经真空泵排出。

  为了增加汽液接触面积,理论上要求淋水板上的下水孔越小越好,但是为了防止异物堵塞下水孔径又不宜太小,一般为Φ5mm~Φ8mm,这样使得蒸汽冷凝所需要的汽液接触面积大打折扣。由于冷却水在混合冷凝器内停留时间较短,冷却水受热不均匀,不能得到充分的利用。

  为了解决这个问题,近几年来一些厂家使用一种新型的大气式混冷器来代替传统的混冷器取得了较好的效果。其结构如图3所示。从图3可以看出,新型混冷器其实就是用喷头代替了淋水板,冷却水通过环形分布在混冷器内的喷头形成了水雾,这样大大增加了冷却水与二次蒸汽的汽液接触面积,提高了冷却水的利用效率,从而取得了较高的真空度。实践证明这种冷凝器所形成的真空度比传统的淋水板式混冷器要提高2000Pa以上。

新型大气式混合冷凝器

图3 新型大气式混合冷凝器

3、不凝气的排出

  不凝气的来源主要是来自溶于料液中的气体,设备、管路等连接处密封不严渗入的空气,以及溶解于冷却水中的气体。除了溶于料液和冷却水中的气体,因密封不严渗入系统的不凝气,可以从设计、安装及日常操作上加以控制。

  首先设计上应尽量减少渗漏点的设置,设备与管路、管路与管路以及一些仪表附件的连接等尽量使用焊接方式避免法兰连接,在阀门等附件的选型上要选择气密性较好的,从源头上减少空气的渗入。安装时一定要保证安装质量,对焊缝要进行仔细的探伤检测、去除漏点,螺栓紧固用力一定要均衡,保证设备与管路的气密性。对于密封材料和密封形式的选择也要慎重,一定要考虑其气密性和耐用性。对于渗入系统空气量的计算跟真空系统的体积有关,在计算真空系统的体积时要尽量考虑周全,包括管路的体积都要计算在内,另外还要考虑连接缝的渗漏长度的影响。

  系统开车前一定要做好气密性试验,包括冷试和热试,热试后一定要对设备和管路等法兰连接进行再紧固,避免因热胀冷缩造成的松动而产生渗漏。检查一定要仔细,对所有与真空系统相连的设备与管路及附件都要做好检查,排除漏点。

  不凝气的排出设备一般都是用水环式真空泵或者蒸汽喷射泵加水环真空泵。对于水环真空泵的操作要控制好进水量,水加多了或者加少了都要影响真空泵的工作,对提高真空度都不利。所以平时要做好设备及岗位的巡回检查,保证设备的正常运行。在设备上,现在很多企业使用罗茨水环真空泵机组代替单一的水环真空泵来抽取真空系统内的不凝气,也取得了较好的效果。其主要原因是罗茨泵工作的极限真空度较高,可达0.5Pa甚至更高。

4、其它因素的影响

  4.1、管路设计

  在真空系统的设计上还有一个比较重要的问题,就是管路设计问题。无论是二次蒸汽的管路还是不凝气的管路,管内流速都不宜太高。范宁公式:

关于如何提高真空度的讨论

  由式(2)可知摩擦阻力hf与流速u的平方、管长l成正比,与管径d成反比。其中流速的影响最大,如流速80m/s比60m/s的阻力增加77%,所以管内流速不宜选的太高,太高会增加汽体流动阻力,影响真空度的提高。

  管路设计时还要尽量减少弯头,缩短长度,减少阀门、变径等附件的使用,在设计上尽量布置紧凑一些,最大限度减少管路阻力。

  4.2、大气腿的高度问题

  由于冷却水在混冷器内停留的时间比较短(有资料介绍为2.5s左右),其受热程度是不均衡的,导致一部分溶于水中的气体在流经大气腿的过程中溢出,所以会从水封槽中溢出气泡。这就说明大气腿中水的比重是小于1的,因此大气腿的设计高度必须保证在11m以上。

5、小结

  影响真空度的因素有很多,这里也只是对其中的几个因素做了简要的探讨,实际生产过程中还有许多提高真空度的措施,这里也不一一列举了,只是希望能够给同行一些启示。

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