水喷射真空泵节水降耗、减排环保的技改研究

汪和宝

（南明化工有限公司，浙江丽水 323000）

1 水喷射真空泵结构及工作原理

水喷射真空泵广泛应用于化工制药、纺织、食品、冶金、环保等行业的真空吸收、真空结晶、真空浓缩等工艺。我公司是一家生产医药中间体的化工企业，现拥有水喷射真空泵共18台，其结构示意图见图1。

图1 卧式水喷射真空泵成套机组示意图（技改前）

其工作原理：由补水口11向水箱8进工业自来水，水满后经溢流排污口7流入污水处理池→开启耐腐蚀泵3→泵出水经过水喷射真空泵9形成负压抽力→真空系统气体经进气阀6、进入缓冲罐2、止回阀1随喷射水流进入水箱上部空间→工艺气体进入尾气吸收系统。

必要时，水喷射真空泵还可以与其它形式的真空泵（如：罗茨泵、蒸汽喷泵）串联使用。因此它既可以单独使用，在任意入口压强下工作，如真空包装、真空吸引，也可以作为罗茨泵机组的前级泵。在制药行业中，水喷射真空泵特别适用于抽除含有大量水蒸汽和带有一定腐蚀性和可凝性气体的工艺过程，如真空蒸馏、蒸发、脱水、结晶、干燥等工艺过程。

水喷射真空泵各部件材质均采用耐腐蚀的增强聚丙烯，该泵具有耐蚀、无毒、结构合理、安装方便、运行可靠等特点，因此被化工行业广泛采用。

2 原水喷射真空泵存在的问题

1）水消耗量太大。泵运行时水箱内水温持续上升,须向水箱连续补充自来水加以冷却，因此运行成本高。

水喷射真空泵运行过程中产生的热量及真空系统中工艺气体带入的热量，会使水箱内循环水温不断升高，实验结果表明：水箱注满水后如不再补给自来水，当真空泵运行1 h，水温会由室温34℃升至40℃。当水温升至45℃时，真空机组的后级、中级罗茨泵会因负荷过载而停机，见图2。

图2 KPN蒸馏工段水喷射泵箱内无补水时温升曲线图

由此可见，要使真空泵机组正常运行，须控制箱内水温≤40℃。不断补水是降低箱内水温的原始办法。尤其是夏季气温较高（T气温≥36℃），所需补水量更大，据现场测算：补水口管径25 mm，水压0.25MPa，水的流速为2 m/s，补水量为 Q=（0.025/2）2×3.14×2×3600×1=3.53 t/h。

目前我公司有18台水喷射泵在线运行，其工作时间平均按300 d/a、20 h/d计，则18台泵每年消耗工业自来水为38万1240 t。工业自来水价格按2.75元/t计，则水消耗费用为104.84万元/a。

2）污水处理费用高。真空系统气体中含有大量腐蚀性及可凝性有机气体，当其溶入补充水中后被排放，会产生大量的工业污水（18台泵每年产生38万多t污水），且水质污染十分严重。据现场抽样检测结果表明，其水质的化学耗氧量（COD值）为15～18 g/L，大大超出本地区工业污水达标排放标准（COD值≤500 mg/L）。

根据有关资料测算，COD值为（15～18 g/L的污水，经中和、生化等处理，COD值降至≤500 mg/L以下达标排放时，每吨污水的处理成本约为8～10元/t，则污水处理费用为343.116万元/a。

3 技术改造措施

3.1 结构改进方案

18台水喷射真空泵每年耗水费用为104.84万元/a，处理污水费用为343.116万元/a，累计高达448万元。这对企业是一笔沉重的成本负担，同时也浪费宝贵的水资源。

为此，我们采取以下技术改造措施：水箱8内安装冷却盘管12，材质为聚丙烯+石墨复合管材，它具有良好的耐腐蚀和热传导性能。管内通入工业循环水，通过盘管内、外的传热交换，使箱内水温控制在40℃以下。冷却盘管的规格为φ25×2，其传热面积为5 m2。技改后的结构图如图3。

图3 技改后水喷射真空泵成套机组示意图

3.2 节水降耗

水箱内安装冷却盘管后，盘管内冷却水可以循环使用，工业循环水由公用工程循环装置供给，水的消耗忽略不计，而工业循环水的用量为2.5 t/h，则18台泵每年使用工业循环水量为27万t。

公用工程循环水装置运行成本按0.15元/t计算，则年运行成本为4.05万元。

3.3 污水减排，节约治理成本

冷却盘管内工业循环水将水箱内的热量带出，但箱内循环使用的污水仍需24h排放1次，每次排放量为1m3。实测污水COD值为29 g/L左右。

技改后工业污水年排放量300 t/a。对COD值为29 g/L的污水，其达标排放的处理费用按30元/t计，则技改后年污水处理费用为9000元。

4 验算与评估

4.1 水喷射泵水箱内冷却盘管所需换热面积验算

真空泵将真空系统气体的热量带入水箱，箱内水温不断升高，当水温≥45℃时，真空机组无法正常运行。设置冷却盘管是控制箱内水温的关键技术，而冷却盘管换热面积的大小，可通过对水箱系统进行热量平衡计算及传热基本方程式推导验证。

1）热量平衡计算。

已知：盘管规格为 φ25×2，盘管材质为“聚丙烯（PP）+石墨复合管”，盘管的传热面积A暂定为5 m2，热量平衡示意图如图4。

图4 KPN水冲泵水箱热量平衡示意图

根据实际测量数据（见图2），箱内开始水温T1=34℃，1 h后升至T2=40℃，为使真空机组正常运行，水箱温度应控制在40℃以下。

热量衡算方程式为 Q1=Q2，Q2＝qmcPΔt。

式中：Q1为真空系统气体带入的热量，kJ；Q2为冷却盘管吸收的热量，kJ；cP为水的比热容，kJ/kg·K；qm为水量，kg/h；Δt为水温变化量，℃。

水箱内平均水温 Tm=（T1＋T2）/2=（34+40）/2=37℃，在平均温度Tm时水的比热容为cP=4.174 kJ/（kg·K），水量qm=ρV＝ρ（V1－V2）＝1525 kg/h，吸热 Q2=qmcPΔt=38192.1 kJ，即冷却盘管需吸收（带走）38192.1 kJ的热量，可使箱内水温低于40℃。

传热基本方程式为Q＝KAΔtm，计算冷却盘管传热面积A=5m2时能带走的热量Q。

据现场实测，工业循环水的进水温度t1=31℃，回水温度升高到t2=36℃；盘管内水流速为2 m/s。则传质推动力Δtm：

2）传热系数K的计算。

管子规格为φ25×2.0，管子导热系数为λ=15W/（m·K）。在定性温度33℃时，水的比热cP=4.174 kJ/（kg·K），黏度μ＝0.801×10－3Pa·s，密度 ρ=995.7 kg/m3，则有管内冷却水的给热系数为：

水箱水对盘管的给热系数根据经验取为α1＝2500 W/（m2·K），忽略污垢热阻，则有总传热系数为：

所以A=5m2的冷却盘管可带走热量为：

比较 Q2=38192.1kJ、Q=55772.8 kJ，有：Q2

因此，我们拟定冷却盘管的换热面积为5 m2偏大，实际换热面积为

然而，水喷射真空机组的用途十分广泛，工况条件也不尽相同，综合考虑影响热量衡算及传热过程的多种因素，水箱内设置传热面积A=5m2的冷却盘管是必要、合理、可行的。

4.2 技改成果评估

水喷射真空泵设置冷却盘管的技术改造，其项目投资仅为4000元/台。现将18台水喷射真空泵在技改前、后的运行经济技术指标列表，如表1所示。18台泵技改前年运行成本为723.33万元，技改后年运行成本4.95万元，由于进行技术改造，18台水喷射真空泵每年可节省运行成本718.38万元。

这个项目的实施，不但大幅度降低了企业设备运行的耗水成本，而且减少了工业污水排放量。既节约宝贵的水资源，也对保护人类赖以生存的环境作出了积极的贡献，将现有在用水喷射真空泵水箱增设冷却盘管并加以技术改造，而采购新泵时以此作为技术要件和供货验收依据，其利国利民，意义深远，极具推广价值。

表1 18台水喷射真空泵技改前、后运行经济技术指标汇总表

［1］陈敏恒，丛德滋，方图南，等.化工原理：上册［M］.北京：化学工业出版社，2006：171-222.