蒸汽喷射器在蒸发系统中的应用

范开智

中石化宁波工程有限公司上海分公司（上海　200030）

化工设备

蒸汽喷射器在蒸发系统中的应用

范开智

中石化宁波工程有限公司上海分公司（上海200030）

在真空系统的设计中，应根据物料的性质、操作的要求和真空度的范围，结合公用工程的实际情况来选择真空设备。着重介绍了二级蒸汽喷射器的计算，结合蒸汽喷射器的特点，阐述了蒸汽喷射器在真空系统中的应用。通过对蒸汽喷射系统和真空泵组的投资及经济分析，希望对相似类型真空系统的设计提供一定的参考。

蒸汽喷射器真空泵能耗

0　概述

喷射器的工作原理是利用高压流体通过喷嘴时的节流作用而达到工艺目的。常用的喷射器有两种：蒸汽喷射器和水（或工艺液体）喷射器。蒸汽喷射器以蒸汽作动力，可以稳定地维持系统的真空状态；水（或工艺液体）喷射器主要用来混合物料。喷射器因结构简单、制造容易、维修费用低而在化工行业应用十分普遍。

如图1所示，高压蒸汽通过透平做功，乏汽进入凝汽器，通常采用两级蒸汽喷射器连续抽汽，在凝汽器中形成87 kPa左右的真空度，透平的末级排气温度低至50～55℃，以充分利用蒸汽的热焓，并使乏汽能够使用常规的冷却方法冷凝回收，保持系统平稳运行。

如图2所示的液体喷射器在湿法脱硫装置中得到了广泛应用。无论是氨水、碳酸钠溶液、还是其他碱性水溶液，吸收硫化氢并将其氧化再生均为瞬时反应；一定压力的富液经过喷嘴时将势能转化为动能，压力降低，速度升高，被抽吸的空气接受动能，在混合室充分混合反应，氧化再生的混合物在扩散管内降低速度，升高压力后排出，单质硫泡沫浮至再生槽上部而分离溢流，再生贫液经液位调节器引出，加压循环使用。喷射器吸入口无真空度要求，结构计算简单。

目前，大部分多效蒸发装置仍使用真空机械作为末效蒸发真空度的动力源，例如在某装置的传统设计流程中，蒸汽由蒸发器进入冷凝器中，凝液进入凝液罐，在冷凝器底部接入真空泵，由真空泵出口调节真空度，如图3所示。但在实际运行中，真空泵的噪音大，进口分离罐排液量大，系统运行并不平稳。在新的设计中，提出了两个解决方案：一是在真空泵分离罐前增加冷凝器，使用冷冻盐水深度冷凝分离液滴；二是应用蒸汽喷射系统实现真空度（见图4）。本文就蒸汽喷射器替代真空泵的应用实例，介绍蒸汽喷射器的设计与经济效益分析。

图1　全凝透平机组的真空系统

图2　湿法脱硫再生槽喷射系统

图3　蒸发装置真空泵组液程

图4　蒸汽喷射系统真空蒸发液程

2　喷射器在蒸发系统中的设计

2.1确定各级参数

蒸发器的操作压力（p进）为0．0086 MPa(a)；排气压力（p排）设计为0．105 MPa(a)；一级喷射器进口设计流量G11=100 kg/h，其中G11(H2O)=55 kg/h，G11(N2)= 45 kg/h；每级喷射器后串接级间冷却器，见图4；动力蒸汽压力0．5 MPa(a)；每级排气冷却器阻力降（p阻）取0．002 MPa。

则压缩比ε=（p排+p阻）/p进=（0．105+0．002）/ 0．0086≈12．44。

膨胀比(E)为每级喷射器的工作蒸汽与吸入压力的比值，计算公式见式（1）。

E=p0/p1（1）式中，p0为工作蒸汽压力，MPa(a)；p1为各级的吸气压力，MPa(a)。

根据压缩比ε和膨胀比E，由图5喷射系数曲线图[2]中查得一级喷射系数μ1＝0．45、二级喷射系数μ2＝0．23。确定各级参数，具体见表1。

图5　喷射系数曲线

2.2确定热力学参数

2.2.1一级排出气体温度

一级吸入气体平均相对分子质量（M11）的计算

表1　各级参数值

式中，GH2O为H2O的质量流量，kg/h；GN2为N2的质量流量，kg/h；MH2O为H2O的相对分子质量；MN2为N2的相对分子质量。经计算M11＝21.45。

一级排出气体中的水蒸气分压（pS1）的计算见式（3）。

先假设排出气体的温度为109℃，根据排出温度及水蒸气分压pS1查出气体的蒸汽热焓h1。

一级吸入气体的定压比热（C11）的计算见式（4）。

式中，Gi为各组分的质量流量，kg/h；Cpi为各组分的定压比热，J/(kg·℃)。

一级排出气体温度（T12）的计算见式（5）。

式中，H0为蒸汽的热焓，kJ/kg；H1为一级排出气体的蒸汽热焓，kJ/kg。

计算结果表明假设成立，如果假设的温度与计算结果不符则需要重新假设和迭代输入，一直到计算结果与假设吻合为止。

2.2.2气体绝热指数和气体常数

式中，M0为蒸汽的相对分子质量。

动力蒸汽的气体常数（R0）取462 J/(kg·K)，一级

2.2.3临界速度

查得0.5 MPa(a)、154℃微过热动力蒸汽比容为0.377 m3/kg，动力蒸汽通过喷嘴喉管时的临界速度（W01）计算见式（8）。吸入气体的气体常数：R11=R/M11=387.6 J/(kg·K)，其中，R为通用气体常数，取8314 J/(kmol·K)。

一级排出气体的气体常数（R12）的计算见式（7）。

式中，Vp为蒸汽比容m3/kg。

混合气体通过扩压室喉管时的临界速度（W11）计算见式（9）。

2.2.4喷射系数的计算

μ1的计算公式见式（10）。

经计算，μ1=0.449。

如果最初查得喷射系数μ1为0.4或0.5，则代入的计算结果分别为0.37及0.53，与由图5查得的值相对误差较大，则需要重新选取喷射系数迭代计算，直到选取的μ1值与计算值（0.449）之差处于合理的范围内。上述结果说明以μ1＝0.45计算蒸汽消耗是可行的。

2.3确定设计条件及蒸汽消耗核算

按二级喷射器入口温度60℃及分压0.03 MPa (a)的条件确定二级入口气体中的水蒸气分压，为0.012 MPa(a)；二级喷射器进口流量G21=65 kg/h，其中，G21(H2O)=20 kg/h，G21(N2)＝45 kg/h；二级排气温度为124.4℃。按照上述条件分别计算二级吸入及排出气体的气体常数、绝热指数、临界速度等参数。

经计算，二级喷射系数μ2＝0.23。确定的设计条件见表2。

蒸汽消耗G0=G1+G2＝G11/μ1+G21/μ2=505 kg/h。

2.4冷却器核算

根据各级的组成及表2中的参数计算热负荷；选用管壳式换热器，借助HTRI软件，确定冷却水的用量（循环水条件：进水温度32℃，回水温度42℃）及冷却器规格，见表3。

表2　各级设计条件表

表3　冷却器计算数据表

另外，根据物料的清洁情况，可从凝液泵的出口抽出一股凝液从冷却器的管箱处喷入用于清洗管程。如果连续抽出凝液用于预冷进入冷却器的物料，虽然可以将冷却器的热负荷降低三分之一左右，但是根据进入冷却器工艺物料的潜热计算，所需凝液量较大，这样无疑会增加凝液泵的用电负荷，实际运行经济性不高。

3　投资及操作费用比较

3.1真空泵的选择

按各类机械式真空泵的工作压力范围及特性[3]，选择水环式真空泵组，根据式（11）计算抽气速率（SC）。

式中，Q为额定流量，kg/h；T为排气温度，K；p为吸气压力kPa(a)；M为吸入气体平均相对分子质量。经计算SC=28 m3/min。

将计算结果换算为真空泵吸入状态下的抽气速率，为33.7 m3/min，安全系数取0.3，则入口压力为8.6 kPa时真空泵的抽气速率为43.8 m3/min；轴功率为68 kW；工作液采用工业水。

3.2投资及操作费用

蒸汽喷射系统的设备投资约23万元，水环真空泵组的设备投资约42万元，年操作能耗（以8000 h计）比较见表4。

表4　能耗汇总表

通过对设备费用及操作能耗的比较，发现真空泵组的设备投资较高，虽然其操作费用比蒸汽喷射系统略低，但这方面的优势并不足以抵消其维修及设备折旧费用。

4　结语

液环式真空泵因为要形成水环而需消耗外功，故效率较低。与往复式真空泵相比，该类真空泵运动部件较少、制造要求低，而且受气体中夹带液体限制的影响较小。但是液环式真空泵所能达到的真空度较低，如本例中的压力属于中等真空范围[5]，操作点处于操作曲线边缘，操作极不稳定。

蒸汽喷射器结构简单、价格低廉、操作及维护费用低，在小型装置上应用较多。但是其喷射系统的操作压力不能大幅度波动，因为在设计蒸汽喷射器时，为了能使抽气量为零时仍能维持系统的真空度且能够稳定操作，需要按设计要求的流量和能量稳定动力蒸汽，以维持扩压室内所必需的流速。当动力蒸汽的压力低于一定值时，就会导致操作不连续，且入口压力上升；当稳定压力的动力蒸汽流量增加时，则抽气量下降而吸入压力增加。

喷射器不仅能抽湿的、干的物料，包括腐蚀性的物料，还能满足工业上所需的任何合理的真空度，同时无运动部件、无噪音，操作简单、占地面积小。在实际设计中，应结合工厂的实际情况，在蒸汽富裕、介质相对干净且不易堵、控制要求不苛刻的条件下，因地制宜选用真空设施，以蒸汽喷射系统代替真空泵组，将不失为一种很好的选择。

[1]路德维希.化工装置的工艺设计[M].北京：化学工业出版社,1979：212.

[2]中国石化集团北京设计院.SH/T 3118—2000石油化工蒸汽喷射式抽空器设计规范[S].中国石化出版社, 2000.

[3]全国化工设备设计技术中心站.工业泵选用手册[M].北京：化学工业出版社,1998：162.

[4]中国石化集团洛阳石油化工工程公司.SH/T 3110—2001石油化工设计能量消耗计算办法[S].北京：中国石化出版社,2001.

[5]时钧,汪家鼎,余国琮,等.化学工程手册[M].2版.北京：化学工业出版社,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

范开智男1975年生大专工程师长期从事化工工艺管道专业设计及项目管理工作

2015年4月