液环真空泵在工业应用中的探讨

黄汉华， 刘静

（中国五环工程有限公司，武汉 430223）

液环真空泵是用液体作工作介质获得真空的一种真空泵，尽管效率较其他容积式真空泵低，但其结构紧凑、吸气均匀、运行可靠、维修方便， 同时液环真空泵中气体是接近等温压缩，由于这些突出的特点， 仍被广泛地应用于抽除易燃、易爆的气体，带尘埃的和含有可凝性气体或气水混合物的工况，如真空过滤、 真空蒸馏、 真空吸液、真空干燥等工艺过程。当用水作工作液时一般被称作水环真空泵，用其他液体（如甲醇、四氢呋喃、硫酸及醋酸等） 作工作液通常被称为液环真空泵。其实水环真空泵属于液环真空泵的一个特例，工作原理都是一样的，只是水环真空泵在工业中应用较多，对水的物性比其他液体更了解一些，如果对液环真空的原理进行更深入地研究，特别是对液环工作液的热平衡进行分析， 通过计算出工作液的平衡（排出） 温度，根据该温度查出对应的饱和蒸汽压，对比计算蒸汽压所占入口压力的比值，分析这个比值就能发现真空泵是否能满足入口真空度的要求，如比值大于等于1，则真空泵液环的蒸汽分压都大于等于入口压力，此时肯定不能满足入口真空度的要求且没有有效的抽吸流量，如比值在0 ～ 1，表示能达到入口真空度的要求，但有效气量需用该比值进行修正，比值越大实际有效气量就越小修正越多。本文以某一化工装置上使用液环真空泵时遇到的问题为例，探讨液环真空泵的热平衡计算方法，通过计算液环的平衡（排出） 温度，讨论该温度对应的饱和蒸汽压对真空泵入口压力和气量的有关影响。

1 液环真空泵在应用中出现的问题

该装置中的液环真空泵机组由液环真空泵、出口分离器、工作液循环泵、工作液冷却器（冷冻水冷却）以及配套的工作液管道、流量计和压力表等组成。工作液为四氢呋喃液体，工作液闭式循环，真空泵机组的主要参数为：入口压力（A）为14 kPa，出口压力（A）为106.6 kPa，设计入口流量为1 840 m3/h， 工作液进口温度要求不大于5 ℃；真空泵入口工艺介质组分为：42.8 mol%空气，57.2 mol%THF（四氢呋喃蒸汽）；入口气体平均分子量：55；入口气体比热：1.12 kJ/ （kg· ℃）；入口气体质量流量：505 kg/h；四氢呋喃汽化潜热：450 kJ/kg。工作液四氢呋喃的物性参数见表1。

由于工艺流程是引进国外技术，上述真空泵机组设计参数均由专利商提供，并要求采用国外知名厂家的产品。工程公司以上述工艺参数为基础编制了询价文件并向专利商指定的国外多家知名液环真空泵厂家进行询价，报价时没有一个厂家提出工艺参数有问题，最后经公开招标选用了一国外厂家的产品。所选用的泵转速为640 r/min（齿轮箱减速），电机功率160 kW，泵轴功率117 kW，工作液循环泵流量16 m3/h、扬程12 m、功率2.2 W。在开车过程中，泵入口真空度无法达到设计要求。后与国外制造厂联系，但制造厂既未指出问题原因，也未能提出有效的解决方案。

表1 四氢呋喃物性Table 1 Property table of tetrahydrofuran

2 对出现问题的分析

首先进行了如下检查：① 系统是否有漏气；② 机组的型号，转速是否与订货参数相符；③ 专利商提供的流量参数是否有误。

对于上述问题的检查结果为： ① 未发现漏气现象；② 机组运行参数与合同完全相符，工作液进口温度，工作液循环量也满足制造厂要求；③ 专利商确认设计流量足够，且留有很大的安全余量（约10倍）。完成上述复查均未发现任何问题后，现场将真空泵机组气路系统的入口阀门全关，真空度仍无法满足要求。至此推断真空泵机组设计选型出了问题。

首先分析了机组的工作液循环流程： 机组出口气液混合物首先进入气液分离器，在分离器中不凝气（主要为空气）进入下游，分离出来液体留在分离器中。分离器上有液位控制器，如液位低于设计液位会自动打开补液阀补充工作液，液位高时经溢流口排入工艺系统，从而保证工作液液位稳定。分离器中的工作液经循环泵加压后送至冷却器，并与冷冻水（-5 ℃）换热后工作液降为-2 ℃（满足设计要求≤5 ℃），在工作液冷却器前设有温度计，显示工作液温度为18 ℃（真空泵出口实际工作液温度应不低于18 ℃），18 ℃时其对应的饱和蒸汽压（A）为15.911 kPa，与入口压力的比值为1.13 大于1，此时真空泵抽出的气体应全是工作液的蒸汽，真空泵入口压力只能等于液环的饱和蒸汽压，不可能达到设计要求的14 kPa。至此可以判断真空泵机组选型错误。

3 热平衡计算

为了找到解决问题的方法，同时也为以后真空泵机组设计选型提供指导意见，笔者对导致液环真空泵液环温度上升的可能因素进行了研究。经分析认为造成液环温度上升的主要热源有：

（1）泵的轴功率所产生的热量，经对气体的焓值分析，发现气体的焓主要是温度的函数，压力对焓的影响极小，由于液环真空泵是等温压缩，也就是说真空泵进出口气体焓值基本不变，工程上为了计算方便，认为压缩的轴功率将全部转换为热量（117 kW）传给了液环，同时根据液环真空泵的性能特性，当真空泵的转速和入口压力不变时，进口流量的减小其轴功率变化不大。

（2）当进口气体的温度高于液环平衡温度时将与液环进行换热，经计算此热负荷约为4.41 kW，考虑到专利商设计进气量有10 倍的安全余量， 实际进气量安全余量系数取2.5，则实际进气量约为设计值的Qin×1/10×2.5 = 0.25Qin， 即实际气量取设计气量的四分之一，故实际热负荷应为设计热负荷的0.25倍即4.41×0.25=1.1 kW。

（3）进口气体中含有57.2 mol% THF（四氢呋喃）经压缩后会部分会液化，液化时释放的潜热负荷为42 kW，考虑实际气量约为设计值的四分之一，取42×0.25 = 10.5 kW。

（4）真空泵外表面与大气的换热，因影响较小且不易计算，暂时忽略不计。

知道了总的热负荷GN，根据热平衡原理可以推导出公式：

理论上液环平衡（排出）温度决定了真空泵能达到的极限真空和实际进口气量。

按上述推导的公式就可以计算出本项目的真空泵液环平衡（排出）温度tout，其中总热负荷GN= 117+1.1+10.5 = 128.6 kW；工作液的密度ρ为897 kg/ m3，比热c为：1.62 kJ/ （kg·℃），工作液流量Q循环为16 m3/h，在工作液进口温度tin为-2 ℃，可计算出工作液排液的平衡温度tout为17.8 ℃，与实际显示的温度18 ℃基本吻合，也验证了热平衡计算的正确性。当然液环在真空泵中的温度场实际分布可能不是一个均匀场，实际温度分布是一个复杂的技术难题必须经实验来进行研究，但对于工程设计来说，以温度均匀分布为简化模型的计算结果足够满足工程精度的要求，因为工程设计按规范都有设计余量。

4 解决问题的探索和试验

通过上述讨论可以得出结论， 要解决问题必须要把真空泵的液环平衡（排出）温度降下来， 且液环平衡温度对应饱和蒸汽至少应低于泵入口压力89.3% （实际进气量为真空泵设计气量的0.25倍， 另外0.75 的体积将由液环蒸发的蒸汽补充， 由于实际进口的工艺气体中还含有57.2% 的液环蒸汽组分，此时总的液环蒸汽的体积百分比为75% + 57.2%×0.25 = 89.3%），即液环饱和蒸汽压（A）应低于140×89.3%= 12.5 kPa， 该压力对应的温度约为12.8 ℃， 即真空泵的液环平衡（排出）温度应低于12.8 ℃才能满足入口压力的要求。

由热平衡公式可以得出为降低工作液平衡（排出）温度可以从以下方面努力：① 降低泵的轴功率；② 增加工作液的循环量Q循环；③ 降低工作液进口温度tin。从这三方面考虑有如下三个解决方案：

方案1：降低泵的轴功率，一个泵设计完成之后，在操作条件不变的情况下，其轴功率是无法降低的，除非降低泵的转速，在真空泵入口压力不变的情况下， 其流量与转速的一次方成正比[1]，轴功率与转速平方近似成正比[2]。通过降转速降低轴功率的同时其吸入气量也会相应下降，也就是说降转速的前提条件是设计气量有较大的余量，对于本项目来说采用该方案从理论上讲是可行的，但降低转速的方案实现起来投资大工期长，因此开始未优先采取该方案；

方案2：增加工作液的循环量Q循环，理论上讲，液环真空泵的循环量可以通过真空泵入口压力来调节，一般真空泵入口压力越低采用的循环量越大，但循环量有一个最大量的限制，超过这个最大量后通过调节入口压力也无法增加循环量。 增加循环量可能导致入口压力的下降和抽气量的增加，同时可能也会造成轴功率的加大[3]。对于本项目真空泵，我们在现场将工作液循环泵增加了一泵串连运行，希望通过将工作液进泵压力提高一倍来增加其工作液循环量，试验其工作液循环量与入口压力关系不大， 增加工作液入口压力对循环量的增加极其有限，后查找该泵的操作说明书发现现有循环量已达到该泵的最大循环量，因为进液孔的大小像一个限流孔板一样限制了工作液的最大循环量，此方案对于的本真空泵基本无效。

方案3：降低工作液进口温度tin，工作液来自分离器分离出的液体部分，经工作液循环泵增压后，进入一个换热器与外供的冷冻水换热，为了满足工作液排出温度tout低于12.8 ℃，经热平衡公式计算工作液的进口温度需降到-8 ℃以下才有可能。经与冷水机组制造厂协商，制造厂同意将冷冻水出水温度由-5 ℃降为-10 ℃，但供应的冷冻水量要相应地减小一些，为了满足工作液冷却后温度降为-8 ℃，原冷却器换热面积也不够，现场将另一机组的冷却器临时借过来与原冷却器串连运行，改造后工作液进真空泵温度tin由原来-2 ℃降为-8 ℃，此时工作液排出温度为13 ℃，真空泵的入口压力（A）约为13 kPa，满足设计要求14 kPa，试验再次验证了热平衡计算的正确性。此方案虽解决了入口真空度的问题，但由于临时增加了一个冷却器，导致现场布置较拥挤，操作维护不便，另外冷水机组在非设计工况下长期运行对寿命和性能有不利影响，显然这不是一个最优的结果，还需寻找令各方都满意的更好方案。

为此我们回到方案1 上，通过降低泵转速来降低真空泵的轴功率。装置中临时借用一台变频器进行试验，首先将真空泵机组配置复原，工作液进口温度也恢复到-2 ℃，当变频器将转速降低到原转速的80%时，经计算真空泵的轴功率可以由原来的117 kW 降到大约为75 kW，此时工作液平衡（排出）温度通过热平衡公式计算约为11.4 ℃左右，计算对应的饱和蒸汽（A）为11.7 kPa，换算到真空泵入口压力约为11.7/89.3% = 13.1 kPa；现场实际温度约为12 ℃，此时真空泵的入口压力为13 kPa（小于设计的14 kPa），与计算结果基本吻合，此试验表明采用变频器降低转速不仅能很好地解决所出现的问题，同时还可降低真空泵功率消耗约42 kW（80%的转速时），最后通过增购变频器，将转速降至80%左右成功地解决本项目的技术难题，同时该试验也多次验证了热平衡计算的正确性。

5 结论

在工程中选用液环真空泵时，对液环工作液的物性参数要有充分的了解，如工作液在各温度下的饱和蒸汽压、工作液的比重、工作液的比热、汽化潜热值、吸入气体的比热、所选用真空泵的工作液流量、泵在设计工况的轴功率、工作液的进口温度等参数；采用热平衡计算，计算出泵的工作液平衡（排出）温度，查出对应的工作液的饱和蒸汽压，将其与真空泵的入口压力进行比对，就能验证选型是否合理，同时计算工作液的饱和蒸汽压占入口压力的百分比和入口气体中原有工作液介质的蒸汽所占总气体的体积百分比，就可以对真空泵的吸气量进行修正。通过本文介绍的方法，从工程角度上可以避免液环真空泵机组系统选型时出现重大失误。