喷射真空泵在化工行业的应用.docx
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喷射真空泵在化工行业的应用
现阶段喷射真空泵在化工行业的应用
目前真空技术越来越广泛的应用在石油、化工、制药等行业的减压蒸发、结晶、蒸馏、升华、干燥、负压浓缩、脱水、化学反应吸收及真空输送物料等工艺，各种加工过程应用真空技术后可以节能降耗、加快反应速度、提高产品质量、增加经济效益也逐步形成共识，但真空技术是一门边缘科学，我国的真空行业是在解放后消化吸收前苏联、美国、日本、德国产品的基础上发展起来的，虽然近几年我国的真空设备制造厂的数量如雨后春笋般壮大起来，但不少厂家对于其生产的真空泵在不同工艺如何应用选型却并不清楚（更谈不上根据用户提供的工艺参数进行新产品设计），这给广大用户的选型带来很大的不便，本文将根据我公司30多年的生产、研制和配套经验，阐述在化工行业几个典型工艺如何合理选用喷射真空泵的问题。
一、关于真空泵的几个概念
在化工生产的加工过程中如何应用好真空泵，需要先明确以下几个概念：
1、“真空”的概念：
“真空”是指在给定空间内低于一个大气压力的气体状态，也就是该空间内气体分子密度低于该地区大气压的气体分子密度。
完全没有气体的空间状态称为绝对真空。
2、真空泵：
是用以产生、改善和维持真空的装置。
3、抽气量：
真空泵在工作压强下单位时间内抽吸气体的流量。
单位：
kg/h或m3/h；
4、极限压强（真空度）：
在抽汽量为零的情况下真空泵所能达到的绝对压强。
单位：
Pa、KPa、MPa或mmhg（极限绝压减当地大气压为极限真空度）；
5、工作压强（真空度）：
喷射泵在额定抽气量时的绝对压强。
单位：
Pa、KPa、MPa或mmhg（工作绝压减当地大气压为工作真空度）；
6、工作蒸汽压力：
蒸汽喷射真空泵的工作蒸汽压力。
单位：
MPa或kgf/cm2；
7、工作蒸汽耗量：
蒸汽喷射真空泵单位时间蒸汽耗量。
单位：
kg/h；
8、冷却水温：
水喷射泵循环水温度或蒸汽喷射真空泵的冷凝器循环水温度。
单位：
OC；
9、冷却水循环量：
单位时间通过水喷射器或蒸汽喷射泵冷凝器的循环水流量。
单位：
kg/h；
二、化工行业常见的的几种真空泵及其优缺点
1、化工行业经常使用的几种真空泵——化工行业上常见的真空泵可以简单的分为变容积式真空泵和喷射真空泵，变容积式真空泵是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气的装置，往复真空泵、旋片真空泵、滑阀真空泵、水环真空泵、罗茨真空泵就是属于变容积式真空泵。
喷射真空泵是利用文丘里效应的压力降产生的高速射流把气体输送到出口的一种动量传输泵，水喷射真空泵、蒸汽喷射真空泵、汽水串联喷射真空泵、汽水组合喷射真空泵同属于喷射真空泵。
2、变容积式真空泵的工作原理和优缺点
（1）往复真空泵、旋片真空泵、滑阀真空泵、罗茨真空泵是靠活塞往复运动或旋转将气体吸入、压缩并排出。
它们的优点是新投入使用的泵真空度相对比较高，但是活塞是运转部件，因此活塞的磨损是避免不了的，随着检修次数的增加工作真空度将不断下降，直至满足不了生产的要求。
此类泵工作噪音大，耗油量大，故障率高也是其致命的缺点，一般都需要开一台备用一台，这无形中增加了设备投资与运行费用。
另外如果用此类泵抽吸水蒸汽等可凝性气体，将使润滑油乳化，因此只能应用在抽吸不凝性（空气类）气体，也不能抽吸带有颗粒状的介质，这也就限制了其适用范围。
（2）水环真空泵是靠装在泵壳内的带有多叶片的偏心转子旋转，把水抛向泵壳形成与泵壳同心的水环，水环与转子叶片形成了容积周期变化从而将气体吸入、压缩并排出。
它的优点是低真空时抽气量大、可以直接抽吸水蒸汽等可凝性气体。
它的缺点是真空度低；不能抽吸带有颗粒状的介质；转子高速旋转不易做防腐处理，因此不能抽吸具有腐蚀性的介质。
3、喷射真空泵的工作原理和优缺点
喷射真空泵是利用文丘里效应的压力降产生的高速射流把气体输送到出口的一种动量传输泵。
它分为水喷射真空泵、蒸汽喷射真空泵、汽水串联喷射真空泵、汽水组合喷射真空泵。
喷射真空泵以其真空度范围广，可以直接抽吸水蒸汽等可凝性气体和带有颗粒状的介质，结构简单，操作方便，无运转部件维修量小，节能降耗等优点越来越广泛的应用在化工操作的各工艺中，下面分别介绍各种喷射真空泵的工作原理。
（1）水喷射真空泵的工作原理及结构简图
水喷射真空泵的设备组成见其结构简图，其工作原理是：
循环水箱中的水经循环水泵做功后产生一定的压力、流速，具有一定压力、流速的水进入水喷射器的集水室，经孔板上的多个拉瓦尔喷嘴喷射，形成的高速射流使喷射器的混合室产生真空，被抽介质在真空作用下进入喷射器混合室，在混合室中与高速水流充分混合和经文丘里管降速、增压后排出到循环水箱中，不凝性气体析出，可凝性汽体从水箱溢流口溢出，如此反复做功。
它的优点是低位整机型式，比水环真空泵的真空度高，代替W式往复真空泵可以取消前置冷凝器，节省一次性设备投资和运行费用。
（2）汽水串联喷射真空泵的工作原理及结构简图
在水喷射真空泵的喷射器前面串联一级或多级蒸汽喷射真空泵即汽水串联喷射真空泵，其结构见汽水串联喷射真空泵。
其工作原理是：
一定压力的饱和或过热蒸气通过拉瓦尔喷嘴减压增速后进入蒸汽喷射器的混合室，使混合室产生真空，被抽介质被抽吸进混合室与工作蒸汽混合，混合后的流体通过扩散管，速度下降，压力升高，直至达到下一级吸入口压力后排入下一级蒸汽喷射泵或水喷射泵。
它是低位整机型式，真空度相对较高，可以取代水环—罗茨机组、旋片—罗茨机组直接抽吸可凝性汽体，但它在高真空的抽不凝性气体量有限。
（3）新型高效蒸汽喷射真空泵的工作原理及工艺流程图
新型高效蒸汽喷射真空泵是由一级或多级蒸汽喷射泵与高效冷凝器组成的，一定压力的饱和或过热蒸气通过拉瓦尔喷嘴减压增速后进入蒸汽喷射器的混合室，使混合室产生真空，被抽介质被抽吸进混合室与工作蒸汽混合，混合后的流体通过扩散管，速度下降，压力升高，直至达到下一级吸入口压力后排入下一级蒸汽喷射器。
冷凝器前面的蒸汽喷射器排出的混合流体进入高效冷凝器后，可凝性汽体被冷却成液体与不凝性气体一起随冷却水排出冷凝器外（见新型高效蒸汽喷射真空泵工艺流程图）。
它可以实现任意高度安装，适合于抽吸的介质中不凝性气体量相对较小，大部分为可凝性汽体的工艺，代替传统的多级蒸汽喷射真空泵可以节约工作蒸汽60%以上。
（4）汽水组合喷射真空泵的工作原理及工艺流程图
它是在传统的蒸汽喷射泵的第一级冷凝器后面串联一级汽水串联喷射真空泵而组成的，其工作原理见汽水组合喷射真空泵的工艺流程图。
它克服了蒸汽喷射真空泵和水喷射真空泵各自的缺点，发挥了它们的优点，既可以达到较高的工作真空度，又可以有较大的抽气量，比传统的多级蒸汽喷射真空泵节约工作蒸汽50%以上，节约冷却水30%以上，无需配备启动泵，抽空塔时间短。
（5）多级蒸汽喷射真空泵的优点是结构简单、使用方便、工作稳定可靠，缺点是蒸汽耗量大（运行费用高），必须安装在11米高度以上，检修不便。
三、结合工艺选用合理的真空泵
在化工生产过程中，可根据具体工艺所要求的工作压强高低和抽吸气体的性质合理选择真空泵，一般先确定具体工艺所要求的工作压强，负压蒸馏、精馏、升华等工艺要求的真空度高（工作压强低），负压蒸发、干燥、浓缩、结晶、脱水、脱色、化学反应吸收及真空输送物料等工艺要求的真空度低（工作压强高）。
工作压强确定后，可根据抽气量大小和抽吸气体的性质合理选择真空泵。
1、根据几种真空泵所能达到的工作压强列出各种真空泵的适用范围。
2、抽吸不同气体选择不同喷射真空泵
（1）水喷射真空泵适用于工作压强大于25mmhg（3.3KPa），抽吸各种气体的场合，尤其在抽吸可凝性汽体（即凝结于水或遇冷凝结的气体）、带有粉尘、颗粒状介质时其优点更为突出。
当工作压强要求相对较小，抽不凝性气体量较大时，应选择蒸汽喷射泵和汽水串联、汽水组合喷射真空泵。
（2）汽水串联喷射真空泵工作压强可达到2mmhg（267Pa），但其比新型高效蒸汽喷射真空泵、汽水组合喷射真空泵、多级蒸汽喷射真空泵抽气量小，适合于中小企业间歇式生产。
（3）新型高效蒸汽喷射真空泵的工作压强可达到0.5mmhg（65Pa），适合于抽吸的气体中大部分为可凝性汽体，不凝性气体量占有的比例相对较小的工艺。
（4）汽水组合喷射真空泵和多级蒸汽喷射真空泵的工作压强可达到10Pa以内，可以抽吸各种气体，它们的区别在于汽水组合喷射真空泵比多级蒸汽喷射真空泵节约工作蒸汽耗量，节省运行费用。
六、参考文献：
1 杨乃恒等.真空获得设备.第一版.北京：
冶金工业出版社，1998
2 机械工程手册.第一版.北京；机械工业出版社，1982
3 达道安等.真空设计手册.第一版.兰州，国际工业出版社，1991
4 基础化学工程.第一版.上海：
上海的学技术出版社，1978
5 宋义等.低位整机汽水组合喷射真空泵开发研究与应用.真空科学技术，1999第19卷：
12～13
6 宋义.适用于油脂行业的新型高效射流真空泵.中国油脂，第23卷：
62～63
7 宋贺生等.低温、低位整体式真空除氧装置的研究与应用.真空，1996.6
水喷射器
国内甘蔗糖厂的冷凝系统大量使用水喷射器。
它的结构比较简单，但其性能却和多种因素有关。
需要有良好的设计、制造和应用才能取得较好的效果。
目前国内不少糖厂的水喷射器存在各种不同的问题，用大量的水和电，但真空度不高。
这方面改进的潜力相当大，需要进行深入的研究。
1、水喷射器的抽气性能与效率
水喷射器的性能表现在它的抽气量和工作效率。
抽气量即每小时（或每分钟）排除气体的重量或体积（以干空气计）。
例如，国内糖厂较多应用的TDP系列喷射冷凝器，由广东江门机械厂制造的几种产品的主要性能参数如下表。
型号
真空度80kPa（600mmHg）
真空度86.5kPa（650mmHg）
公称能力（冷凝汁汽量）t/h
用水量（t/h）
抽气量（kg/min）
用水量（t/h）
抽气量（kg/min）
TDP2
84.5
0.895
85.9
0.534
2.0
TDP3.5
140
1.48
141.5
0.88
3.5
TDP6
239.5
2.77
242.5
1.65
6.0
TDP9
354
4.13
359
2.47
9.0
TDP12
455
5.3
461
3.18
12.0
注：
测定时尾管长度10m，水室压力0.1MPa，气温25℃。
国内糖厂所用的水喷射器常置于高位，尾管长约10m。
水喷射器也可以用较短的尾管，设置在较低的位置上（国外常是如此）。
上述喷射器是用多个水喷咀，也有用单个喷咀的。
不过，它们的性能和效率相差很较。
喷射器的性能高低首先表现在抽气量对用水量的比例，这有按体积计算和按重量计算的两种表达方式：
1、按体积计算的比例，即（抽气体积/水的体积），在本文中称之为“抽气体积比”，以符号ｑ代表。
抽气体积是指在喷射器实际真空下的气体体积。
水喷射器的q值一般为1～5，但性能较差者q<１。
2、按重量计算的比例，即（抽气重量/水的重量），在本文中称之为“抽吸系数”，以符号u代表。
它的数值很低，通常为（0.1～1）×10－3，即每吨水抽气0.1～1kg。
水喷射器的这两个系数都很重要，它们之间有如下关系：
ｑ=ｕ×ｖ×1000
水喷射器每小时的排气重量或体积，即等于每小时用水重量或体积乘以ｕ或ｑ。
水喷射器的ｕ和ｑ值都随水压、真空度以及设备型式与尺寸而变。
对水喷射器的深入研究，还需要计算它的工作效率。
作为一个利用水的能量工作的设备，水喷射器的效率应当是它所作的功对它耗用的水的能量的百分比。
水喷射器要将真空下的气体排出，必需将气体压缩，使它的静压力升高至外部的大气压力，即要对气体作压缩功。
水喷射器中气体的压缩是在一定的温度（即排水温度）下进行，按热力学原理，此时将气体由压力P1压缩至压力P２所作的功为（功的国际单位为kJ（千焦），1kJ=102kgm）：
W=0.0098×RTln（P２/P1）（kJ/kg）
式中ln为自然对数的符号（即2.3×log）。
例如，水喷射器内真空度为86.5kPa（650mmHg），喷射器外为标准大气压即101.3kPa，温度为25℃即298ºK，对气体的压缩功为：
W=0.0098×29.27×298×2.3×log（101.3/（101.3－86.5））=165.3（kJ/kg）
以Ga代表每小时排除的空气量（kg），则每小时对气体作压缩功为GaW（kJ/h）。
以Pw代表进水的表压力（在水喷射器出口的同一水平处测量，kPa），水的密度按1000kg/m3计算，则水所具有的位能为Pw/1000（kJ/kg），以Gw代表每小时用水量（kg），则利用水的位能为（Gw×Pw/1000）（kJ/h）。
故水喷射器的效率为：
η=GaWa/（GwPw/1000）×100%
=ｕ×（Wa/Pw）×105%
例如，上表列出的TDP6喷射冷凝器在上述真空和温度下，当水室表压为0.1MPa、相当于Pw为270kPa（压力表高于尾管出水口17m）时，用水量为242.5t/h，抽气量为1.65kg/min，则
ｕ=1.65×60/242500=0.408×10－3
η=0.408×10－3×（165.3/270）×105=25%
2、水喷射器的工作特性与特性曲线
水喷射器的性能与效率是变动较大的，它既和设备的结构型式、尺寸和制造质量有关，也和工作条件有很大关系。
需要深入研究和掌握有关的规律，才能实现高效率的运行。
我们对20多个各类水喷射器的实际运行数据进行复算，它们的η值变动范围很大，较高者为20%～40%，但也有不少低至10%甚至以下。
通常，具有较长尾管的高位多喷咀喷射器的效率较高，而短尾管（置于低位）的单喷咀喷射器的效率低很多。
例如，一个喷射器装有９个喷咀，出口Φ18mm，喉部Φ100mm，尾管Φ122mm，长9m。
在Pw为267～290kPa（水室压力0.15～0.17MPa）及室温下运行、抽吸空气时，在不同真空度下测出的各种参数如下表。
真空度kPa
Pw（kPa）
水量（t/h）
抽气量（kg/h）
抽气量（m3/h）
u（kg/t）
q
η%
14
290
147
648
692
4.41
4.71
19.0
26
287
150
518
660
3.45
4.40
31.8
34
285
153
442
629
2.89
4.11
36.2
40
282
154
370
603
2.40
3.92
37.8
47
280
156
328
594
2.10
3.81
41.8
54
277
157
262
572
1.67
3.64
40.2
62
277
160
220
563
1.37
3.52
41.5
65
273
160
193
548
1.20
3.42
40.4
74
270
162
140
542
0.86
3.35
37.7
79
269
163
109
539
0.67
3.31
32.9
83
267
164
80
516
0.49
3.15
28.0
86
267
165
62
492
0.38
2.98
21.9
88
267
166
39
405
0.235
2.44
16.0
92
267
167
8
150
0.048
0.90
3.8
93
267
167
6
144
0.036
0.86
3.1
可见，在水压基本稳定时，它的抽气重量随真空度升高而迅速减少，按重量计算的抽吸系数ｕ也是这样。
但抽气的体积在一般的真空度（<90kPa）下，随真空升高而降低的幅度较小，抽气体积比ｑ在低真空下约为４，真空较高时在2～3之间。
但在很高真空（>90kPa）下，u和ｑ都降至很低。
喷射器的效率和真空度的关系是倒Ｕ形的曲线，在中间的某一真空度范围内效率最高，约40%。
这一真空度为40～75kPa（300～560mmHg）。
在真空更高时迅速下降，因为此时抽吸气体量迅速下降。
在糖厂常用的真空度下，它的效率约16%～22%。
喷射器效率呈现的倒Ｕ形曲线，对流体力学机械是共通性的。
离心式水泵和鼓风机的效率和工作压力差的关系，都是倒Ｕ形的曲线，不过它们的效率的变化幅度不很大。
但各种喷射器在不同条件下的效率变化要大得多，这是它们的重要特点。
每种流体力学机械都有其工作特性曲线，喷射器也可以画出这种特性曲线，将它的u、和η对真空度作图，就反映出它的特性。
图1是表2所示的高位多喷咀水喷射器的运行特性曲线。
图2是一个小型单喷咀低位喷射器（喷咀Φ11、喉部Φ26mm）在水压300kPa运行时的特性曲线；它们的三条曲线的形态和图２的相似，但u、ｑ和η值都低很多。
图1多喷咀水喷射器的特性曲线 图2单喷咀水喷射器的特性曲线
我们收集了国内外20多个水喷射器的实际数据进行计算分析，都表现了上述规律，说明它们是水喷射器的共通特性。
高位多喷咀喷射器的效率通常较高，而低位单喷咀喷射器的性能都较低。
广东糖业界初期也曾试验用低位单喷咀的水喷射器，但效果不好，不能在生产上使用。
以后转向研究高位多喷咀喷射器，才取得成功。
国内多个糖厂的高位多喷咀水喷射器，它们的性能的实测数据都明显优于低位单喷咀者。
3、水喷射器性能与效率的变化规律
我们综合分析了大量的实际研究资料，在此基础上归纳得出水喷射器的性能与效率和有关工作条件的关系，主要如下：
1、在一定的水压下，随真空度升高，抽吸系数ｕ迅速下降。
这是因为真空高即压力差大时，将空气压缩需要较大的能量，一定的能量只能压缩和带走较少量的空气。
而在一定的真空度下，ｕ值随水压升高即水流能量增大而升高。
2、在真空度很高时，抽吸气体量急剧下降。
当真空度达到某一极限值时，ｕ值下降至零（有时空气会倒流发生“反冲现象”）。
这是喷射器的极限工作点，它随水压升高而提高。
3、当水压一定时，抽气体积比ｑ随真空度升高而下降，但下降的速度低于ｕ值的下降。
水压升高时ｕ值亦增大。
4、在一定的水压下，水喷射器的效率η与真空度的关系为倒Ｕ形曲线，在中间的真空度下效率较高。
效率最高的真空度通常是在53～66kPa（400～500mmHg）；真空更高时效率明显下降（在极限真空度下效率降至零）。
真空度的影响实质上是喷射器工作压力差（背压－吸入压）的影响；如果固定真空度而改变背压，也表现同样的变化规律。
5、在一定的真空度下，η值与所用水压的关系通常亦表现为倒Ｕ形曲线，在某一水压下效率最高；这一水压则随喷射器结构和工作条件而变。
对于设计和制造较好的水喷射器，效率最高的工作水压（以尾管出口同一高度处计量）通常为200～300kPa；但设计制造较差者这一水压较高。
对于喷射冷凝器，其适宜水压还与要求的真空度、排汽量及排气量等工艺因素有关。
在糖厂实际使用的条件下，这一水压稍低。
性能良好的高位多喷咀喷射器，在较高真空下的ｕ值可以达到（0.2～0.5）×103，能适应前节计算的糖厂真空系统的排气量要求。
不过，它的真空度随ｕ值增大而迅速降低，故必须尽量减少设备的漏气量，才能保持足够高的真空度。
应当指出，高位多喷咀水喷射器虽然效率高与单喷咀设备，但在糖厂常用的较高的真空度下（如84～89kPa即630～670mmHg），它的效率还是明显降低，大多数测定数据只为10％～20%。
因此，在高真空下用水喷射器抽真空要耗用较大的功率。
据实际测定，在真空度88kPa即660mmHg时，每排除1m3真空下的气体要耗功率1.95～2.68kW，而活塞式真空泵只用1.14kW，前者比后者大71％～135%，平均增大约一倍。
只是由于水喷射器兼有冷凝和抽气两种功能，系统总用动力的差别不很大。
不过，现在不少糖厂的真空系统配置不合理，特别是使用的水喷射器的实际性能低于正常范围，系统总用动力就大很多。
水喷射器是喷射器中的一种。
喷射器的种类很多，工作方式与用途很广泛，而且近年还有较大的发展。
它们的工作原理是类似的，都有结构简单、制造容易、管理操作方便等优点，但各种喷射器都有共通的缺点,就是设备效率较低：
各种型式的喷射器的效率极少达到40%，而其它流体力学机械如水泵或鼓风机的效率通常在60%以上。
只是由于喷射器的特殊工作方式，在一些实际的应用条件下有其突出的优点，才有应用价值。
喷射器效率低的共通性原因是高速流体与低速流体混合时有较大的冲击损失，而水喷射器在高真空下的效率降低有其特殊性，这些都与喷射器的内部工作过程和结构有密切的关系。
4、高位与低位水喷射器
水喷射器可以安装在高位上并配用长的尾管，也可以安装在低位上并配用短的尾管。
这两者的性能不同和特点。
大量的实验数据说明，高位水喷射器的性能和效率都明显优于低位者。
例如一个大型水喷射器分别安装在高位和低位时的性能
如下图。
在各种不同的真空度下，高位喷射器的抽气体积比都显著高于低位者。
前者的尾管长10m，后者为1.5m，喷嘴前的水室水压，前者为0.15MPa，后者为0.28MPa。
以供水管的水压（在同一高度处衡量）相比，后者所用的水压还稍高（0.05MPa）。
如果将尾管加长到15m，同时将水室压力降低0.05MPa，同一真空度下的抽气体积还可增加5～15％。
水喷射器在高位和低位工作的主要不同点是：
前者有较长的尾管，器内与外界的压力差作用在较长的管道内，压力上升的坡度不大；而后者的长度不大，压力上升的坡度大。
在喷射器中，流体压力的上升是通过速度的下降来获得的（流体的动能转变为压能）。
压力急速上升必须有较大的速度降，而从流体力学得知，流体速度的急剧下降必然产生较大的能量损失（冲击损失）。
因此，低位水喷射器中水流能量的损失较大，效率明显降低。
高位水喷射器中的压力上升比较平缓，能量损失较小，效率也就较高。
不过，各种喷射器（包括蒸汽喷射器）中的冲击损失都占较大比例，这决定了它们的效率较低。
水喷射器的工作有一个重要的特点，就是在某些特殊情况下，会发生水流倒灌的不正常现象，亦称为“反冲”。
即在某一瞬间，水流大量倒灌入设备（如蒸发罐）中，真空度急剧下降。
这种现象主要出现在低位喷射器，高位喷射器（尾管长10m以上者）很少发生。
这种现象主要是由于在较高的真空度下，如水压突然降低（由于水泵或供水系统不正常），水射流的冲击力不足以克服外界空气的反向压力差，而被反向压回。
此时如果尾管没有“水封”，则外界空气亦会从尾管倒流入器内。
在尾管较长时，尾管中水柱产生的静压力能克服这一压差，可减少以至消除这种现象。
低位喷射器要预防这个问题，一定要用较高的水压，例如0.25MPa以上。
高位喷射器则可以在较低水压下工作。
在设备的密封情况较好的系统，用0.1～0.15MPa的水压就可以正常工作。
高位水喷射器的尾管的功能和普通冷凝器的尾管有所不同。
以同样的水量对比，前者的截面积应小于后者，即管内的流速较高。
例如，一台用水量340m3/h的大型水喷射器，分别使用Φ150mm和Φ200的尾
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