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    脱附用CO多级离心真空泵设计研究

    放大字体  缩小字体 发布日期:2021-10-20 13:40:13    浏览次数:73    评论:0
    导读

    使用离心真空泵来实现真空变压吸附流程中的真空脱附工艺,具有大气量和不易损坏等优点,可替代多台活塞式真空泵的并联运行。论文以某化工厂吸附塔抽真空解吸时所使用的一氧化碳离心真空泵为研究对象,讨论了离心真空泵设计点的选取方法。

    1 引言

    离心真空泵在脱附工作过程中,随抽气过程不断进行,质量流量不断减小,进口压力不断降低,真空度不断提高,机组处于工况不断变化的运行过程中,要求压缩机有较大的稳定裕度,尤其是喘振极限。抽真空过程中,压缩机进口真空度逐渐升高,雷诺数较低,对机器性能也有明显影响。所以,为确保离心真空泵机组高效、稳定运行,设计点的选取尤为重要。

    2 离心真空泵国内外研究现状

    目前,国内外学者对容积式真空泵的基础研究较多[1,2],然而有关离心真空泵设计点的选取方法研究较少。普莱克斯公司的Ahmed Abdelwahab提出使用中等转速、尺寸较大的离心压缩机来作为真空变压吸附的加压吸附压气机来取代传统容积式压缩机,以提高效率,并指出压力和流量变化时,如何预测压缩机性能以及通过加进口导叶来调节压缩机性能,但是没有对脱附用的离心真空泵做相关研究[3]。国内的李佳、黄金荣等人通过对已有的离心真空泵进行计算研究,指出为了减小叶尖二次流损失,反命题设计三元叶轮时应该用后加功的方法;同时,所研究对象利用了能够调整角度的叶片扩压器来移动性能曲线,确保在非设计工况时真空泵也具有较高的效率,从而达到节能的目的[4]。这些学者都集中于对已有的抽真空用离心压缩机进行简单研究,并没有探索脱附用离心真空泵进口为内含分子筛的吸附塔时进口参数如何变化、设计点如何选取,所以该方面的研究具有极其重要的学术意义。

    3 离心真空泵设计点的选取

    真空变压吸附工艺流程主要包括原料气升压、分子筛常压或高压吸附CO气体、真空脱附CO气体3个步骤。本文主要针对抽真空脱附解吸过程进行研究。

    离心真空泵设计参数如下:

    1)进口条件:进气温度40 ℃,进气压力从110 kPa到15 kPa周期性变动;

    2)出口条件:出口压力要求从145 kPa到120 kPa周期性变动;

    3)输送气体介质为100%纯度CO气体,要求1 h内输送12 000 m(3标准大气压)的气体。

    储气罐内所含CO气体吸附在分子筛上,设计真空泵的目的是利用分子筛低压脱附的原理在真空状态下将分子筛内的CO气体解析出来,这个过程与直接将某一不含分子筛固定体积容器抽真空的过程截然不同。

    3.1 进气温度确定

    在VPSA工艺流程中,所使用的吸附剂热导率一般都较小,虽然吸附时会放出热量,脱附过程会吸收热量,但由于真空变压吸附循环周期较短,吸附过程放出的热量可以供脱附使用,外界不需要供给热量,吸附床温度变化很小,所以在对脱附过程进行研究时可认为进口温度恒定。根据设计参数,可以认为进气温度恒定为40 ℃。

    3.2 CO气体40℃时等温吸附特性曲线研究

    VPSA技术流程中主要涉及的对象为吸附质和吸附剂。在某一固定压力下,吸附质在吸附剂上处于不断吸附与溢出的动态平衡过程中。不同种类分子筛吸附剂在对不同流体进行吸附或者脱附时,随压力变化吸附量呈现不同类型的变化曲线。如果能够知道所研究离心真空泵使用了何种分子筛并且知道该种分子筛对CO气体的脱附曲线,设计点的选取将会方便很多。众多学者主要对吸附过程进行研究,而对于脱附只是一笔带过,但如果吸附过程完全可逆,那么吸附过程的研究就非常有意义。Brunauer等人将纯气体实验的吸附等温线分为5类,本文所研究的CO离心真空泵进气温度为40 ℃,远大于CO临界温度,对应的是第一类单分子层吸附曲线,如图1所示,并且从工程角度考虑可逆。

    本文所要研究的真空脱附过程所使用的分子筛是添加了铜离子的分子筛,CO脱附过程设计参数进气温度为40 ℃(313.15 K),虽然需要的是313 K的实验数据,但是所能查到的最接近的数据为311 K吸附等温线[5],如图2所示。

    图1 Brunauer的第一类等温吸附线图

    图2 CO在载铜分子筛吸附剂上的等温吸附线(311 K时)

    从图1和图2及前文分析可知,CO在载铜分子筛上的吸附等温线具有1个明显特征:低压阶段,吸附等温线斜率非常大,等温线几乎与q线(吸附量曲线,图2纵轴)重合,而当压力较大时,等温线非常平坦,吸附量随压力变化很小,对CO离心真空泵设计点的选取具有极其重要的参考价值。

    3.3 考虑分子筛特性的简化设计

    CO在吸附塔内主要以2种形式存在:分子筛之间空隙内的“游离态”以及分子筛孔隙内部“吸附态”,空隙内游离态含量较小,孔隙内吸附态含量非常大。为了确保真空度和流量满足设计需求,文中研究的化学工艺流程的抽真空过程能够假设为:吸附塔压力在110 kPa到15 kPa的降压过程中,分子筛对CO的吸附量基本不变,真空泵主要对吸附塔空隙内游离态CO进行抽气,当吸附塔内压力降至15 kPa时分子筛孔隙内CO气体(吸附态气体)大量溢出,真空泵主要对分子筛孔隙内气体进行抽吸,吸附塔内压力维持在15 kPa不变,离心真空泵以一固定体积流量将气体抽出。因此,抽真空过程可以分为2个过程进行研究:(1)吸附塔内分子筛之间的空隙在很短时间内压力由110 kPa被抽到15 kPa;(2)吸附塔内压力维持在15 kPa,以一固定体积流量持续抽气。基于这样的假设,有必要首先对充满气体的固定体积容器不含分子筛时固定体积流量抽气过程进行研究。

    假设固定容器体积为V,抽气固定体积流量为固定容器内气体质量为m,气体热力学温度为T,抽气过程中,容器总体积保持不变,只有气体压力P和质量流量 变化,则由理想气体状态方程可知:

    式中,n为物质的量;M为气体摩尔质量;R为气体常数;Rg=m/M

    对式(1)进行微分变换可得:

    对式(2)进行积分可得:

    式(3)即为不含分子筛固定体积容器以固定体积流量抽气过程压力与时间关系式(式中,c1为待定常数也就是对储气罐空隙内游离态气体抽气过程压力与时间关系,可以看出,压力与时间为幂指数关系。

    本文所要设计的CO真空泵内含分子筛的储气罐空隙率约为40%,则空隙体积为:V1=110×0.4=44 m3,选取平均质量流量在进气最低压力时的体积流量作为固定体积流量,平均质量流量为平均质量流量在 15 kPa、40 ℃时对应的体积流量为V1 代入上述时间与压力函数式,可知空隙内压力由110 kPa降低至15 kPa时所需时间t1=4 s,此时抽出CO气体质量m1为45 kg;由设计参数知4 min所要抽出的CO气体质量要达到916.224 kg,则抽气第二阶段所需抽出质量为871.224 kg,维持在15 kPa的抽气时间t2=228 s;抽气总时间t=t1+t2=232 s,满足4 min时间要求。

    由以上分析可知,若考虑一定裕量,该离心真空泵设计点可以确定为:进气压力15 kPa,进气温度40 ℃,质量流量3.817 6 kg·s-1,排气压力 120 kPa。

    4 结语

    不含分子筛固定体积容器以固定体积流量抽气过程压力与时间关系为幂指数关系;在设计脱附用CO离心真空泵时,设计点质量流量选取平均质量流量,进气压力选择进气压力周期性波动最低值,排气压力选择排气压力周期性波动最低值。

     
    (文/小编)
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