浅析苯乙烯抽提装置真空泵的工程设计_李金波.pdf

收稿日期：。作者简介：李金波，男，年毕业于北京化工大学化工过程机械专业，硕士，主要从事动设备工程设计和管理工作，正高级工程师，国家一级建造师，已发表论文 篇。：。浅析苯乙烯抽提装置真空泵的工程设计李金波，熊奥博，赵天雷（中国石化工程建设有限公司，北京 ）摘要：真空泵是苯乙烯抽提装置工艺流程中的重要转动设备，用来保证系统的真空度。文章分析了真空泵选型中应当考虑的因素，指出不仅要考虑真空度、气量等操作参数，还应当注意介质的特性。分析认为，液环式真空泵更适合用于苯乙烯抽提装置。此外，文章还对液环真空泵的级数选择、防汽蚀设置、密封配置、节能设计进行了详细阐述，以期能够为工程设计提供参考。关键词：苯乙烯抽提液环真空泵工程设计汽蚀 ：苯乙烯是化学工业中常用的一种原料，可以用来生产多种树脂，如聚苯乙烯树脂、树脂等。乙烯裂解装置的副产物裂解汽油中通常含有的苯乙烯。以往传统的生产工艺中，这部分苯乙烯会被送往汽油加氢单元进行饱和处理并以较低的价格出售，未能充分体现该组分的经济价值。随着乙烯装置规模的大型化和苯乙烯抽提工艺的进步，这部分苯乙烯产能的回收效益日益得到重视。有关研究表明：苯乙烯抽提的经济规模为万【】，国内大型乙烯装置，如中沙天津石化、镇海炼化、中韩武汉石化等，陆续增加建设了一批苯乙烯抽提装置。苯乙烯抽提工艺流程中的分馏塔、抽提蒸馏塔以及溶剂回收塔等都需要维持 （绝）的压力，该负压需要由真空泵来保持。本文主要就苯乙烯抽提装置中的核心设备真空泵的选型及优化设计进行讨论，为工程设计提供参考。真空泵选型苯乙烯抽提装置真空泵抽吸介质的主要工艺参数如表所示。单就真空度、气量而言，可以选择的真空泵类型较多，如爪式真空泵、螺杆式真空泵、罗茨真空泵、液环真空泵、蒸汽喷射真空泵等。表真空泵工艺参数介质组分空气，烃，水蒸气吸入压力 （绝）吸入温度 排出压力 （绝）吸入气量（）工程设计中，选择真空泵的具体类型时不仅仅要考虑工艺参数，还要考虑介质的物理化学特性以及对环境的影响。蒸汽喷射式真空泵存在噪音高、蒸汽消耗大、介质与蒸汽直接接触需要分离处理等弊端，不宜选用。苯乙烯抽提装置的真空泵所抽送的介质为饱和态，而且含有相当量的 烃，以不饱和芳烃和苯乙烯组分为主。饱和态气相在真空泵压缩过程中容易液化，而不饱和芳烃和苯乙烯的特点之一是在高温下容易产生聚合。聚合物将增加真空泵的故障率，给真空泵带来大量检维修工作，既影响生产又增加成本。干式真空泵由于压比大，转子在压缩介质过程中不进行任何喷液，无法通过喷入润滑油或水带走工作时产生的热量，排气温度较高，尤其是其中的等螺距螺杆真空泵，由于螺距相等而没有内压缩过程，只有外压缩过程，因此，在排气口处的排气温度非常高。对于干式真空泵来说，如冷却效果不好，则会导致转子和机壳产生变形，影响抽真空的效果，严重的还会引发安全事故。控制泵内温度是干式真空泵在设计时需要重点考虑的因素之一，通常可采取两方面的措施，一方面，在泵壳体设计上采用双层管壁中空结构作为主要的散热通道（该结构被称为冷却夹套），其内部通入冷却介质，一般为动设备石油化工设备技术，（）冷却水或冷冻水，可以达到冷却壳体进而冷却转子和介质的目的；另一方面，在真空泵的出口设置冷却器，对排出的高温气体进行冷却，达到允许的温度后再返回部分气体到机壳中间部位，通过掺混对输送介质进行冷却。而液环真空泵运行时，气体和工作液环直接接触，换热更加充分，而且工作液的质量远大于泵内气体介质的质量，工作液的比热容也比气相介质大。根据式（）可知，液环真空泵可以在工作液温升不大的前提下把介质冷却到更低的温度，更有利于防止不饱和芳烃和苯乙烯产生聚合。（）式中：，分别为气相介质、工作液的比热容，（）；，分别 为 气 相 介 质、工 作 液 的 质量，；，分别 为 气 相 介 质、工 作 液 的 温升，。表是某苯乙烯抽提装置工程设计中干式真空泵（螺杆式）与液环真空泵的综合对比。由表可见，采用干式真空泵，系统配置比较简单，占地小，轴功率比较低，但排气温度过高，容易在泵内发生聚合。由于在苯乙烯抽提装置的工程设计中，物料特性的影响是真空泵选型要考虑的首要因素，因此，选择液环真空泵是合理的方案。实践也证明了上述判断，如国内一些建设较早的使用干式真空泵的苯乙烯抽提装置，基本都出现了物料液化和聚合的现象，聚合产生的胶粒堵塞设备，严重的几乎每个月都要把真空泵拆开进行检修清理，工作量非常大；而采用液环真空泵的苯乙烯抽提装置，温升小，几乎无堵塞现象发生，保证了装置平稳运行，降低了检维修工作量。表真空泵选型对比泵类型螺杆真空泵液环真空泵极限真空度 （绝）排气温度 转速（）轴功率 占地及质量系统相对简单，占地面积小，质量小系统复杂，占地面积大，质量大液环真空泵的设计级数的确定液环真空泵有单级和双级两种型式。与单级结构相比，双级液环真空泵可以在更宽的进出口压差范围内工作，即可以达到更低的入口真空度和更高的排气压力，但结构上也更加复杂，对安装和检维修的技术要求也更高。苯乙烯抽提装置中的液环真空泵采用单级或双级的液环真空泵均能满足要求，且能耗相当，从检维修的便捷方面考虑，宜优选单级的液环真空泵。防汽蚀设计存在液相介质并会产生一定压力变化的流体机械都有可能产生汽蚀，如离心泵。液环真空泵也会产生汽蚀，而且由于真空泵入口侧压力很低，汽蚀更容易产生。一直以来，由于离心泵应用更加普遍，因此，对其汽蚀问题的关注度较高，而对液环真空泵汽蚀的专门研究则较少。其实液环真空泵也需要特别注意防汽蚀的问题【】。液环真空泵的汽蚀是由工作液产生的，如果工作液在液环真空泵工作过程中的某个部位的压力降低到该温度下的汽化压力，液体就会汽化产生气泡，而气泡进入高压部位会在压力作用下破裂，发生水力冲击，这就是汽蚀的原理。汽蚀会使泵内部金属表面出现点蚀，随着点蚀的扩大逐渐呈蜂窝状，产生较大的应力，降低部件的力学性能，严重时会造成叶片断裂。液环真空泵比较容易发生汽蚀的部位是叶轮的轮毂处以及分配板上。液环真空泵设计时可以采取的措施主要有以下几种：）选择合适的转速和叶轮直径、降低叶轮的圆周速度，可以减少汽蚀的发生。液环真空泵避免汽蚀现象的设计准则见式（）。（）（）式中：排气压力，（绝）；工作液的汽化压力，（绝）；工作液的密度，；叶轮的圆周速度，；与液环温度有关的系数；与叶轮叶片数和形状有关的系数。根据该设计准则，降低叶轮的圆周速度有助于防止汽蚀。苯乙烯抽提装置的液环真空泵转速一般选择在 及以下。此外，选择密度低、汽化压力低的工作液也有利于防止汽蚀，二者需要综合考虑。）过流部件选择抗汽蚀性能好的材料，如镍铬合金、奥氏体不锈钢等，提高过流部件的表面光石油化工设备技术 年洁度。在一次采购成本控制压力不大的情况下，建议叶轮、分配板等过流部件都至少选择 不锈钢。）选择低汽化压力的工作液。苯乙烯抽提装置中的抽余油比较适合用作液环工作液，其组分与抽送气相比较接近，不用担心工作液被污染，也便于补充和回收处理，其在 时的汽化压力为 （绝），低于真空泵需要达到的入口压力。在装置开车阶段，由于还没有抽余油，可以采用工艺水作为工作液，其 时的汽化压力为 （绝）。）确定合适的工作液温度。由于温度越低，液体的汽化压力越低，因此，降低工作液的温度可以有效防止汽蚀的发生。但过低的温度必然要求为工作液提供较大的冷量换热，造成不必要的能源浪费。该液环真空泵在设计时考虑设置两个冷却器（循环水冷却和冷冻水冷却）串联对工作液进行冷却，将工作液温度控制在 范围，既能够满足防汽蚀需要，又可避免消耗过多的冷冻水，带来大的冷量浪费，同时还可降低冰机负荷。）设置工作液循环泵。循环泵可以加大工作液的循环流量，起到防止因泵内工作液与压缩气体换热产生的温升带来的汽蚀风险。）设置防汽蚀管路。液环真空泵汽蚀发生的部位比较固定，针对这一特点，可以在分配板的压缩过渡区上钻孔并用管路引入稳压气体，减缓气泡在排气端突遇的内外压差升高，同时，及时填充由于气泡破裂而出现的“空穴”，从而大大减轻汽蚀的破坏，降低噪声和振动。设置防汽蚀管路时，应注意加装一个单向阀，防止泵内工作液或气体流出泵外。真空泵的密封苯乙烯抽提的介质中含有一定量的 烃，具有一定的毒性且在爆炸极限之内，应防止其泄漏到环境当中，引起安全事故。同时，吸入侧是真空，应防止环境中的空气进入系统，破坏真空度。因此，真空泵的密封方式选择在设计中需要特别关注。中要求液环真空泵配置机械密封，当 有 特 殊 要 求 时 应 配 置 集 装 式 机 械 密封【】。国内有的炼厂有使用双端面干气密封的经验【】，这种应用可以保证输送介质和工作液环的零泄漏和零逸出，但会有一定量的密封气漏入真空泵当中。选择 双端面机械密封，配置 的密封冲洗系统【】，是苯乙烯抽提工况下更加适合和常用的选择方案。该方案为带压密封冲洗，密封液的压力高于密封腔的压力，无论是内侧密封面还是外侧密封面发生损坏，泄漏的都是安全环保的密封液。形圈损坏是机械密封常见的故障，往往是由于材质选择不当造成的。氟橡胶弹性好、适用温度范围宽、耐磨性好，是机械密封中 形圈最常用的材质。但苯乙烯抽提装置的液环真空泵所抽送的介质中含有苯乙烯，而氟橡胶与苯乙烯长时间接触会发生溶胀，从而引发机封故障。因此，选择耐苯乙烯更优的全氟醚作为机械密封的形圈材质是更加合理的设计。节能设计随着节能需求的不断提高，在工程设计中应当考虑采取必要的节能措施，以满足液环真空泵的节水、节电需求【】。具体措施如下：）采用变频调节。苯乙烯抽提装置的真空泵用于达到和稳定系统的负压，而抽气量由于装置负荷、系统严密性等因素会发生变化。这种情况下可以考虑采用变频电机，用吸入管路上的压力变送器来控制电机转速，这样既能够满足抽气量调整的需要，节能效果又比较明显。）选择高效低噪节能型电机。）冷却水量自动调节。在工作液冷却器与真空泵之间设置温度变送器，在冷却器的进水侧设置调节阀，用温度变送器来控制调节阀的开度，以实现最经济的供水，节约水消耗。结语本文对苯乙烯抽提装置中真空泵的选型及设计要点进行了分析，得出如下结论：）真空泵选型时不仅仅要考虑真空度、气量，还要考虑介质的特性，对于高温易聚合的介质，应根据聚合温度的限制选择合适的真空泵。）苯乙烯抽提装置中的真空泵宜选择液环式真空泵，这样可以有效控制介质温升，防止真空泵压缩产生的高温导致苯乙烯聚合，减少检维修的工作量。）液环真空泵应采取充分的防汽蚀措施，如（下转第 页）第 卷第期李金波等浅析苯乙烯抽提装置真空泵的工程设计标准规定的差异射线检测技术涉及到多行业标准，各标准对缺陷的评定大致趋同，但也存在差异。标准对缺陷规定的差异也会造成缺陷识别的差异问题。缺陷类别规定的不同，分为同一标准内部缺陷分类有差异和不同标准缺陷分类也有差异两种情况。以下举例说明。同一标准差异 承压设备无损检测 第部分 射线检测【】中将压力容器的缺陷类别划分为类，即裂纹、圆形缺陷、条形缺陷、未熔合、未焊透；对管子及压力管道的缺陷类别划分为类，即裂纹、圆形缺陷、条形缺陷、未熔合、未焊透、根部咬边、根部内凹。两者相比，后者多了“根部咬边、根部内凹”两类缺陷。铝及铝合金材质的工件相对钢、镍、铜材质，还多了“夹铜”类缺陷。不同标准之间的差异 石油天然气钢质管道无损检测【】和 相比，多了一个“烧穿”类缺陷。对可能影响致密性的圆形缺陷定义为“深孔缺陷”，而 则定义为“柱孔或针孔”，二者意义大致相同，但命名不同。对未熔合缺陷不再进一步细化分类，而 则将未熔合缺陷进一步细分为“夹层未熔合”和“根部未熔合”。标准差异带来的识别差异标准对缺陷的规定存在差异，不仅仅是评级的差异，还会带来识别上的差异。评片人员或者计算机只有对缺陷影像进行细致识别，才能获得正确的判定评级结果。结语以上列举分析了影响射线底片缺陷影像准确识别的各种因素。这些因素或单一作用，或综合作用，最终提高了缺陷影像识别难度。计算机识别技术由过去传统的特征比对识别向着深度学习为主的智能化方向提升，这样缺陷识别的效率和准确性将大大提高。随着技术的进步，缺陷影像识别困难的问题终将被克服，计算机射线底片智能评定的目标一定会实现。参考文献：全国锅炉压力容器标准化技术委员会承压设备无损检测：第部分：射线检测 北京：新华出版社，石油工程建设专业标准化委员会石油天然气钢质管道无损检测：北京：石油工业出版社，（上接第 页）选取合适的转速、采用耐汽蚀好的材质、选择饱和蒸气压低的液环工作液、降低工作液的温度、控制吸入压力等。）应选择合适的密封类型和材质，防止密封泄漏。）工程设计中，应考虑节水、节电等节约能源的措施。参考文献：杨桂荣苯乙烯抽提工艺设计及优化北京：北京化工大学，许武 液环式真空泵转子防汽蚀处理措施分析与探讨 电力技术，（）：，吴泰忠 液环真空泵的汽蚀防护 化工设备与管道，（）：，任德高液环真空泵的汽蚀真空与低温，（）：，：宁召宽，高天吉 干气密封在液环真空泵上的应用石油化工设备技术，（）：，：吴泰忠 水环真空泵的智能化节能控制 机电工程技术，（）：林汉光液环真空泵及机组节能设计和选型的方法探讨真空与低温，（）：石油化工设备技术 年 ，：），；），：），；），；），：；，（，）：，：；，（，）：，：；（，）：，：；，（.，.，；.，.，）：