梁建東，王宏芝，張振華

（1.山西新華化工有限責(zé)任公司計(jì)量測試中心，山西 太原 030008；2.山西新華化工有限責(zé)任公司建筑工程公司，山西 太原 030008；3.山西新華化工有限責(zé)任公司過濾吸收器分廠，山西 太原 030008）

0 引 言

DMMP學(xué)名甲基磷酸二甲酯，是一種內(nèi)添加型的阻燃劑，因分子結(jié)構(gòu)與神經(jīng)性毒劑沙林極為相似，且毒性很小，在防化領(lǐng)域內(nèi)被用作沙林的模擬劑。美國軍用濾器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了4項(xiàng)指標(biāo)，其中一項(xiàng)就是DMMP，用來代表濾器對(duì)神經(jīng)性毒劑的吸附能力。因此，作為防化一級(jí)計(jì)量站，建立一套DMMP檢測系統(tǒng)用于產(chǎn)品的評(píng)價(jià)是很有必要的[1]。

依據(jù)試驗(yàn)方法可知：DMMP的原始濃度和尾氣濃度為一定的值，試驗(yàn)管道內(nèi)溫度為40℃±3℃，試驗(yàn)管道內(nèi)相對(duì)濕度不大于40%RH，試驗(yàn)風(fēng)量為200～600m3/h。該系統(tǒng)主要有進(jìn)風(fēng)除塵、空氣除濕預(yù)熱、DMMP發(fā)生、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 系統(tǒng)總述

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的濾器測試方式：負(fù)壓吸入式，因?yàn)樘貐^(qū)的環(huán)境溫度低于管道內(nèi)的溫度，管道存在熱量散失，需要保溫處理，一直到閥3的前端。該系統(tǒng)涉及到兩種氣體的混合，需求出混合氣體的平均濃度ρm，以1 m3混合氣體為基準(zhǔn)，則ρm=1.21 kg/m3，要求管道內(nèi)混合氣體的流態(tài)為湍流，即最低雷諾數(shù)應(yīng)大于12000[2]，經(jīng)計(jì)算得：最小雷諾數(shù)為23 770，可知流態(tài)為湍流。過濾器測試方法要求管道平均流速不大于8m/s，選擇管徑為φ200mm，根據(jù)流量計(jì)算得：最大流速為5.31 m/s，最小流速為1.77m/s。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 發(fā)生器設(shè)計(jì)

發(fā)生器的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加熱功率計(jì)算兩部分。發(fā)生器選用結(jié)構(gòu)比較簡單的加熱蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器的頂端設(shè)置階梯孔噴嘴。考慮到潔凈空氣與經(jīng)加熱蒸發(fā)出的DMMP混合，噴嘴的上方設(shè)置兩路潔凈空氣匯合后改變流向，并帶出從噴嘴噴出的DMMP蒸氣。在兩路潔凈空氣匯合處第一次混合、進(jìn)行熱交換，為了使混合與熱交換快速高效，在兩路空氣進(jìn)入發(fā)生器時(shí)的通道由通徑為φ200 mm改變?yōu)殚L300 mm、寬50 mm的矩形截面，從而增加氣流的湍動(dòng)程度，在矩形截面內(nèi)最大流速為5.56 m/s，最小流速為1.85m/s。熱交換的過程中使部分DMMP蒸氣的溫度降低，出現(xiàn)冷凝，一少部分回流到發(fā)生器，大部分與空氣混合在熱交換后的溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，則保持氣態(tài)流進(jìn)混合段再進(jìn)行混合。發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

已知DMMP液體的正常沸點(diǎn)為181℃（1個(gè)大氣壓下），太原地區(qū)的平均大氣壓92.6kPa，該系統(tǒng)為負(fù)壓操作，在發(fā)生器內(nèi)約為-2.6kPa，即發(fā)生器內(nèi)的大氣壓約為90kPa。依據(jù)液體蒸氣壓指數(shù)定律：

式中：p1——標(biāo)況下的大氣壓，kPa；

p2——實(shí)際狀況下的大氣壓，kPa；

T2——實(shí)際狀況下的沸點(diǎn)，K；

T1——標(biāo)況下的沸點(diǎn)，K；

R——摩爾氣體常數(shù)8.31J/（K·mol）。

蒸發(fā)熱的計(jì)算，經(jīng)查閱資料知：DMMP的分子結(jié)構(gòu)無氫鍵，屬于正常液體，依據(jù)的關(guān)系式，式中的單位為 J/mol；Tb為液體的沸點(diǎn)，單位為 K，經(jīng)計(jì)算知=39 852.12 J/mol，再將值代入蒸氣壓指數(shù)定律中，最后計(jì)算得：DMMP液體在該系統(tǒng)中的沸點(diǎn)為176℃。

圖2 發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡圖

經(jīng)加熱蒸發(fā)進(jìn)行分子傳質(zhì)的過程與擬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程極為相似，在此按照擬穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散進(jìn)行計(jì)算DMMP通過空氣擴(kuò)散的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散通量，其中DMMP分子擴(kuò)散系數(shù)的大小可用馬克斯韋爾-吉利蘭公式進(jìn)行估算：

式中：DAB——組分A在組分B中的分子擴(kuò)散系數(shù)；

MA，MB——組分A和B的分子量；

P——總壓，Pa；

此式中的分子體積可用克普加和法則作近視估算，其間共有兩個(gè)組分：空氣和DMMP蒸氣，查閱手冊(cè)知空氣的分子體積為29.9 cm3/mol，DMMP蒸氣則以組成元素的原子體積總和計(jì)算，得分子體積為131.2cm3/mol，最后計(jì)算得：5.27×10-6m2/s。實(shí)驗(yàn)前需加入液體DMMP 45kg，對(duì)應(yīng)于發(fā)生器內(nèi)的液面加到310mm高度，距離出口200mm。由

圖3 系統(tǒng)熱計(jì)算段簡圖

式中：NA——摩爾通量，kmol/m2s；

DAB——擴(kuò)散系數(shù)；

P——總壓，Pa；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——溫度，K；

Δz——擴(kuò)散距離，m；

pBM——平均壓力，Pa；

pA1——液面處DMMP的分壓，Pa；

pA2——出口處DMMP的分壓，Pa。

液面處在449 K下，DMMP蒸氣接近飽和，故pA1=90 000 Pa，出口處DMMP蒸氣分壓很小，可視為零，可以計(jì)算出DMMP的摩爾通量和濃度分布方程。

設(shè)實(shí)驗(yàn)室中DMMP液體的溫度為15℃，從生產(chǎn)廠家了解到該液體的實(shí)際純度為99.5%，為了方便計(jì)算設(shè)純度為100%。加入量為45 kg，加溫時(shí)間為40 min，經(jīng)查得DMMP液體的比熱容為2.09J/（g·℃），即該液體由15℃升高到176℃時(shí)吸收的熱量為顯熱，顯熱的加熱功率經(jīng)計(jì)算得6.85 kW，又知DMMP蒸發(fā)熱為39 852.12 J/mol，而蒸發(fā)熱為潛熱，計(jì)算得0.28 kW。功率計(jì)算時(shí)需將顯熱和潛熱全部計(jì)算在內(nèi)，最后計(jì)算得所需的加熱功率為7.13 kW，若加熱效率以90%計(jì)，則發(fā)生器的加熱功率為8kW。

2.2 管路熱量損失計(jì)算

為保證試驗(yàn)管道溫度為最低37℃，即保證在尾氣濃度取樣位置的混合氣體溫度不小于37℃。若發(fā)生器產(chǎn)生的DMMP蒸氣以5mg/L計(jì)，對(duì)應(yīng)600m3/h的風(fēng)量時(shí)質(zhì)量流量則為3kg/h，相當(dāng)于在發(fā)生器出口端系統(tǒng)加入一部分熱量。熱計(jì)算段如圖3所示。

由以上敘述和圖3知，在閥3前端的混合氣體溫度最低應(yīng)為37℃，系統(tǒng)風(fēng)量為600m3/h，欲求除濕加熱器出口端的溫度，則需知道管路的熱損失。而對(duì)應(yīng)600 m3/h的風(fēng)量DMMP的質(zhì)量流量為3 kg/h液體的比熱容為2.09 J/（g·℃），假設(shè)經(jīng)發(fā)生器流出的DMMP與空氣混合后溫度由175℃降為43℃時(shí)，引入的熱量約為232W。

對(duì)于管路的保溫處理，該管路為1.5 mm厚的不銹鋼管外面包覆20 mm厚的橡塑海綿，最外層為0.5mm厚的不銹鋼管。其屬于層對(duì)層之間接觸良好的三層圓筒壁傳導(dǎo)[6]，如圖4所示。

圖4 三層圓筒壁熱傳導(dǎo)簡圖

已知：r1=0.15 m，r2=0.151 5 m，r3=0.171 5 m，r4=0.172 m，t1=43℃，t2=43℃，t3=20℃，t4=20℃，橡塑海綿的導(dǎo)熱系數(shù)不超過0.035W/（m·℃），不銹鋼板的導(dǎo)熱系數(shù)不超過45W/（m·℃），將已知條件代入：

式中：Q——每米管長的熱損失，W/m；

r——管半徑，m；

t——管內(nèi)各層的溫度，℃；

L——管長，m；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）。

經(jīng)計(jì)算得：該管路每米的熱損失為40.8W/m。管道總長約為26 m（忽略閥門的局部散熱和發(fā)生器帶出的熱量），則管道總熱損失為1060.8W。管道中DMMP的含量很小，依空氣的比熱容1.005kJ/（kg·℃）考慮，在600m3/h風(fēng)量下，流過26m管道氣體損失的熱量來考察溫度的降幅，經(jīng)計(jì)算得5.26℃，說明600m3/h時(shí)管道預(yù)熱溫度為43℃時(shí)可以滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.3 管道阻力估算

該系統(tǒng)的阻力損失分為直管段阻力損失、局部阻力損失、管路其他件阻力損失3類。直管段的阻力計(jì)算采用公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Δpf——阻力損失，Pa；

λ——摩擦系數(shù)，無量綱量。

而管道由1.5mm厚的不銹鋼板卷制而成，則絕對(duì)粗糙度ε的值選0.2mm，相對(duì)粗糙度ε/d為0.001，由計(jì)算知：最小雷諾數(shù)為23770，最大雷諾數(shù)為71323，查“摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)及相對(duì)粗糙度的關(guān)系”得：

式中：L——直管段長度，m；

d——管直徑，m；

ρ——混合氣體的密度，kg/m3；

u——混合氣體的流速，m/s。

由此公式可以計(jì)算出直管段在最大風(fēng)量和最小風(fēng)量下的阻力損失。局部阻力損失計(jì)算一般采用阻力系數(shù)法，公式為

式中：Δpf′——阻力損失，Pa；

ζ——阻力系數(shù)，無量綱量，彎頭、天圓地方、

突然縮小、突然擴(kuò)大等部件對(duì)應(yīng)的大小可查閱流體力學(xué)手冊(cè)得到。

管路其他件阻力損失，如進(jìn)風(fēng)除塵器、實(shí)驗(yàn)濾器、尾氣濾器可按出廠測定的阻力值的兩倍計(jì)算，孔板流量計(jì)的阻力損失按廠家提供的數(shù)據(jù)計(jì)算。最后得到的總阻力應(yīng)乘以1.2的系數(shù)作為最后的管道阻力損失值，選用風(fēng)機(jī)時(shí)必須保證在對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)風(fēng)量下，風(fēng)壓大于管道阻力損失值。

2.4 除濕量和預(yù)熱加熱量計(jì)算

按太原地區(qū)氣候極端情況考慮，即冬天室內(nèi)溫度為15℃，相對(duì)濕度為30%；夏天室內(nèi)溫度為30℃，相對(duì)濕度為80%計(jì)算；選擇春秋季的某陰雨天氣如20℃，相對(duì)濕度為70%的情況，進(jìn)行除濕量的計(jì)算。依除濕加熱器出口溫度43℃參與計(jì)算。

第一種情況：室內(nèi)溫度為15℃，相對(duì)濕度為30%，系統(tǒng)只需加熱，不需除濕。已知空氣的比熱為1.005kJ/（kg·℃），空氣密度為1.205kg/m3，最大風(fēng)量為600m3/h，環(huán)境溫度差為43℃-15℃=28℃，計(jì)算得加熱功率為5.65kW。

第二種情況：室內(nèi)溫度為30℃，相對(duì)濕度為80%，系統(tǒng)又需加熱，又需除濕。即求由相對(duì)濕度為80%降為40%的除濕量，查濕空氣的H-I圖知30℃，相對(duì)濕度80%的含濕量為0.024 kg/kg絕干氣；30℃，相對(duì)濕度40%的含濕量為0.011kg/kg絕干氣，系統(tǒng)風(fēng)量,600m3/h，計(jì)算得：除濕量為600×1.205×（0.024-0.011）=9.4kg/h。又經(jīng)計(jì)算得加熱功率為2.63kW。

第三種情況：室內(nèi)溫度為20℃，相對(duì)濕度為80%，系統(tǒng)又需加熱，又需除濕。即求由相對(duì)濕度為80%降為40%的除濕量，已知20℃，相對(duì)濕度80%的含濕量為0.013kg/kg絕干氣；20℃，相對(duì)濕度40%的含濕量為0.005kg/kg絕干氣，系統(tǒng)風(fēng)量，600m3/h，計(jì)算得：除濕量為：600×1.205×（0.013-0.005）=5.8kg/h。又經(jīng)計(jì)算得加熱功率為4.65kW。

對(duì)應(yīng)于除濕機(jī)的除濕量為10 kg/h所需功率12 kW，5kg/h所需功率6kW，得除濕加熱機(jī)的總功率最大為13kW，再考慮除濕加熱的效率和部分余量，則除濕加熱機(jī)的總功率選為15kW，以滿足極端狀況下的除濕與預(yù)熱的要求。

3 結(jié)束語

采用傳統(tǒng)的負(fù)壓吸入式來設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，考慮混合氣體的密度，依據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的湍流，判斷指定風(fēng)量范圍內(nèi)的流態(tài)，選擇合適的管徑，設(shè)計(jì)發(fā)生器和確定了加熱功率，用理論推導(dǎo)的辦法計(jì)算出在太原地區(qū)和在該系統(tǒng)中DMMP的沸點(diǎn)，對(duì)管路的熱量損失進(jìn)行了推導(dǎo)計(jì)算，給出了管路及元件的阻力估算方法，最后計(jì)算了在極端環(huán)境條件下的除濕量和預(yù)熱功率，為類似于DMMP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。

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