干式螺杆真空泵(姜燮昌:干式螺杆真空泵的几种典型应用)

干式螺杆真空泵

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目前各种真空泵的发展越来越受到真空应用场合的影响,一般传统的真空泵系统已经无法满足清洁无油、耐腐蚀、抽可凝性蒸汽以及能在恶劣的工况下运行的需要。因此,近几年来,干式真空泵发展很快,真空获得产品出现了更新换代的局面。
螺杆真空泵是20世纪90年代初出现的一种理想的泵种,具有抽速范围宽广、结构简单紧凑、泵腔内无摩擦元件、能耗低、无废液排放以及运行成本低等一系列优点,因而在半导体、光伏产业、化工、制药、石化、空间模拟、低压风洞等领域得到广泛应用。

在制药行业溶媒回收中的应用采用溶媒结晶工艺的原料药,在结晶后要进行过滤、洗涤、真空干燥。物料含湿量一般在20%左右,加热温度不能超过80℃,干燥后原料药含湿量要低于0.5%,为了抽除物料中的溶媒,干燥罐内的压力要低于干燥温度下溶媒的饱和蒸气压,通常要求在中真空压力0.1~50Pa条件下干燥。湿物料所带溶媒通常是易燃、易爆、有毒、有害的危险化学品,它们在干燥过程中被真空机组抽走。传统的湿式真空系统普遍选用罗茨液环真空泵机组,液环泵的密封液在运行中会溶解或吸收部分有机溶媒,在汽液分离罐中分离成废气和高浓度的有机废液,但这两部分都需要处理,这不仅不能充分回收这部分溶媒,而且使企业运行成本增加,更对健康、安全和环保带来危害。而采用罗茨泵与螺杆真空泵组成的干式真空系统,可以使干燥过程中的有机溶媒在排气侧冷凝,实现溶剂的回收。由于螺杆泵泵腔内无任何其他工艺介质,既节能又环保,无废液处理问题,溶媒又可以全部回收。所以螺杆真空泵已成为这一应用领域的最佳选择。其干式真空机组如图1所示。
图1  三级罗茨螺杆干式真空机组

在石化行业汽油蒸汽回收方面的应用随着我国对环境保护的日益重视,国家或行业制定各种法律、标准和规定,来严格约束汽油蒸汽排放,要求对储油库、加油站等必须增设油气回收装置,并符合排放浓度<25g/m3,油气处理效率>95%的标准。
油气回收装置是采用活性吸附来实现油气中烃类成分和空气的分离,以达到排放标准,活性炭的再生是采用真空解吸的方法来实现的,以达到循环使用的目的。真空解吸的油气则通过汽油喷淋吸收的方法,将油气转化为汽油并回收。干式螺杆真空泵在汽油蒸汽回收装置中是一个关键性设备,所抽气体为容易挥发的汽油蒸汽,主要成分是C4、C5、C6等汽油蒸汽,其装置原理如图2所示。
图2  汽油蒸汽回收装置原理图
考虑到安全,通常汽油回收要求泵的运行温度控制在80℃以下,另外在多数现场都不能提供冷却水,可以提供的冷却液就是汽油;为了降低泵的运行温度,对于抽速为800m3/h以上的大型泵,除了泵体夹套通入汽油外,最有效的方法就是向泵腔内(在温度最高点)注入适量的汽油,通过汽油蒸发吸热来降低泵腔内温度。如图3所示。

图3  向泵内注入冷却液
由于螺杆真空泵在油气回收工艺过程中,被冷凝的汽油会堆集在泵的排气口处,如不及时排出,会造成被鞥的异常振动和噪声,为此可以采取下列二种改进措施——
措施1:泵的排气管向下倾斜,排气管道位置要低于泵的排气口位置(见图4)。

图4  改进措施1
措施2:在泵的排气口或消音器最低位处安装一台循环泵,以消除排气口的积液现象(见图5)。

图5  改进措施2

在航空、航天空间模拟方面的应用由于空间模拟装置被抽容器的容积从几千立方米到几万立方米,压力变化从几万Pa到几个Pa,而且被抽气体中含有大量的水蒸气或部分氮氧化物,所以这种真空系统首先遇到的就是预抽真空问题。如果选用传统的滑阀真空泵作前级泵,则存在下列问题:滑阀泵在高入口压力下长时间运行,由于气流携带作用,其喷油现象十分严重,一是浪费大量昂贵的油,二是环境污染;
由于被抽气体中含有大量的水蒸气或氮氧化物,这些气体一旦进入泵内,会使真空泵油迅速乳化变质,油的密封性破坏,导致真空性能下降,甚至使泵毁坏;
需要配置泵的数量多,而且滑阀泵的振动、噪声也大。
而螺杆真空泵由于具有清洁无油、抽速大、振动小、噪声低等优点,已成为当前大型空间模拟真空系统的首选产品。另外,为了提高真空机组的抽速和极限真空,同时亦可相应地减小螺杆泵的尺寸,一般都是采用一台罗茨泵与螺杆真空泵串联构成的二级机组,或二台罗茨泵与螺杆真空泵串联构成的三级机组。为防止颗粒杂质进入泵内,在真空机组入口配置入口过滤器,其精度为50μm。图6为某空间模拟装置真空系统单套真空泵机组照片。主泵为ZJB-1200带旁通阀罗茨泵(抽速1200L/S),前级泵为SP1500螺杆真空泵(抽速1300m3/h,(50Hz)),单套机组抽速为1200L/s,极限压力10-1Pa。
图6  二级罗茨螺杆干式真空泵机组
图7为某空间模拟装置真空系统单套真空泵机组照片。主泵为RP3600罗茨泵(五点机械密封,抽速5500m3/h),中间泵为RP2000罗茨泵(五点机械密封,抽速为2400m3/h),前级泵为SP1500螺杆真空泵(抽速1300m3/h,(50Hz)),单套机组抽速为1500L/s,极限压力10-2Pa。

图7  三级罗茨螺杆干式真空泵机组

螺杆真空泵要做到以下几点螺杆真空泵是当前真空行业的热点,但是目前在我国尚处于起步阶段,所以在设计、制造和操作使用方面都存在一些问题。笔者认为,要使螺杆真空泵进一步推广使用,还必须做到下列几点:
首先是螺杆真空泵必须性能稳定、运行可靠。
制造厂商要根据用户的不同工艺,提出不同的解决方案。
做好售前培训和售后服务。
操作者要根据使用手册规定的要求,做好日常维护和保养。

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