爪式干泵真空機(jī)組在化學(xué)原料藥生產(chǎn)中的選型和應(yīng)用

【摘要】精細(xì)和醫(yī)藥化工行業(yè)排放的廢水具有濃度高、毒性大、難以生物降解等特點(diǎn)，是環(huán)保領(lǐng)域公認(rèn)的最難處理的廢水之一。上世紀(jì)八十年代末出現(xiàn)的高級氧化技術(shù)是處理毒性大、濃度高、難生物降解有機(jī)廢水的有效方法，它可將有機(jī)污染物徹底氧化成CO2、H2O等無害的終端產(chǎn)物。爪式干泵系統(tǒng)，能夠提供清潔的真空源，在減壓蒸餾和真空干燥中的應(yīng)用日益廣泛。由于該型設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在設(shè)備選型和安裝以及使用維護(hù)中都需要密切關(guān)注用戶要求和設(shè)備性能的結(jié)合。本文對該過程中的要點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】爪式真空泵；蒸餾；干燥；設(shè)備選型；控制模式

1.引言

我國是一個(gè)嚴(yán)重缺水的國家，水污染使水資源短缺雪上加霜。大家知道，化學(xué)工業(yè)是水資源消耗大戶，也是廢水排放大戶之一。2006年，在統(tǒng)計(jì)的39個(gè)工業(yè)行業(yè)中，化工行業(yè)廢水及化學(xué)需氧量（COD）排放量分別居第二位和第三位。精細(xì)和醫(yī)藥化工是化工領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的行業(yè)之一，但同時(shí)也是物質(zhì)和能源消耗較大、污染較重的行業(yè)。精細(xì)和醫(yī)藥化工行業(yè)排放的廢水具有濃度高、毒性大、難以生物降解等特點(diǎn)，是國內(nèi)外公認(rèn)的最難處理的廢水之一。如何提高有毒、有害、難降解有機(jī)廢水的處理效率，降低處理成本，對精細(xì)和醫(yī)藥化工企業(yè)切實(shí)完成化學(xué)需氧量減排任務(wù)至關(guān)重要。近年隨著設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械加工能力的提升，國產(chǎn)爪式干泵真空機(jī)組可靠性得到大幅提升，運(yùn)行穩(wěn)定。其最顯著的特點(diǎn)在于可以幫助生產(chǎn)線以清潔的方式獲得不同等級的真空條件，從而實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)，所以在化工、化學(xué)制藥、環(huán)境工程等領(lǐng)域的使用迅速推廣。

2.干式真空機(jī)組替代傳統(tǒng)液環(huán)泵、活塞泵的明顯優(yōu)勢

使用干式真空機(jī)組替代傳統(tǒng)液環(huán)泵、活塞泵在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益上具有明顯優(yōu)勢，很多文章已經(jīng)對此做過詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析。本文謹(jǐn)對曌越公司的爪式真空機(jī)組的應(yīng)用做一個(gè)介紹，旨在交流經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)工作。作者工廠中有兩種工況使用了爪式真空泵機(jī)組，一是藥品的真空干燥；一是合成工序的減壓蒸餾。真空系統(tǒng)的工作流程如圖1，系統(tǒng)包括爪式真空泵一臺（曌越：GZLL-110DY1），羅茨真空泵一臺（曌越：ZJGZ-150），真空緩沖罐、溶劑接收罐、洗液儲罐各一臺，可回收尾氣冷凝液，配備有可設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)的PLC自動清洗和運(yùn)行控制柜，能夠?qū)崿F(xiàn)自動運(yùn)行操作。

2.1干式真空泵在減壓蒸餾工藝的應(yīng)用

減壓蒸餾工況為反應(yīng)釜夾套通熱水循環(huán)加熱，減壓蒸餾出乙酯。根據(jù)一年來的使用情況，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，每批蒸餾時(shí)間約6-7小時(shí)。此前使用的是水環(huán)真空泵（型號：），不但蒸餾出的乙酯無法回收，反而會產(chǎn)生大量（約5-6噸）的高濃度有機(jī)廢水，對工廠的污水處理設(shè)施也形成了很大的壓力。更換爪式真空系統(tǒng)后（曌越：ZJGZ-150），爪泵排氣口安裝冷凝器，使用循環(huán)水降溫即可把排氣中的乙酯冷凝回收下來，每批次可以回收約200L乙酯，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益都很可觀。

2.2干式真空泵在干燥工藝的應(yīng)用

干燥工況中，我廠產(chǎn)品中有一種極難干燥的產(chǎn)品，其中溶劑殘留控制在0.32%，此前也是使用水環(huán)真空泵加兩級羅茨泵的真空機(jī)組來干燥產(chǎn)品（型號：），干燥時(shí)間不穩(wěn)定，有時(shí)長達(dá)20余小時(shí)?，F(xiàn)在，用爪式干泵（曌越：ZJGZ-150+110DY1）代替水環(huán)泵（型號：），不但干燥時(shí)真空尾氣中的溶劑成分成功回收下來（丙酮或酒精約80L/批），而且干燥總時(shí)間亦較為穩(wěn)定的控制在15小時(shí)左右。下圖2為我廠某產(chǎn)品的干燥時(shí)間——真空度——爪泵電流數(shù)據(jù)圖：從圖中可知，在系統(tǒng)加熱升溫階段（21：00-1：00），隨著揮發(fā)量的增大，真空度會出現(xiàn)下降即設(shè)備系統(tǒng)中的壓力逐步上升，同時(shí)電機(jī)電流在升高，排氣溫度也在升高。在干燥平穩(wěn)階段，真空度會快速回升到較高的水平，而電機(jī)電流顯著下降（大約為額定電流的50%），排氣溫度會隨著系統(tǒng)中蒸汽越來越稀薄而降低，通過幾十個(gè)批次的數(shù)據(jù)對比，這三個(gè)運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系重現(xiàn)性較好，據(jù)此，可以按照排氣溫度判斷干燥是否達(dá)到目標(biāo)要求。

3.干式真空機(jī)組替代傳統(tǒng)液環(huán)泵實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從爪式干泵系統(tǒng)在溶劑減壓蒸餾和物料真空干燥方面的應(yīng)用來看，爪式干泵真空系統(tǒng)是一個(gè)很好的清潔真空工程技術(shù)解決方案，但是在其選型、安裝、運(yùn)行操作、日常維護(hù)都有一些需要注意的事項(xiàng)，否則很有可能會在泵的性能發(fā)揮以及生產(chǎn)保障上產(chǎn)生問題，總結(jié)起來主要有以下幾個(gè)方面：

3.1全面的工藝/工況特點(diǎn)描述

要清晰描述用戶的工藝過程需求，主要包括：設(shè)備用途，設(shè)備工作環(huán)境危險(xiǎn)等級，工藝氣體/汽體的物化性質(zhì)，和真空系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵工藝參數(shù)；對材質(zhì)的要求（正確的材質(zhì)匹配是非常關(guān)鍵的，包括對泵腔，轉(zhuǎn)子，調(diào)節(jié)墊片，鍵（通常會被忽略）和軸密封部件中的橡膠制品等都要提出明確的要求），上述中的任一部件出現(xiàn)材料不匹配時(shí)，均會造成泵體的異常腐蝕，從而造成真空系統(tǒng)的性能快速下降。

3.2真空度和抽氣速率

真空泵的抽氣速率標(biāo)示量往往為在特定吸入口壓力時(shí)的標(biāo)定量，對于爪式真空泵，目前國內(nèi)生產(chǎn)的真空泵，其抽氣速率曲線的下降拐點(diǎn)一般都在1000-2000Pa附近，而在500Pa（-0.095MPa）這個(gè)進(jìn)氣壓力的條件下，其抽氣速率幾乎下降50%，請注意這個(gè)壓力通常是前級泵穩(wěn)態(tài)運(yùn)行應(yīng)能夠達(dá)到的壓力。比如在進(jìn)行真空蒸餾時(shí)，要按照生產(chǎn)工藝規(guī)定的壓力條件下，計(jì)算此時(shí)的系統(tǒng)需要的抽氣速率，并按照設(shè)備性能曲線做選型參考，否則極易出現(xiàn)“抽氣速率低于生產(chǎn)要求，而真空度達(dá)不到”的情況；如果是對溫度敏感的工藝過程要相當(dāng)重視抽氣速率和真空度，因?yàn)檫@兩項(xiàng)指標(biāo)都會影響到工藝溫度的實(shí)現(xiàn)。對于有些工況，比如真空干燥系統(tǒng)，由于從理論上干燥器內(nèi)的蒸發(fā)速率是逐漸降低的，這樣在某一階段（比如圖2中的加熱升溫階段），其蒸發(fā)量很大，此時(shí)對于真空系統(tǒng)的抽氣速率要求相對較高，而在干燥后期（通常這個(gè)階段的時(shí)間會達(dá)到總干燥時(shí)間的一半以上），蒸發(fā)量極低，對泵的抽氣速率要求降低，但對絕對真空度要求增高，在這種情況下，可以考慮使用兩臺較小的真空泵代替一臺大功率真空泵的方案，這樣對于系統(tǒng)的電耗等都會有節(jié)約，但是具體的代替方案務(wù)必要用戶工藝和真空泵供應(yīng)商共同進(jìn)行必要的計(jì)算方能確定。

3.3真空系統(tǒng)控制模式注意事項(xiàng)

明確是手動控制還是自動控制，或是兩者切換；如果工況中結(jié)晶體或粉末較多，或者是經(jīng)常用于多種產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)，宜選擇帶有自動清洗功能的控制方式，否則泵腔內(nèi)積聚過多的粉末顆粒會造成過流保護(hù)而停機(jī)。自動清洗程序應(yīng)是PLC系統(tǒng)控制，并且具備調(diào)整清洗參數(shù)的功能。比如，一個(gè)完善的自動清洗程序應(yīng)至少包含以下幾個(gè)過程：a按下機(jī)組停止按鈕—b吸入口電磁閥關(guān)閉—c爪泵降速（至設(shè)定的清洗轉(zhuǎn)速，因工藝而異）—d開啟洗液閥（延時(shí)至設(shè)定的吸液時(shí)間）—e關(guān)閉洗液閥—f開啟吸氣閥—g泵按照設(shè)定的加速度提升轉(zhuǎn)速—h恒速吹空（此時(shí)吸氣閥開啟）—i延時(shí)停機(jī)（此時(shí)吸氣閥關(guān)閉），從c到h循環(huán)重復(fù)。其中可以通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定的參數(shù)為：清洗轉(zhuǎn)速，吸液閥延時(shí)，吸氣閥延時(shí)，清洗次數(shù)等。同時(shí)應(yīng)注意，清洗液的有效性，清洗液應(yīng)能快速溶解顆粒物，而對泵結(jié)構(gòu)部件無腐蝕等不良作用。

3.4.安裝注意事項(xiàng)

關(guān)鍵是要確保管道系統(tǒng)的清潔，避免脫落硬物被吸入泵腔。在吸氣、排氣、清洗液管道安裝時(shí)，切割、焊接作業(yè)中要注意清除干凈金屬屑，管道安裝完成之后，要拆下清洗，在啟動真空泵前，在泵的吸入口上安裝80目濾網(wǎng)，開啟緩沖罐進(jìn)氣閥，維持最高排氣量下對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)抽，以消除在管道系統(tǒng)中存在的易脫落硬物，預(yù)防在工藝過程中出現(xiàn)泵被卡死的故障。在實(shí)際應(yīng)用中，也有選擇使用燒結(jié)式的精密過濾芯等，這些對泵的保護(hù)作用明顯，但對泵的實(shí)際抽氣性能影響也很顯著，在選用中應(yīng)根據(jù)自身工藝特點(diǎn)進(jìn)行考慮。

3.5.日常維護(hù)保養(yǎng)

經(jīng)常檢查油位，每三個(gè)月檢查一次頂部軸承的潤滑情況；定期進(jìn)行手動徹底清洗，清洗時(shí)采用人工加入清洗液，緩緩手動盤車（1轉(zhuǎn)/分鐘），讓泵體內(nèi)的所有部件都能夠充分浸泡，清洗徹底；如果長期停用，可以采用手工加入50ml潤滑油，手動盤車20圈，讓轉(zhuǎn)子處于良好的待用狀態(tài)。

3.6.保證良好的降溫效果

爪式干泵通常設(shè)有腔體夾套，以降低排氣溫度。如果夾套中使用的是無微生物抑制劑的循環(huán)水，則在用一段時(shí)間后會有較厚的粘膜層生成，這樣對泵的降溫效果會造成惡劣影響，泵的排氣溫度會偏高20-30℃（正常排氣溫度在60-80℃）。所以要考慮兩個(gè)措施來避免，一是配管道時(shí)，留有清洗口，定期采用閉式循環(huán)的清洗泵箱對夾套進(jìn)行清洗；二是泵夾套采用的循環(huán)水或低溫水中含有阻垢劑或者微生物抑制劑。

3.7.安全注意事項(xiàng)

由于用于回收有機(jī)溶劑的干泵多數(shù)工作區(qū)域?qū)儆贗I類防爆區(qū)域，再加上干泵的自動清洗程序因品種而異，所以傳統(tǒng)的控制柜模式難以滿足要求?？梢圆捎每刂乒窈头辣僮飨浞蛛x模式，控制柜中主要集成配電電氣回路原件和PLC模塊以及變頻器和參數(shù)設(shè)定界面終端（可以采用觸摸屏），防爆操作箱就近安裝在設(shè)備操作位置，泵操作按鈕和參數(shù)報(bào)警可以設(shè)置在防爆操作箱上。

4.結(jié)論

精細(xì)和醫(yī)藥化工行業(yè)排放的廢水具有濃度高、毒性大、難以生物降解等特點(diǎn)，是目前國內(nèi)外廢水處理界公認(rèn)的難題?！案邼舛取迸c“有毒、有害”或“難降解”兩大特性的疊加，導(dǎo)致單獨(dú)使用生物法這一廉價(jià)方法處理此類廢水失去可能，所以用一些清潔的真空設(shè)備，也是精細(xì)和醫(yī)藥化工企業(yè)完成“十一五”期間化學(xué)需氧量（COD）減排任務(wù)的重要途徑之一。此篇文章是對爪式真空泵系統(tǒng)的用戶需求的一個(gè)概要描述，不能代表爪式真空泵在其他工況條件下的運(yùn)行特點(diǎn)。爪式無油真空泵在濃縮等場合可回收因真空而損耗的溶劑，且對回收的溶劑本身不會造成污染。用爪式泵替代羅茨水環(huán)真空機(jī)組，即節(jié)能環(huán)保，也能為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。相信，通過設(shè)備制造單位和用戶增加技術(shù)交流和溝通，爪式干泵機(jī)組的性能和可靠性會進(jìn)一步得到提升，會為清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)提供一個(gè)更好的工程技術(shù)解決方案。

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作者簡介

1陳雷（1977-），男，山東蘭陵人，制藥工程在職碩士，注冊安全工程師，蘇州中聯(lián)制藥工程部經(jīng)理。

2宋東方，男，航天二院曌越真空事業(yè)部部長。