螺桿羅茨真空泵在減壓精餾中的防腐設(shè)計

王瑞華

(索爾維投資(中國)有限公司，上海 201108)

羅茨螺桿真空機組，是以羅茨真空泵為主泵，螺桿真空泵為前級泵的抽氣系統(tǒng)，它是通過高速旋轉(zhuǎn)來提高氣體的壓縮比來產(chǎn)生高真空的一種動設(shè)備。由于它具有清潔無油、真空度高、抽速大、振動小、噪聲低等優(yōu)點，已成為當前精細化工的真空系統(tǒng)的首選產(chǎn)品。但是該泵組由于加工材料精度要求比較高，抗腐蝕材料的選擇比較受限，目前的文獻報道的抗腐蝕材料并沒有太多的工程應(yīng)用經(jīng)驗，所以導(dǎo)致此類泵對工藝介質(zhì)及操作工況比較敏感比如：不能有腐蝕性氣體或者液滴進入泵腔；又因為該泵組是熱泵運行，對熱敏性體系不是很適用；還有泵的間隙比較小，對侵蝕比較敏感等。通過對該泵組的工程經(jīng)驗分享，可以從工藝設(shè)計角度也可以盡可能的阻截介質(zhì)進入泵體內(nèi)，尤其是對酸性氣體的高真空和或者粘度高易碳化的介質(zhì)體系中來，從而延長泵的使用壽命及工程使用范圍。

1 減壓精餾工藝介紹

1.1 工藝條件的概述

該強酸性產(chǎn)品，在1 bar(a)標準大氣壓下的沸點是320 ℃，凝固點是37 ℃，遇水會劇烈反應(yīng)并且在溫度高于150 ℃會分解。輕組分的主要組成是氯化氫氣體、二氧化硫、氯磺酸等。該工藝主要采用間歇精餾來提純，由于受分解溫度的限制，所以需要采用很高的真空度的減壓精餾。該間歇減壓精餾的釜溫最高是130 ℃，塔頂溫度90～120 ℃，真空壓力是10 mbar(a)。

1.2 減壓精餾設(shè)備的選擇[1]

綜合考慮操作參數(shù)、工藝介質(zhì)等因素，把能夠達到操作壓力的真空泵做了一下比對選型及優(yōu)缺點對照：

(1)水環(huán)噴射真空泵和羅茨真空泵組：基于工藝安全的考慮，尾氣進入水系統(tǒng)會劇烈放熱并有可能有倒吸的可能，所以不能選用；

(2)油泵：由于泵油和介質(zhì)有化學(xué)反應(yīng)，目前測試了PFPE真空油，發(fā)現(xiàn)有反應(yīng)乳化現(xiàn)象；

(3)PTFE隔膜泵：抽氣量太小，沒有工業(yè)化應(yīng)用；

基于以上的簡單了解，本工藝環(huán)境并沒有太多的選擇，最終考慮選用螺桿羅茨真空泵組。

2 螺桿羅茨真空泵主要參數(shù)及運行情況

2.1 螺桿羅茨真空泵選型介紹[2]

(1)設(shè)備參數(shù)

極限真空0.5 Pa，抽氣速率300 L/S，總功率15 kW。

圖1 螺桿羅茨真空泵外形圖

(2)ZJ-300羅茨螺桿真空機組材質(zhì)配置

表1 材質(zhì)配置表

2.2 螺桿羅茨真空泵組運行情況介紹

圖2 現(xiàn)場檢查：羅茨泵側(cè)邊法蘭口及臟物積聚處

圖3 螺桿泵打開后檢查：未知白色固體在泵的轉(zhuǎn)子和泵入口處

該真空泵組是間歇操作過程，在間歇精餾過程中，開始設(shè)備運行參數(shù)在控制范圍內(nèi)，后出現(xiàn)運行異常，螺桿泵因為過電流保護停止運行。檢修人員對該真空泵進行了拆解，解體后發(fā)現(xiàn)以下問題，見圖2、圖3。

這些泵送回到供應(yīng)商處維修，他們發(fā)現(xiàn)泵體有所腐蝕并且有很多臟污垢，經(jīng)過清洗轉(zhuǎn)子并更換泵殼，重新安裝測試還可以達到使用的要求。

3 螺桿羅茨真空泵損壞因素分析[3-4]

(1)工藝流程：真空精餾塔出來的氣液夾帶經(jīng)過深冷之后分別到達深冷緩沖罐和成品罐，深冷緩沖罐再經(jīng)罐頂接管出罐進入真空泵組外排至大氣(見圖3)。

(2)材料分析：由于表面已經(jīng)采用哈C合金滲透，該滲透工藝的抗腐蝕性還是無法驗證對于該工藝酸性氣體已經(jīng)起到了很好的抗腐蝕作用，另外螺桿泵的間隙比較小，不能允許有顆粒進入，否則極易造成表面點狀破壞，腐蝕內(nèi)部鑄鐵。

(3)對運行兩批的該泵組解體維修，發(fā)現(xiàn)螺桿泵的轉(zhuǎn)子之間的間隙隨著使用及維修的次數(shù)增加已經(jīng)超出了正常檢修的范圍，沒有維修的價值，從此可以得知泵的腐蝕是泵停的主要原因；

(4)發(fā)現(xiàn)不明物到羅茨泵和螺桿泵內(nèi)，由于在羅茨泵的運行過程中，轉(zhuǎn)子的間隙比較大并且接觸時間比較少，所以羅茨泵沒有出現(xiàn)停的況狀；但是螺桿泵中氣體的壓縮行程比較廠并且轉(zhuǎn)自的間隙比較小，很微小的顆粒進入泵體都有可能卡住轉(zhuǎn)子而引起卡停。

(5)由于該工況的純介質(zhì)凝固點是37 ℃，在泵的入口有一個不合格產(chǎn)品冷卻緩沖罐，操作溫度是-13 ℃，但真空泵入口的溫度是17 ℃，不合格冷卻罐里面的組分是混合組分并且隨著前面工藝操作變化而變化，所以極有可能會有液固夾帶進入泵體內(nèi)。

(6)在正常操作時，螺桿泵卡停以后，該泵組會停止運行并進入在線沖洗過程，首先用水來清洗內(nèi)部顆粒，然后用氮氣吹掃并最后用氮封保護，但是該介質(zhì)有強烈的酸性，在用水清洗的時候也有可能引起二次腐蝕。

所以綜上所述，泵的卡停是由一些未知強酸性物質(zhì)進入泵體并且與泵體發(fā)生反應(yīng)引起泵體和轉(zhuǎn)子的腐蝕，該小顆粒在運行的過程中可以通過羅茨轉(zhuǎn)移到螺桿，由于螺桿的轉(zhuǎn)子間隙比較小，行程比較長，所以螺桿泵經(jīng)常因為過電流保護而卡停。

4 對螺桿羅茨真空泵的防止介質(zhì)進入的工藝保護措施[5-6]

經(jīng)過上面的分析，發(fā)現(xiàn)最終的解決問題的方式是阻止未知物質(zhì)進入泵組內(nèi)，所以在優(yōu)化設(shè)計過程中，以下方法考慮進去：

(1)用冷凝器深冷有腐蝕性氣體介質(zhì)：這個方法對于大多數(shù)應(yīng)用有一定的效果，在進入泵之前的氣體進行二次深度冷凝，然后在進入一個氣液分離器有效的阻止液滴的進入，該方案的缺點是會增加系統(tǒng)的阻力降，降低泵的真空度。對物性有比較全面的了解，尤其是各個工況的壓力溫度露點曲線圖以避免在泵體內(nèi)變液體而卡死；

(2)在泵入口加氣液分離器和安裝在線過濾器：由于在線過濾器會引起系統(tǒng)阻力降的增加，所以要經(jīng)常跟進壓力降或者安裝一個一開一備的過濾器方便生產(chǎn)過程中切換；

(3)泵本身一些連鎖控制保護比如泵殼超溫保護、密封介質(zhì)最小流量保護、泵本身的震動或者噪音保護、冷媒最小流量及溫度的保護等，還有冷媒介質(zhì)量的時時監(jiān)控等；

(4)為防止泵的過熱運行，在工業(yè)上使用最有效的方法就是向泵腔內(nèi)(在溫度最高點)注入適量的汽油，以此蒸發(fā)吸熱來降低泵腔內(nèi)溫度；

(5)在羅茨泵后加深冷器來繼續(xù)冷凝不凝汽體，并且在泵的排氣口或消音器最低位處，安裝一臺循環(huán)泵以消除積液現(xiàn)象，在泵的排氣口處安裝單向閥，以防止泵在停止運行時由于虹吸現(xiàn)象造成冷凝液倒流入泵腔內(nèi)。

(6)噴射吸收塔來滿足高真空系統(tǒng)(比如低于20 mbar真空)[7]；對于有些化學(xué)物質(zhì)，雖然進行了二次冷凝和氣液分離器，但是該介質(zhì)對泵體本身反應(yīng)而產(chǎn)生固體顆?；蛘呖ㄋ辣玫默F(xiàn)象，如果想用干泵到該體系中來，必須從根本上阻截此類介質(zhì)進入泵體內(nèi)。該方案設(shè)計的目的主要是用有機溶劑來和酸性氣體或者粘度高的氣體反應(yīng)，從根本上解決酸性氣體進入泵體的可能；

(7)連續(xù)的惰性氣體流保護：為了防止有些氣體在管道運輸?shù)倪^程中產(chǎn)生液滴，也可以通過補充惰性氣體來稀釋該介質(zhì)，并保證稀釋的混合氣體的組成高于該溫度下的露點。該方法的缺點是由可能降低泵的抽汽量而增加泵的一次性投資。優(yōu)點是如果設(shè)計合理可以降低泵的停車維修次數(shù)，真正的可以解決泵卡的現(xiàn)象。

(8)方法討論：上述這些方法可以根據(jù)工藝介質(zhì)、操作參數(shù)、設(shè)備重要性、現(xiàn)場空間等條件擇其一二或組合。

5 使用案例分享及結(jié)論

由于減壓精餾是重要的分離工段，本次改造就采用第一、二、三和六方法疊加組合，即增加二次深冷加氣液分離器以及泵殼超溫保護裝置以及吸收劑來進行，運行半年后再無出現(xiàn)上述現(xiàn)象。

本案例采用有機胺來吸收酸性氣體，根本上解決了泵卡死的問題(見圖3)。

圖4 工藝系統(tǒng)設(shè)計方案

這是因為整個系統(tǒng)需處于較低的阻力降狀態(tài)以便于真空泵可以在10mbar的高真空下進行工作，保證物料的分離和純度。

該方案的換熱器設(shè)計可以按照普通的冷凝器GB151來設(shè)計，適當考慮較大的余量。氣液分離器設(shè)計可以按國標設(shè)計規(guī)范并且安裝除沫器并在泵的安裝要求上進口管線要有一定的坡度到氣液分離器還有泵排空管線也要符合要求。

因此使用化學(xué)法時，如果吸收劑可從現(xiàn)有的工廠引過來，這樣就避免了為新介質(zhì)的引入而造成的過度投資。

然而該方案的難點在于選擇一個可靠的化學(xué)物質(zhì)來有效的吸附比如沸點很高于300 ℃并且流動性很好，還需要介質(zhì)有一定的化學(xué)吸收能力及解吸能力來降低操作的成本，這樣才可以真正起到保護泵的目的。在設(shè)計過程中要尤其關(guān)心噴射泵和吸收罐的氣液分離設(shè)計，還要有一定的安全連鎖保護比如真空泵停之前要先停噴射泵，還有就是在噴射吸收系統(tǒng)前加一個空的緩沖罐做一個有效的安全保護；該系統(tǒng)的優(yōu)點是噴射泵可以產(chǎn)生一定的動力，該動力可以克服由于此系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力降，真正使該系統(tǒng)達到高真空。

如果對真空要求不是很高的化，該噴射吸收裝置可以簡化成一個簡單的吸收系統(tǒng)，比如用插入管或者隔板來隔開氣液分離器等等，該方案都會由液位而產(chǎn)生的一定的阻力降。

6 結(jié) 語

隨著對羅茨螺桿真空泵組系統(tǒng)的深入了解及工藝的不斷優(yōu)化，再加上對泵本身的一些檢測維護落實到生產(chǎn)過程中比如噪音和泵體溫度及震動等等，及時的采取一系列的行動計劃，相信羅茨螺桿真空泵生產(chǎn)維護的成本會越來越低。實踐證明通過必要的工藝系統(tǒng)保護方案比如加設(shè)汽液分離器、除沫器來減少夜沫夾帶的危害、通過噴射吸收來徹底消除酸性或者粘性介質(zhì)，進而從根本上減少泵的腐蝕。