干式爪型真空泵在氯化氫氣體輸送系統(tǒng)中的應用

劉曉明，陳欣

(1. 浙江衢州巨塑化工有限公司，浙江 衢州 324004；2. 浙江巨化股份有限公司電化廠，浙江 衢州 324004)

某公司三氯乙烯裝置采用氣相催化脫氯化氫制三氯乙烯的工藝路線，即在催化劑的作用下將四氯乙烷脫出氯化氫生成三氯乙烯，再把氯化氫和三氯乙烯混合氣經(jīng)解吸塔分離出氯化氫氣體，并通過羅茨鼓風機將分離出的氯化氫氣體送至下道工序制取鹽酸。由于氯化氫氣體呈酸性且含有催化劑碳粉顆粒，這些顆粒會積聚在葉型轉(zhuǎn)子之間、機械密封補償機構等部位，導致羅茨鼓風機在使用過程中存在運行噪聲大、機封處易漏油、故障率高等缺陷，檢修頻率較高，故考慮對該設備重新選型，提升裝置穩(wěn)定性。

1 基本參數(shù)及選型難點

1.1 系統(tǒng)工藝參數(shù)

輸送介質(zhì)，氯化氫和少量三氯乙烯的混合氣體(混有催化劑碳粉顆粒)；進氣流量，800 m3/h；進氣壓力，-5～5 kPa；進氣溫度，≤0 ℃；排氣壓力，升壓 60 kPa；排氣溫度，≤150 ℃。

1.2 設備選型難點

(1) 輸送介質(zhì)遇水變酸，不能選擇濕式壓縮方式(如液環(huán)式壓縮機)，只能選擇干式壓縮方式。

(2)系統(tǒng)里會混有催化劑碳粉顆粒進入機組，像羅茨鼓風機這類容積式壓縮機因葉型轉(zhuǎn)子間嚙合間隙較小，顆粒物進入嚙合間隙會引起傳動軸振動，嚴重影響機械密封使用壽命[1]。

(3)進口呈微負壓或平壓，但出口背壓較高，而螺桿式壓縮機、普通離心風機一般出口壓力≤20 kPa，難以滿足工況需要。

(4)氣體流量偏小，僅13.33 m3/min。

2 替代設備選型分析

為了解決羅茨鼓風機故障率高這一難題，根據(jù)裝置工藝狀況，選擇了以下幾種類型干式壓縮機組進行比對，探尋合適的替代設備。

2.1 空氣懸浮離心式鼓風機

普通離心式壓縮機一般通過齒輪箱式增速裝置來增速，該增速裝置由傳動齒輪、軸承和潤滑系統(tǒng)組成，其中內(nèi)部機械摩擦會損耗很多能量。而空氣懸浮離心鼓風機無需齒輪箱增速器及聯(lián)軸器，鼓風機葉輪與高速電動機軸直聯(lián)，直接驅(qū)動，電動機可采用變頻器來調(diào)速，其優(yōu)點是體積小、質(zhì)量輕、效率高、性能高、噪聲低、能耗低，與羅茨鼓風機相比，節(jié)能達25%～30%，是目前污水處理廠曝氣池送風和電廠脫硫裝置鼓風替代羅茨鼓風機的主流機型[2]。空氣懸浮離心式壓縮機采用“永磁同步高速電動機”“永久性空氣懸浮軸承”和“空氣冷卻系統(tǒng)”3大核心技術，關鍵是無油潤滑空氣懸浮軸承，其原理是：當電動機轉(zhuǎn)速達到 3 000～5 000 r/min時，由軸回轉(zhuǎn)時形成的壓力在軸周圍產(chǎn)生的空氣使軸懸浮于軸承中，軸與軸承之間不存在物理接觸點。但目前空氣懸浮離心式壓縮機葉輪材料為 AL7075(高強度航空鋁材)，只能用于輸送空氣或中性氣體，尚無輸送腐蝕性工藝氣體的應用先例，故不適宜作為本工況下羅茨鼓風機的替代設備。

2.2 干式螺桿真空泵

干式螺桿真空泵是由一對同步齒輪帶動逆向旋轉(zhuǎn)的螺桿，在螺桿與螺桿之間、螺桿與泵腔之間均有一定的間隙，沒有任何金屬與金屬之間的接觸，且螺桿可采用變螺距結構，節(jié)能效果優(yōu)異。在化工行業(yè)，干式螺桿真空泵用于腐蝕性或危險性氣體工況的較多，泵腔和螺桿表面一般涂覆PTFE等材料涂層予以保護。但為了防止涂層被破壞，通常要求被抽氣體只能夾帶少量微小顆粒[3]。而干式螺桿真空泵排氣壓力通常為大氣壓，在配用電動機功率不變的情況下最大允許背壓為30 kPa。在高背壓工況下運行，會造成抽氣速率下降、排氣溫度過高等問題，故無法在此工況下長時間工作。通過對比現(xiàn)有工況可以發(fā)現(xiàn)，若選用干式螺桿真空泵，隨氣體帶入泵腔內(nèi)的催化劑碳粉顆粒會吸附在螺桿及泵腔上，慢慢破壞轉(zhuǎn)子及泵腔表面涂層；其次高背壓的工況會使干式螺桿真空泵排氣溫度非常高，難以長期運行：因此，干式螺桿真空泵不適合本工況。

2.3 干式爪型真空泵

干式爪型真空泵簡稱干式爪泵，得名于特殊的轉(zhuǎn)子形狀，內(nèi)部結構見圖1。其工作原理與旋片泵和凸輪泵非常相似，都屬于變?nèi)菡婵毡弥械男D(zhuǎn)式真空泵。泵體⑦內(nèi)有兩個共軛嚙合的爪形轉(zhuǎn)子(①和②)組成，依靠一對同步高精度齒輪帶動，在泵體中以相反的方向轉(zhuǎn)動，兩個轉(zhuǎn)子只嚙合不接觸，且留有非常小的間隙。轉(zhuǎn)子懸浮于泵腔使得過流部分無任何實質(zhì)性接觸摩擦，也不需要潤滑，這就保證了爪泵可以長期穩(wěn)定運行。當轉(zhuǎn)子在進氣連接口③和軸向進氣口④上移動時，氣體被吸入壓縮室，隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，氣體從吸入側移到壓力側，然后通過減小轉(zhuǎn)子之間的體積將其壓縮，直至運轉(zhuǎn)到下轉(zhuǎn)子排氣口⑤處排出。這種“內(nèi)部壓縮”產(chǎn)生了高壓差，壓縮效率超過60%。為消除壓縮過程中產(chǎn)生的熱量，預壓縮氣體在通過排氣連接口⑥排出前，利用泵體⑦和消聲罩⑧之間吸入冷空氣予以冷卻。干式爪泵擁有非常短的氣體流道，利用其進排氣口的垂直位置，通過重力、氣流和特殊的爪型轉(zhuǎn)子實現(xiàn)自我排放顆粒功能，因此耐固體顆粒性能較強。此外，干式爪泵腔體無液體產(chǎn)生，因此輸送腐蝕性氣體時無需涂層[4]。通過查閱干式爪泵的性能曲線，發(fā)現(xiàn)其既能保證進口有微負壓，又能滿足出口65 kPa的背壓。因此，無論從耐固體顆粒性能，還是滿足排氣壓力要求，干式爪泵都能很好地滿足本工況要求。

①—上轉(zhuǎn)子；②—下轉(zhuǎn)子；③—進氣連接口；④—進氣口； ⑤—排氣口；⑥—排氣連接口；⑦—泵體；⑧—消聲罩。圖1 干式爪型真空泵內(nèi)部結構示意圖Fig.1 Diagram of internal structure of dry claw vacuum pump

3 替代方案實施

目前國內(nèi)尚無企業(yè)生產(chǎn)成熟的爪式真空泵產(chǎn)品，該技術多集中在歐洲幾家企業(yè)。經(jīng)多方交流和對比，最終選定德國里其樂公司生產(chǎn)的單級干式爪泵替代了羅茨鼓風機。

3.1 具體方案

由于單臺干式爪泵抽氣量最大為450 m3/h，為滿足工況要求，采用2臺干式爪泵并聯(lián)的方式替代1臺羅茨鼓風機，參數(shù)對比情況見表1。

表1 干式爪型真空泵與羅茨鼓風機參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters between dry claw vacuum pump and Toots blower

3.2 效果驗證

自2018年11月投用至今，除計劃性拆檢腔體進行清理維護外未進行過其他故障檢修，運行穩(wěn)定。將運行18個月的2臺干式爪泵和1臺同工況在用羅茨鼓風機檢修次數(shù)進行了對比(見表2)，可見干式爪泵的故障次數(shù)降。

以往羅茨鼓風機平均檢修周期為2～3個月，單臺羅茨鼓風機檢修費用>10萬元/a。采用干式爪泵18個月來，基本無檢修，維護費用極低。因其能變頻控制、能耗低，2臺干式爪泵相比單臺羅茨鼓風機全年可節(jié)省電費約20萬元，且運行過程中不產(chǎn)生廢機油和廢液。相對于傳統(tǒng)羅茨鼓風機，雖然干式爪泵前期投資成本較高，但綜合計算后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)濟性要遠遠高于羅茨鼓風機。

表2 干式爪型真空泵與羅茨鼓風機檢修次數(shù)對比Table 2 Comparison of maintenance times between dry claw vacuum pump and Toots blower

4 總結

與原采用的羅茨鼓風機相比，輸送氯化氫氣體干式爪泵具有下列優(yōu)點：①爪泵本身帶有一定自潔能力，適應物料含固體顆粒這種惡劣工況;②取消了機械密封，采用唇形密封，結構簡單、維護相對輕松，故障率極低;③干式泵腔容易檢修和清潔，結構精巧，泵腔清理時不會接觸齒輪箱和改變同步齒輪的定位;④采用變頻控制，調(diào)節(jié)方便，能耗低;⑤單臺機組占地不到原1臺羅茨鼓風機的一半。

采用干式爪泵替代羅茨鼓風機，達到了提高裝置穩(wěn)定性，降低維護成本的目的，效果明顯。