幾種真空泵工作原理及選型方案探討

齊立娟

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

液環(huán)式真空泵和干式真空泵均屬于變?nèi)莘e真空泵，是石油化工裝置中常用的真空泵型式。早期的石油化工裝置中真空系統(tǒng)多采用液環(huán)式真空泵。干式真空泵屬于無油干運轉(zhuǎn)的真空設(shè)備，其發(fā)展及應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟。

在實際工作環(huán)境下，按照不同工況，依據(jù)工作抽氣量、真空度等要求，結(jié)合真空泵的系統(tǒng)組成和機構(gòu)復(fù)雜情況等，對干式真空泵、液環(huán)式真空泵進(jìn)行合理選型，對清潔生產(chǎn)、節(jié)能降耗以及保障工藝過程順利進(jìn)行有重要意義。

1 真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 液環(huán)式真空泵

液環(huán)式真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖見圖1。葉輪偏心安裝在泵體內(nèi)，啟動時需向泵內(nèi)注入一定量的工作液。葉輪旋轉(zhuǎn)時，工作液在離心力的作用下在泵體內(nèi)壁形成一個旋轉(zhuǎn)的封閉液環(huán)，液環(huán)下部內(nèi)表面與輪轂相切，上部內(nèi)表面與葉片頂端接觸。輪轂與液環(huán)之間形成1個月牙形空間，該空間被葉輪葉片分成若干體積不同的腔體。吸氣過程中，腔體體積由小變大，腔體與端蓋上的吸氣口相通，其內(nèi)氣體壓力降低，氣體被吸入，吸氣結(jié)束時腔體與吸入口隔離。壓縮過程中，腔體體積由大變小，其內(nèi)氣體壓力升高，在泵旋轉(zhuǎn)至腔體與排氣口相通時，氣體被排出[1]。

圖1 液環(huán)式真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖

液環(huán)式真空泵系統(tǒng)主要有閉式循環(huán)系統(tǒng)和開式循環(huán)系統(tǒng)。閉式循環(huán)系統(tǒng)主要由真空泵、環(huán)液冷卻器、分離罐及排液泵等組成。環(huán)液冷卻器用于維持液環(huán)式真空泵的工作液溫度恒定，分離罐用于將泵出口氣體中的液體分離，同時進(jìn)行環(huán)液的補充和排放。開式循環(huán)系統(tǒng)為環(huán)液一次通過系統(tǒng)，泵組無需配置冷卻器，環(huán)液溫度由上游工藝系統(tǒng)來控制。這2種系統(tǒng)可以根據(jù)實際工藝能量衡算和具體需求進(jìn)行選擇。

1.2 干式真空泵

1.2.1羅茨真空泵

羅茨真空泵一般分為直排大氣羅茨泵(低真空)、中真空羅茨泵(又稱機械增壓羅茨泵)以及高真空多級羅茨泵[2]。目前國內(nèi)最為常用的是機械增壓羅茨泵。

羅茨真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖見圖2。

圖2 羅茨真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖

在羅茨真空泵泵腔內(nèi)，有1對8字形或三葉形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在1對平行軸上，由1對同步齒輪帶動轉(zhuǎn)子做同步反向旋轉(zhuǎn)運動。在轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間保持一定間隙，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行。

機械增壓羅茨泵壓差小[3]，但在較寬壓力范圍內(nèi)抽速高。機械增壓羅茨泵不能單獨使用，必須配置前級泵使用。啟動時需先啟動前級泵，待入口壓力達(dá)到機械增壓羅茨泵的允許壓差范圍內(nèi)才能啟動羅茨泵。否則會導(dǎo)致電機過載、泵轉(zhuǎn)子卡死等故障的發(fā)生。

1.2.2螺桿式真空泵

螺桿式真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖見圖3。

圖3 螺桿式真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖

螺桿式真空泵是通過1組同步齒輪或雙電機驅(qū)動(無同步齒輪)的1對反向旋轉(zhuǎn)的螺桿進(jìn)行工作。在螺桿之間、螺桿與泵殼之間有一定間隙，保證金屬與金屬之間無接觸面，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子非接觸嚙合。氣體在螺桿的旋轉(zhuǎn)過程中被抽吸、壓縮后排出[4]。螺桿式真空泵可實現(xiàn)較高的極限真空，既可單獨使用，也可作前級泵。為達(dá)到較高真空度，同時保證螺桿式真空泵的工作效率，對螺桿式真空泵轉(zhuǎn)子間隙、螺桿與泵殼的間隙控制非常嚴(yán)格，對螺桿、同步齒輪的加工精度要求很高。

螺桿式真空泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維護簡單、抽速大、真空度高及壓比高等特點[5]。其工作部件無摩擦，壽命長。螺桿式真空泵的型式主要有SIHI公司的立式螺桿式真空泵，BOSCH、LAYBOARD、TUTHILL等公司以及國內(nèi)一些廠家的臥式螺桿式真空泵等。

1.2.3爪式真空泵

爪式真空泵目前使用的型式較多，有BOSCH公司的臥式、單級結(jié)構(gòu)的MINK系列，EDWARDS公司的立式EDP系列3級結(jié)構(gòu)，國內(nèi)郎禾科技公司與曌月真空公司的立式4級結(jié)構(gòu)等。臥式爪式真空泵一般為單級結(jié)構(gòu)，泵組可獲得的真空度不高，多用于形成粗真空。

立式爪式真空泵一般為3級或4級壓縮，可獲得較高的真空度。立式爪式真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖見圖4。

圖4 立式爪式真空泵結(jié)構(gòu)及工作原理簡圖

立式爪式真空泵的泵腔依次串聯(lián)，每級泵腔內(nèi)各有1對共軛嚙合、做同步反向運動的爪型轉(zhuǎn)子。介質(zhì)被爪型轉(zhuǎn)子吸入后壓縮并排放。轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵殼之間均無接觸。每級泵腔中的第一級泵腔為吸氣級，其吸氣體積比后面幾級的大，形成級間壓縮。每對轉(zhuǎn)子安裝在2根平行軸上，軸由上、下兩端軸承支撐，泵腔級與級之間設(shè)有隔板，隔板上有吸排氣通道。通過同步齒輪傳動并調(diào)整轉(zhuǎn)子軸與固定轉(zhuǎn)子相位，保證轉(zhuǎn)子之間及轉(zhuǎn)子與泵殼之間的間隙[6-7]。爪式真空泵中需控制的間隙較多，如轉(zhuǎn)子之間的間隙，轉(zhuǎn)子與端蓋、隔板的間隙，轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙等，這些間隙之間相互關(guān)聯(lián)，給泵的安裝及維護帶來一定不便，且一般爪式真空泵抽速較小。

2 真空泵特點對比

幾種真空泵極限真空、抽速及特點對比見表1。

表1 幾種真空泵特點對比

除表1中所列特點外，干式真空泵還具有轉(zhuǎn)子間隙較小(1 mm以下)，工作過程中溫升較大、轉(zhuǎn)子熱膨脹不均、軸承磨損、同步齒輪故障時轉(zhuǎn)子易卡死，可能產(chǎn)生機械火花，齒輪、轉(zhuǎn)子的加工精度要求較高，缺乏統(tǒng)一、權(quán)威的設(shè)計、加工、制造及檢驗標(biāo)準(zhǔn)，各自執(zhí)行廠家標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量良莠不齊，噪聲大以及排氣壓力低等缺點。

3 真空泵選型分析

3.1 液環(huán)式真空泵選型

對抽氣量較大而真空度要求較低、抽吸介質(zhì)純度要求相對不高及泵入口介質(zhì)溫度相對較高的工況，通過權(quán)衡經(jīng)濟、技術(shù)指標(biāo)，建議選用液環(huán)式真空泵。

某聚酯裝置中的真空泵參數(shù)及配置方案比選見表2。

表2 某聚酯裝置中真空泵參數(shù)及配置方案比選

此工況下的真空泵機組氣量較大，若采用干式真空泵，串聯(lián)的真空泵臺數(shù)較多，在配置和能耗上優(yōu)勢不大。此外，真空泵機組吸氣溫度較高，而大多數(shù)干式真空泵的工作溫度維持在70～80 ℃，吸氣溫度超出了干式真空泵工作范圍。泵吸氣溫度過高會導(dǎo)致干式真空泵轉(zhuǎn)子熱變形，加之在介質(zhì)壓縮過程中泵本身存在一定溫升，無法達(dá)到預(yù)期的工作效果，因此該工況下不適合采用干式真空泵。

若采用液環(huán)式真空泵方案，可以以裝置內(nèi)的反應(yīng)原料之一乙二醇作為環(huán)液[11]，避免工作過程中產(chǎn)生廢液。利用裝置內(nèi)的冷凍水為環(huán)液降溫，可保證環(huán)液工作溫度恒定，從而達(dá)到并維持工藝要求的真空度。

綜合考慮，最終選用液環(huán)式真空泵方案，配置了1套液環(huán)式真空泵(含環(huán)液冷卻器、分離罐等)，投用以來一直運行平穩(wěn)。

3.2 干式真空泵選型

對抽氣量小、真空度要求較高、抽吸介質(zhì)純度要求較高的工況，可考慮選用干式真空泵。

某芳烴抽提裝置中的真空系統(tǒng)參數(shù)及配置方案比選見表3。

表3 某芳烴抽提裝置中真空系統(tǒng)參數(shù)及配置方案比選

此工況介質(zhì)中含有極毒介質(zhì)苯，如采用液環(huán)式真空泵，會導(dǎo)致含苯廢水定期排放，不利于環(huán)保，并且會增加污水處理成本。此外，液環(huán)式真空泵機組配置復(fù)雜，能耗較高?？紤]到泵抽速較小、出口壓力不高，若選用干式真空泵，不僅無廢液產(chǎn)生、配置簡單，而且機組能耗較液環(huán)式真空泵機組能耗大幅降低，故最終采用了干式真空泵方案。目前，芳烴抽提裝置中的液環(huán)式真空泵已越來越多地被干式真空泵代替。

3.3 干式真空泵配置注意事項

3.3.1機組監(jiān)測及保護

為了達(dá)到較高的極限真空，同時獲得比較大的壓比，干式真空泵轉(zhuǎn)子之間及轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙一般都很小，例如螺桿式真空泵的轉(zhuǎn)子間隙甚至小于0.4 mm，轉(zhuǎn)速也非常高，因此需對干式真空泵進(jìn)行振動監(jiān)測[13]，判斷轉(zhuǎn)子與腔體間隙以及滾動軸承、同步齒輪的磨損情況等[14]，以達(dá)到監(jiān)控機組工作狀態(tài)的目的。

干式真空泵工作中介質(zhì)溫升較高，一般需對排氣溫度、泵殼溫度、排氣壓力進(jìn)行在線監(jiān)測，以防止過載導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫升過大。

3.3.2機組防爆認(rèn)證

干式真空泵有產(chǎn)生機械火花的可能性，因此在易燃、易爆場合使用干式真空泵時，一般應(yīng)對真空泵進(jìn)行整機防爆認(rèn)證。

歐盟在1994年頒布了ATEX DIRECTIVE 94/9/EC《擬用于潛在爆炸性氛圍的設(shè)備及保護系統(tǒng)》[12]指令，該指令適用于所有用于爆炸危險性區(qū)域內(nèi)的防爆設(shè)備，包括機械設(shè)備及電氣設(shè)備。歐盟國家的干式真空泵需取得ATEX方面的認(rèn)證方可使用，該指令于2003年開始強制施行[15]。

目前，在干式真空泵系統(tǒng)認(rèn)證方面，國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅對泵組中的電氣、儀表防爆進(jìn)行了強制性要求[16-19]?？紤]到干式真空泵的結(jié)構(gòu)特點，建議在易燃、易爆場合干式真空泵的選型設(shè)計中借鑒歐盟的要求，對整套機組進(jìn)行防爆認(rèn)證，進(jìn)一步提高機組運行的可靠性。

4 結(jié)語

液環(huán)式真空泵和干式真空泵結(jié)構(gòu)、工作原理不同，系統(tǒng)組成存在差異，適用的工況也有所不同。液環(huán)式真空泵適用于氣量較大、真空度要求較低及抽吸介質(zhì)純度要求相對不高的工況，干式真空泵適用于小氣量、高真空及介質(zhì)清潔度要求高的工況。應(yīng)對干式真空泵機組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測及運行保護，當(dāng)用于易燃、易爆場合時應(yīng)考慮對干式真空泵整套機組進(jìn)行防爆認(rèn)證。