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(fēng)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(gòu)等部位，導(dǎo)致羅茨鼓風(fēng)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(shè)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(shè)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(fēng)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(fēng)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(shè)備選型分析

為了解決羅茨鼓風(fēng)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(shè)備。

2.1 空氣懸浮離心式鼓風(fēng)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?xí)p耗很多能量。而空氣懸浮離心鼓風(fēng)機無需齒輪箱增速器及聯(lián)軸器，鼓風(fēng)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(fēng)機相比，節(jié)能達25%～30%，是目前污水處理廠曝氣池送風(fēng)和電廠脫硫裝置鼓風(fēng)替代羅茨鼓風(fēng)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(shù)，關(guān)鍵是無油潤滑空氣懸浮軸承，其原理是：當(dāng)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(yīng)用先例，故不適宜作為本工況下羅茨鼓風(fēng)機的替代設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(dāng)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(cè)移到壓力側(cè)，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(yù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機平均檢修周期為2～3個月，單臺羅茨鼓風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機。

表2 干式爪型真空泵與羅茨鼓風(fēng)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(jié)

與原采用的羅茨鼓風(fēng)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)機的一半。

采用干式爪泵替代羅茨鼓風(fēng)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。