齐立娟

(中国昆仑工程有限公司，北京 100037)

液环式真空泵和干式真空泵均属于变容积真空泵，是石油化工装置中常用的真空泵型式。早期的石油化工装置中真空系统多采用液环式真空泵。干式真空泵属于无油干运转的真空设备，其发展及应用已经日趋成熟。

在实际工作环境下，按照不同工况，依据工作抽气量、真空度等要求，结合真空泵的系统组成和机构复杂情况等，对干式真空泵、液环式真空泵进行合理选型，对清洁生产、节能降耗以及保障工艺过程顺利进行有重要意义。

1 真空泵结构及工作原理

1.1 液环式真空泵

液环式真空泵结构及工作原理简图见图1。叶轮偏心安装在泵体内，启动时需向泵内注入一定量的工作液。叶轮旋转时，工作液在离心力的作用下在泵体内壁形成一个旋转的封闭液环，液环下部内表面与轮毂相切，上部内表面与叶片顶端接触。轮毂与液环之间形成1个月牙形空间，该空间被叶轮叶片分成若干体积不同的腔体。吸气过程中，腔体体积由小变大，腔体与端盖上的吸气口相通，其内气体压力降低，气体被吸入，吸气结束时腔体与吸入口隔离。压缩过程中，腔体体积由大变小，其内气体压力升高，在泵旋转至腔体与排气口相通时，气体被排出[1]。

图1 液环式真空泵结构及工作原理简图

液环式真空泵系统主要有闭式循环系统和开式循环系统。闭式循环系统主要由真空泵、环液冷却器、分离罐及排液泵等组成。环液冷却器用于维持液环式真空泵的工作液温度恒定，分离罐用于将泵出口气体中的液体分离，同时进行环液的补充和排放。开式循环系统为环液一次通过系统，泵组无需配置冷却器，环液温度由上游工艺系统来控制。这2种系统可以根据实际工艺能量衡算和具体需求进行选择。

1.2 干式真空泵

1.2.1罗茨真空泵

罗茨真空泵一般分为直排大气罗茨泵(低真空)、中真空罗茨泵(又称机械增压罗茨泵)以及高真空多级罗茨泵[2]。目前国内最为常用的是机械增压罗茨泵。

罗茨真空泵结构及工作原理简图见图2。

图2 罗茨真空泵结构及工作原理简图

在罗茨真空泵泵腔内，有1对8字形或三叶形的转子相互垂直地安装在1对平行轴上，由1对同步齿轮带动转子做同步反向旋转运动。在转子之间、转子与泵壳内壁之间保持一定间隙，可以实现高转速运行。

机械增压罗茨泵压差小[3]，但在较宽压力范围内抽速高。机械增压罗茨泵不能单独使用，必须配置前级泵使用。启动时需先启动前级泵，待入口压力达到机械增压罗茨泵的允许压差范围内才能启动罗茨泵。否则会导致电机过载、泵转子卡死等故障的发生。

1.2.2螺杆式真空泵

螺杆式真空泵结构及工作原理简图见图3。

图3 螺杆式真空泵结构及工作原理简图

螺杆式真空泵是通过1组同步齿轮或双电机驱动(无同步齿轮)的1对反向旋转的螺杆进行工作。在螺杆之间、螺杆与泵壳之间有一定间隙，保证金属与金属之间无接触面，从而实现转子非接触啮合。气体在螺杆的旋转过程中被抽吸、压缩后排出[4]。螺杆式真空泵可实现较高的极限真空，既可单独使用，也可作前级泵。为达到较高真空度，同时保证螺杆式真空泵的工作效率，对螺杆式真空泵转子间隙、螺杆与泵壳的间隙控制非常严格，对螺杆、同步齿轮的加工精度要求很高。

螺杆式真空泵具有结构紧凑、安装维护简单、抽速大、真空度高及压比高等特点[5]。其工作部件无摩擦，寿命长。螺杆式真空泵的型式主要有SIHI公司的立式螺杆式真空泵，BOSCH、LAYBOARD、TUTHILL等公司以及国内一些厂家的卧式螺杆式真空泵等。

1.2.3爪式真空泵

爪式真空泵目前使用的型式较多，有BOSCH公司的卧式、单级结构的MINK系列，EDWARDS公司的立式EDP系列3级结构，国内郎禾科技公司与曌月真空公司的立式4级结构等。卧式爪式真空泵一般为单级结构，泵组可获得的真空度不高，多用于形成粗真空。

立式爪式真空泵一般为3级或4级压缩，可获得较高的真空度。立式爪式真空泵结构及工作原理简图见图4。

图4 立式爪式真空泵结构及工作原理简图

立式爪式真空泵的泵腔依次串联，每级泵腔内各有1对共轭啮合、做同步反向运动的爪型转子。介质被爪型转子吸入后压缩并排放。转子之间、转子与泵壳之间均无接触。每级泵腔中的第一级泵腔为吸气级，其吸气体积比后面几级的大，形成级间压缩。每对转子安装在2根平行轴上，轴由上、下两端轴承支撑，泵腔级与级之间设有隔板，隔板上有吸排气通道。通过同步齿轮传动并调整转子轴与固定转子相位，保证转子之间及转子与泵壳之间的间隙[6-7]。爪式真空泵中需控制的间隙较多，如转子之间的间隙，转子与端盖、隔板的间隙，转子与泵体之间的间隙等，这些间隙之间相互关联，给泵的安装及维护带来一定不便，且一般爪式真空泵抽速较小。

2 真空泵特点对比

几种真空泵极限真空、抽速及特点对比见表1。

表1 几种真空泵特点对比

除表1中所列特点外，干式真空泵还具有转子间隙较小(1 mm以下)，工作过程中温升较大、转子热膨胀不均、轴承磨损、同步齿轮故障时转子易卡死，可能产生机械火花，齿轮、转子的加工精度要求较高，缺乏统一、权威的设计、加工、制造及检验标准，各自执行厂家标准，质量良莠不齐，噪声大以及排气压力低等缺点。

3 真空泵选型分析

3.1 液环式真空泵选型

对抽气量较大而真空度要求较低、抽吸介质纯度要求相对不高及泵入口介质温度相对较高的工况，通过权衡经济、技术指标，建议选用液环式真空泵。

某聚酯装置中的真空泵参数及配置方案比选见表2。

表2 某聚酯装置中真空泵参数及配置方案比选

此工况下的真空泵机组气量较大，若采用干式真空泵，串联的真空泵台数较多，在配置和能耗上优势不大。此外，真空泵机组吸气温度较高，而大多数干式真空泵的工作温度维持在70～80 ℃，吸气温度超出了干式真空泵工作范围。泵吸气温度过高会导致干式真空泵转子热变形，加之在介质压缩过程中泵本身存在一定温升，无法达到预期的工作效果，因此该工况下不适合采用干式真空泵。

若采用液环式真空泵方案，可以以装置内的反应原料之一乙二醇作为环液[11]，避免工作过程中产生废液。利用装置内的冷冻水为环液降温，可保证环液工作温度恒定，从而达到并维持工艺要求的真空度。

综合考虑，最终选用液环式真空泵方案，配置了1套液环式真空泵(含环液冷却器、分离罐等)，投用以来一直运行平稳。

3.2 干式真空泵选型

对抽气量小、真空度要求较高、抽吸介质纯度要求较高的工况，可考虑选用干式真空泵。

某芳烃抽提装置中的真空系统参数及配置方案比选见表3。

表3 某芳烃抽提装置中真空系统参数及配置方案比选

此工况介质中含有极毒介质苯，如采用液环式真空泵，会导致含苯废水定期排放，不利于环保，并且会增加污水处理成本。此外，液环式真空泵机组配置复杂，能耗较高。考虑到泵抽速较小、出口压力不高，若选用干式真空泵，不仅无废液产生、配置简单，而且机组能耗较液环式真空泵机组能耗大幅降低，故最终采用了干式真空泵方案。目前，芳烃抽提装置中的液环式真空泵已越来越多地被干式真空泵代替。

3.3 干式真空泵配置注意事项

3.3.1机组监测及保护

为了达到较高的极限真空，同时获得比较大的压比，干式真空泵转子之间及转子与泵体之间的间隙一般都很小，例如螺杆式真空泵的转子间隙甚至小于0.4 mm，转速也非常高，因此需对干式真空泵进行振动监测[13]，判断转子与腔体间隙以及滚动轴承、同步齿轮的磨损情况等[14]，以达到监控机组工作状态的目的。

干式真空泵工作中介质温升较高，一般需对排气温度、泵壳温度、排气压力进行在线监测，以防止过载导致转子温升过大。

3.3.2机组防爆认证

干式真空泵有产生机械火花的可能性，因此在易燃、易爆场合使用干式真空泵时，一般应对真空泵进行整机防爆认证。

欧盟在1994年颁布了ATEX DIRECTIVE 94/9/EC《拟用于潜在爆炸性氛围的设备及保护系统》[12]指令，该指令适用于所有用于爆炸危险性区域内的防爆设备，包括机械设备及电气设备。欧盟国家的干式真空泵需取得ATEX方面的认证方可使用，该指令于2003年开始强制施行[15]。

目前，在干式真空泵系统认证方面，国内相关标准仅对泵组中的电气、仪表防爆进行了强制性要求[16-19]。考虑到干式真空泵的结构特点，建议在易燃、易爆场合干式真空泵的选型设计中借鉴欧盟的要求，对整套机组进行防爆认证，进一步提高机组运行的可靠性。

4 结语

液环式真空泵和干式真空泵结构、工作原理不同，系统组成存在差异，适用的工况也有所不同。液环式真空泵适用于气量较大、真空度要求较低及抽吸介质纯度要求相对不高的工况，干式真空泵适用于小气量、高真空及介质清洁度要求高的工况。应对干式真空泵机组进行状态监测及运行保护，当用于易燃、易爆场合时应考虑对干式真空泵整套机组进行防爆认证。