腐蚀性介质与无油干式真空泵

腐蚀性介质与无油干式真空泵

对于化工和制药工业来说，生产过程中的污染废物处理往往需要投入大量成本，而SterlingSIHI 认为，能始终均匀一致地保持一定的温度，又能控制发热（通常会加速介质降解 /或产生聚合）的真空泵，是最佳解决方案。

采取无油干式设计的真空泵逐渐成为制药业内抽取真空设备的首选。采用这种工艺 的目的主要在于降低排放/处理工作液的成本。这种真空设备不需要任何工作液体或内部润滑剂，因而无需任何污染废物的处理成本。

具有通用耐腐性能的设备才能处理各种具有腐蚀性的气体和蒸汽，它们通常需要使用耐腐蚀金属和高分子聚合物材质才能起到一定的保护作用。但由于干式真空泵运行时内部存在苛刻的热条件；所以使用上述耐腐材料来处理腐蚀性介质对无油干式真空泵是不适合的。此外，使用铁基金属高镀镍涂层材质，一旦出现细微的裂纹就会导致材料产生迅速的电化学腐蚀。目前普遍认为无需这种特殊耐腐材料即可处理

高腐蚀性介质。只要具有特殊设计能可靠地控制温度的设备就能把腐蚀性介质保持在气相状态，这样球墨铸铁材质的设备就可以作为适合

的解决方案了。而且，具有控制均匀的温控性能的设备就能够防止介质在压缩过程中产生降解热或聚合热。

市场需求：化学工艺过程中通常利用真空来确保热敏性介质在反应过

程中不发生降解。因此，诸如蒸馏、蒸发和干燥之类的应用工艺都在

相对较低的温度下进行。真空泵上游通常设置一台预冷凝器，通过将

蒸汽冷凝为液体降低体积流量。因此，真空泵并不是用于处理过量的

自由蒸汽和气体负载，而是抽取最适合流量的饱和气体。在制药和精

细化工业中尤其对多功能设备（即适用于介质和工艺条件不断变化的生产设备）的依赖性更强。在上述工艺中要求真空泵必须可靠并适合

广泛的应用场合，具体应用要求如下：

安全处理易燃蒸汽（气体温升较低，不会产生机械点火源） 处理腐蚀性介质万无一失（提高气体温度以免冷凝，因为在输送热敏介质/覆盖剂时，介质仅在液相时才会产生腐蚀）

可靠的温度控制，能确保：（1）气体温度足够低，以免裂解；（2）气体温度足够高，以免结晶

（便于清理/冲洗、便于现场维护/清洁（图1））。

根据上述需求，可以得知真空泵内理想的温度条件十分重要。它既不能过冷，又不能过热！

应用范围广泛的理想冷却方式：无油干式真空泵的特点是在极小流量的情况下实现近乎绝热的压缩。由于在极低吸入压力条件下运行时泵的流量几乎为零，且没有任何工艺液体，所以压缩产生的热量不能自动消散。此外，由于在这种真空度条件下气体密度低，极高的压缩比（1,000,000:1）使产生的热量进一

步剧增。排出热量的最简单方法是通过夹套对泵进行冷

却。然而，根据图2a 所示，泵内气体密度越低对通过冷

却夹套使气体产生对流来进行散热就越慢。换言之，泵

内的气体温度的分布会很不均匀。随着泵的规格增大，

需要传导热量的容积也随之增大。当泵的规格在250

m³/h 抽气量时，泵内气体峰值温度超出200°C 的情况极

为常见。温度过高后会使介质发生裂解并加速产品的聚

合、降解或升华作用，同时形成活性点火源的危险越来

越高。换言之，随着机器内部间隙被沉积的产品塞满并

产生摩擦就会出现高热点，从而引起局部燃烧。所以通过夹套冷却方式只有在冷却剂温度极低时，才可能降低泵内气体的峰值温度。然而，不仅这种低温冷却剂在实

际应用中受到很大限制，而且夹套内壁还会出现冷凝问

题。由于泵壳的内表面温度很低，腐蚀性蒸汽进入泵内图1：易维护型干运行真空泵的

结构。

a b c

图2：无油干式真空泵内的温度

时被冷却，进而发生冷凝并导致腐蚀。有鉴于此，可以推断如果吸气能力超过250 m³/h 的无油干式真空泵应用于多功能用途时，那么必须具备一个比简单的夹套冷却更先进的散热装置。内部转子冷却与常用的夹套冷却系统结合使用时，可以解决这个问题。图2b 阐明了这种冷却方式下所有气体接触面的散热原理。重要的是这种方式 既可消除有问题的急冷段（通过提高夹套温度），又可同时使泵内部温度维持在200°C 以下。但是，根据前文所述，随着真空泵规格增大，需要传导热量的容积也随之增大从而降低了每个热交换体积内的热传导率。所以，只有当吸入能力低于400m³/h 时，才能将峰值温度控制在200°C 以下。第三种也是最有效的冷却方法是直接通过气体冷却，如图2c 所示。此方式直接将低温气体送入泵内压缩段与热介质混合，使热量交换在最小的单元之间实现。这种有效的冷却不仅通过混合冷/热气体来实现，而且（1）随着气体密度的增加而增大了传热系数（Cp）；并且（2）增加的质量流量加速了散热效果。这样就可以形成一种非常均匀的温度曲线，从而允许套筒温度进一步升高，而内部气体又不至于达到会产生不利影响的高温。

在抽送腐蚀性介质时，这种冷却方式还具有更多的优点。如前所述，当介质保持气相/蒸汽相时是不会发生腐蚀现象的，只有在介质冷凝成液相时才会发生腐蚀。此外，介质在从真空压缩到常压的过程中，只有可冷凝成分的分压达到饱和时才会出现冷凝。直接气体冷却方式的稀释作用降低了泵内可冷凝成分的分压，从而有效避免了冷凝。真空泵配备一台后冷凝器（冷凝物收集装置）时，可以从排气气流中得到温度相对较低的气体。重要的是，这种下游冷凝器必须采用适当的防腐材料制造。如图3所示，低温气体是在压缩最大的点被注入机器的。鉴于此点处于泵的吸入侧下游，因此不会影响吸入压力和流量。

实际运行模式：使用无油干式真空泵输送腐蚀性介质的关键在

于避免介质冷凝。而且，利用泵内高压缩比所产生的热量基本

上就可以达到此目的。但其先决条件是，腐蚀性介质进入泵内

时，泵要一直处于所需的工作温度。在启动和停机阶段，对这

种温度的控制尤为重要。工艺过程开始之前，应对泵进行充分

的预热。这点一般可以通过关闭吸入管路阀门的情况下，让泵

运行一段预定的时间来实现。达到所需的泵内温度时，再打开

吸入管路阀门，引入腐蚀性介质。当泵和工艺过程停止时，泵/

系统内不得存在任何残余腐蚀性介质，这点十分重要。否则，

在冷却阶段泵的内部或者管道系统和阀门周围会出现冷凝。工

艺过程结束后，应关闭吸入管路阀门，同时使泵继续运行一段

时间。然而，由于吸入管路的阀门被关闭，清除残余腐蚀性物

质所需的内部气体流量不足。有鉴于此，可以使用惰性介质

（如氮气）冲洗机器。氮的惰性化过程完成后，才能关闭泵。

在许多工艺应用中，数台真空泵并联在一起，连接在一根共用的排气总管上。在排气口连接一台低温真空泵，起到冷凝器的作用。为了避免腐蚀性的饱和热蒸汽进入低温静止的设备，建议采取适当的隔离措施，可在每台真空泵的排气侧安装一个隔离阀来实现这个目的。

变速设计能提高效率降低成本：许多应用场合并不始终需要使用真空泵。虽然理想的状态是让泵连续运行，但这样做未免太不顾及成本问题了。由于工艺过程必须采取预热循环和停机循环，所以只有泵空转时间过长时才值得关闭泵浦。因此具有变速功能以及能够切换运行模式的泵，是最佳解决方案。换言之，不需要使用真空时，泵自动转换到待机速度，以便维持温度，同时确保泵的惰性化。在此期间，吸入阀门处于关闭状态。这样可以大幅降低能耗，节省能源，从而降低成本。一旦需要真空，可立即打开吸入阀门，使腐蚀性介质流入，而无需额外增加预热循环。

图3：低温气体是在压缩最大的点被注入机器