針對現(xiàn)有丙烯酸丁酯裝置精制單元真空系統(tǒng)采用蒸汽噴射泵抽真空，運行費用較高，且造成真空波動的影響因素相對較多這一情況，探討采用其它抽真空設(shè)備替代的可行性，主要研究了羅茨-水環(huán)真空泵組的應(yīng)用，并進行經(jīng)濟性分析，為今后裝置的改造提供參考。

　　由于丙烯酸丁酯(BA)含有乙烯基這一物性，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(如溫度升高、停留時間增加、濃度上升、相變、引發(fā)劑等)容易發(fā)生聚合，其中溫度的升高對聚合的影響尤其大，為此，BA裝置精制系統(tǒng)均采用減壓精餾，如常壓下BA的沸點為146℃，而2.0kPaA時為43℃，沸點的大幅度降低有效抑制了聚合的發(fā)生。因真空度要求相對較低，現(xiàn)有BA裝置精制系統(tǒng)均采用蒸汽噴射泵作為抽真空設(shè)備。

　　隨著蒸汽費用的不斷上升，BA裝置的運行費用也有所上升，并且采用蒸汽噴射泵，影響真空波動的因素也較多(如蒸汽壓力波動、噴嘴堵塞、大氣腿等)。為此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)發(fā)布本文主要對BA裝置精制系統(tǒng)采用羅茨-水環(huán)真空泵組抽真空的方案進行了研究，為今后的改造提供參考。

1、BA裝置精制系統(tǒng)真空度要求

　　1.1、設(shè)計值

　　BA裝置精制系統(tǒng)有2個精餾塔，分別為醇拔頭塔(C440)和提純塔(C450)。BA裝置精制系統(tǒng)真空設(shè)計值見表1。

　　1.2、實際運行值

　　上海華誼丙烯酸有限公司現(xiàn)共有3套BA生產(chǎn)裝置，分別為U400單元、U2400單元和U4400單元。

表1 BA裝置精制系統(tǒng)精餾塔真空設(shè)計值

　　BA單元精制系統(tǒng)真空控制實際值見表2。

表2 BA單元精制系統(tǒng)精餾塔真空實際運行值

　　由表1、表2可知，BA單元精制系統(tǒng)真空泵極限真空度達到1kPaA以下，即能滿足生產(chǎn)要求。

2、水環(huán)泵原理及極限真空度

　　2.1、水環(huán)真空泵工作原理

　　液環(huán)真空泵的葉輪在泵殼內(nèi)偏心安裝。啟動前在泵氣缸內(nèi)灌入規(guī)定高度的液體(工作液)。當(dāng)葉輪按圖示箭頭順時針方向旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，將液體甩至泵體壁，葉輪的轉(zhuǎn)動迫使工作液沿泵殼內(nèi)壁形成一個決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環(huán)。此時，會在兩相鄰葉片、葉輪輪轂和液環(huán)內(nèi)表面之間形成一個被工作液密閉的“氣腔”。由于葉輪在泵殼內(nèi)是偏心配置的，所以液環(huán)的內(nèi)表面與葉輪輪轂之間形成一個月牙形空間，它被葉片分成若干容積不等的小室，每個小室的容積隨葉輪轉(zhuǎn)動作周期擴大和縮小，當(dāng)小室容積逐漸擴大，氣體由外界吸入;當(dāng)小室容積逐漸縮小，使原先吸入的氣體被壓縮而排出。這樣，葉輪每轉(zhuǎn)一周，葉片與葉片間的小室容積改變一次。每兩葉片間的液體好像液體活塞一樣往復(fù)運動，連續(xù)不斷地抽吸氣體，達到抽真空的目的。具體見圖1。

　　2.2、水環(huán)真空泵極限真空度

　　水環(huán)泵能達到的極限真空度受制于水的飽和蒸汽壓，水的溫度小于10℃時，極限真空度也僅能達到1.23kPaA，雖然BA精制系統(tǒng)可勉強運行，但C450幾乎沒有調(diào)節(jié)余地，且在極限真空時運行，水環(huán)真空泵會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。氣蝕現(xiàn)象會對真空泵的葉輪、泵體以及圓盤產(chǎn)生損傷。

　　因此，使用單級水環(huán)泵，無法保證BA精制系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。

3、羅茨泵工作原理

　　羅茨泵的結(jié)構(gòu)如圖2所示。在泵腔內(nèi)，有兩個“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直安裝在一對平行軸上，由傳動比為1的一對齒輪帶動作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運動。在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運行。由于羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要前級泵。羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空。為了提高泵的極限真空度，可將羅茨泵串聯(lián)使用。羅茨泵的工作原理與羅茨鼓風(fēng)機相似。由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間V0內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。由于吸氣后V0空間是全封閉狀態(tài)，所以，在泵腔內(nèi)氣體沒有壓縮和膨脹。但當(dāng)轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過排氣口邊緣，V0空間與排氣側(cè)相通時，由于排氣側(cè)氣體壓強較高，則有一部分氣體返沖到空間V0中去，使氣體壓強突然增高。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，氣體排出泵外。

4、羅茨-水環(huán)真空泵組應(yīng)用于BA裝置的可行性研究

　　羅茨真空泵不能單獨使用，必須與一臺前級真空泵串聯(lián)，待被抽系統(tǒng)中的壓力被前級真空泵抽到羅茨真空泵允許入口壓力時，羅茨真空泵才能開始工作，并且在一般情況下，羅茨真空泵不允許高壓差工作，否則將會過載和過熱而損壞，因此使用羅茨真空泵必須合理地選用前級真空泵，極限真空度要求在133~1333Pa之間可選用往復(fù)式真空泵或液環(huán)式真空泵作為前級泵。羅茨水環(huán)真空機組是以羅茨泵為主泵，以水環(huán)泵為前級泵串聯(lián)而成的。

　　一臺羅茨泵與一臺水環(huán)泵串聯(lián)真空機組的極限壓力約400Pa。若用兩臺羅茨泵串聯(lián)再與水環(huán)泵組合，就能大大提高機組的極限壓力，可達到25PaA。BA單元精制系統(tǒng)真空度達到1000PaA以下，即能滿足生產(chǎn)要求。因此，BA單元精制系統(tǒng)僅需一臺羅茨泵與一臺水環(huán)泵串聯(lián)即可。

5、實施方案

　　因使用單級水環(huán)真空泵，既使泵的密封水溫度小于10℃時(密封液選用冷凍A水)，極限真空度也就1.23kPaA。為使真空度進一步降低至1kPaA以下，擬考慮水環(huán)泵與羅茨泵串接使用，真空度可達到1kPaA以下，滿足BA精制系統(tǒng)的生產(chǎn)要求。現(xiàn)考慮C2440、C2450單獨使用一套羅茨-水環(huán)真空泵組(水環(huán)泵密封液選用冷凍A水)，這樣C2440、C2450真空互不干擾，擬采用開2備1，在實際運行中可試驗一套真空機組同時抽C2440、C2450真空，以節(jié)約運行費用，為今后其它裝置的改造提供依據(jù)。

　　具體流程示意圖見圖3。

6、尾氣中有效組分的跑損分析

　　尾氣中有機物的跑損量主要由尾氣的溫度及流量決定，溫度決定了有機物的分壓即濃度，也即可凝氣的濃度，尾氣流量主要由不凝氣流量即阻空和泄漏量決定。U400單元原設(shè)計尾氣中主要組分有丁醇(BuOH)、丁酯(BA)、水(H20)、空氣(AIR)，其流量及組成見表3。

表3 BA單元尾氣流量及組成設(shè)計值

　　注：空氣流量為阻空、調(diào)節(jié)壓力加入空氣及泄漏量之和(1)代

　　表體積百分比(2)代表質(zhì)量百分比

　　水、BA的ASPEN模擬飽和蒸汽壓見表4。

表4 水、BA的ASPEN模擬飽和蒸汽壓

　　由表3、表4數(shù)據(jù)可知，尾氣設(shè)計數(shù)據(jù)的組成與模擬的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)相符，數(shù)據(jù)可信，在尾氣中空氣量相同的情況下，由于蒸汽噴射泵尾氣溫度高于水環(huán)泵尾氣溫度，所以蒸汽噴射泵尾氣中跑損的有效組分要多。

7、運行費用分析

　　一臺水環(huán)泵的功率約7.5kW，羅茨泵功率約2.2kW，如C2440、C2450各使用一套，則所需功率為19.4kW;U2400蒸汽噴射泵(J2451)蒸汽用量約400kg/h，蒸汽價格按186.6元/噸、電費按0.73元/度計。U2400精制系統(tǒng)尾氣總量15.3kg/h，組分按表3、表4計算(20.7℃、BuOH含量按0.1%計)，水環(huán)泵尾氣有效組分跑損為BuOH：0.0153kg/h，BA：0.22kg/h;蒸汽噴射泵尾氣有效組分跑損為BuOH：0.0214kg/h，BA：1.01kg/h。BA價格按17000元/噸、BuOH價格按13800元/噸(2011年5月價格)計。

表5 水環(huán)泵與蒸汽噴射泵運行費用比較

　　裝置年運行時間按8000h計算，則U2400精制系統(tǒng)采用水環(huán)泵抽真空，將節(jié)約費用59.2萬元/年，如改造成功并推廣到丙烯酸精制單元或其它生產(chǎn)裝置，產(chǎn)生的效益將頗為可觀。并且，水環(huán)泵產(chǎn)生的廢水要小于蒸汽噴射泵產(chǎn)生的廢水(水環(huán)泵補水約200kg/h)，可以減少廢水處理費用。

8、結(jié)論

　　(1)羅茨-水環(huán)真空泵機組可以滿足丁酯精制系統(tǒng)生產(chǎn)要求。

　　(2)羅茨-水環(huán)真空泵機組的運行費用要優(yōu)于蒸汽噴射泵。