罗茨-水环真空泵组在丙烯酸丁酯装置中的应用
针对现有丙烯酸丁酯装置精制单元真空系统采用蒸汽喷射泵抽真空，运行费用较高，且造成真空波动的影响因素相对较多这一情况，探讨采用其它抽真空设备替代的可行性，主要研究了罗茨-水环真空泵组的应用，并进行经济性分析，为今后装置的改造提供参考。
由于丙烯酸丁酯(BA)含有乙烯基这一物性，当外部条件发生变化时(如温度升高、停留时间增加、浓度上升、相变、引发剂等)容易发生聚合，其中温度的升高对聚合的影响尤其大，为此，BA装置精制系统均采用减压精馏，如常压下BA的沸点为146℃，而2.0kPaA时为43℃，沸点的大幅度降低有效抑制了聚合的发生。因真空度要求相对较低，现有BA装置精制系统均采用蒸汽喷射泵作为抽真空设备。
随着蒸汽费用的不断上升，BA装置的运行费用也有所上升，并且采用蒸汽喷射泵，影响真空波动的因素也较多(如蒸汽压力波动、喷嘴堵塞、大气腿等)。为此，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)发布本文主要对BA装置精制系统采用罗茨-水环真空泵组抽真空的方案进行了研究，为今后的改造提供参考。
1、BA装置精制系统真空度要求
1.1、设计值
BA装置精制系统有2个精馏塔，分别为醇拔头塔(C440)和提纯塔(C450)。BA装置精制系统真空设计值见表1。
1.2、实际运行值
上海华谊丙烯酸有限公司现共有3套BA生产装置，分别为U400单元、U2400单元和U4400单元。
表1 BA装置精制系统精馏塔真空设计值
BA单元精制系统真空控制实际值见表2。
表2 BA单元精制系统精馏塔真空实际运行值
由表1、表2可知，BA单元精制系统真空泵极限真空度达到1kPaA以下，即能满足生产要求。
2、水环泵原理及极限真空度
2.1、水环真空泵工作原理
液环真空泵的叶轮在泵壳内偏心安装。启动前在泵气缸内灌入规定高度的液体(工作液)。当叶轮按图示箭头顺时针方向旋转时，由于离心力的作用，将液体甩至泵体壁，叶轮的转动迫使工作液沿泵壳内壁形成一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。此时，会在两相邻叶片、叶轮轮毂和液环内表面之间形成一个被工作液密闭的“气腔”。由于叶轮在泵壳内是偏心配置的，所以液环的内表面与叶轮轮毂之间形成一个月牙形空间，它被叶片分成若干容积不等的小室，每个小室的容积随叶轮转动作周期扩大和缩小，当小室容积逐渐扩大，气体由外界吸入;当小室容积逐渐缩小，使原先吸入的气体被压缩而排出。这样，叶轮每转一周，叶片与叶片间的小室容积改变一次。每两叶片间的液体好像液体活塞一样往复运动，连续不断地抽吸气体，达到抽真空的目的。具体见图1。
2.2、水环真空泵极限真空度
水环泵能达到的极限真空度受制于水的饱和蒸汽压，水的温度小于10℃时，极限真空度也仅能达到1.23kPaA，虽然BA精制系统可勉强运行，但C450几乎没有调节余地，且在极限真空时运行，水环真空泵会发生气蚀现象。气蚀现象会对真空泵的叶轮、泵体以及圆盘产生损伤。
因此，使用单级水环泵，无法保证BA精制系统的连续稳定运行。
3、罗茨泵工作原理
罗茨泵的结构如图2所示。在泵腔内，有两个“8”字形的转子相互垂直安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间V0内，再经排气口排出。由于吸气后V0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，V0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间V0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。
4、罗茨-水环真空泵组应用于BA装置的可行性研究
罗茨真空泵不能单独使用，必须与一台前级真空泵串联，待被抽系统中的压力被前级真空泵抽到罗茨真空泵允许入口压力时，罗茨真空泵才能开始工作，并且在一般情况下，罗茨真空泵不允许高压差工作，否则将会过载和过热而损坏，因此使用罗茨真空泵必须合理地选用前级真空泵，极限真空度要求在133~1333Pa之间可选用往复式真空泵或液环式真空泵作为前级泵。罗茨水环真空机组是以罗茨泵为主泵，以水环泵为前级泵串联而成的。
一台罗茨泵与一台水环泵串联真空机组的极限压力约400Pa。若用两台罗茨泵串联再与水环泵组合，就能大大提高机组的极限压力，可达到25PaA。BA单元精制系统真空度达到1000PaA以下，即能满足生产要求。因此，BA单元精制系统仅需一台罗茨泵与一台水环泵串联即可。
5、实施方案
因使用单级水环真空泵，既使泵的密封水温度小于10℃时(密封液选用冷冻A水)，极限真空度也就1.23kPaA。为使真空度进一步降低至1kPaA以下，拟考虑水环泵与罗茨泵串接使用，真空度可达到1kPaA以下，满足BA精制系统的生产要求。现考虑C2440、C2450单独使用一套罗茨-水环真空泵组(水环泵密封液选用冷冻A水)，这样C2440、C2450真空互不干扰，拟采用开2备1，在实际运行中可试验一套真空机组同时抽C2440、C2450真空，以节约运行费用，为今后其它装置的改造提供依据。
具体流程示意图见图3。
6、尾气中有效组分的跑损分析
尾气中有机物的跑损量主要由尾气的温度及流量决定，温度决定了有机物的分压即浓度，也即可凝气的浓度，尾气流量主要由不凝气流量即阻空和泄漏量决定。U400单元原设计尾气中主要组分有丁醇(BuOH)、丁酯(BA)、水(H20)、空气(AIR)，其流量及组成见表3。
表3 BA单元尾气流量及组成设计值
注：空气流量为阻空、调节压力加入空气及泄漏量之和(1)代
表体积百分比(2)代表质量百分比
水、BA的ASPEN模拟饱和蒸汽压见表4。
表4 水、BA的ASPEN模拟饱和蒸汽压
由表3、表4数据可知，尾气设计数据的组成与模拟的饱和蒸汽压数据相符，数据可信，在尾气中空气量相同的情况下，由于蒸汽喷射泵尾气温度高于水环泵尾气温度，所以蒸汽喷射泵尾气中跑损的有效组分要多。
7、运行费用分析
一台水环泵的功率约7.5kW，罗茨泵功率约2.2kW，如C2440、C2450各使用一套，则所需功率为19.4kW;U2400蒸汽喷射泵(J2451)蒸汽用量约400kg/h，蒸汽价格按186.6元/吨、电费按0.73元/度计。U2400精制系统尾气总量15.3kg/h，组分按表3、表4计算(20.7℃、BuOH含量按0.1%计)，水环泵尾气有效组分跑损为BuOH：0.0153kg/h，BA：0.22kg/h;蒸汽喷射泵尾气有效组分跑损为BuOH：0.0214kg/h，BA：1.01kg/h。BA价格按17000元/吨、BuOH价格按13800元/吨(2011年5月价格)计。
表5 水环泵与蒸汽喷射泵运行费用比较
装置年运行时间按8000h计算，则U2400精制系统采用水环泵抽真空，将节约费用59.2万元/年，如改造成功并推广到丙烯酸精制单元或其它生产装置，产生的效益将颇为可观。并且，水环泵产生的废水要小于蒸汽喷射泵产生的废水(水环泵补水约200kg/h)，可以减少废水处理费用。
8、结论
(1)罗茨-水环真空泵机组可以满足丁酯精制系统生产要求。
(2)罗茨-水环真空泵机组的运行费用要优于蒸汽喷射泵。
