干式真空泵的應(yīng)用及前景展望

1、 干式真空泵的應(yīng)用及前景展望 l 干式真空泵簡介無油干式機械 真空泵（又簡稱干式機械泵）是指泵能從大氣壓力下開始抽氣，又能將被抽氣體直接排到大氣中去，泵腔內(nèi)無油或其他工作 介質(zhì)，而且泵的極限壓力與油封式真空泵同等量級或者接近的機械真空泵。到目前為止，真空行業(yè)使用的大多數(shù)機械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流體充當(dāng)泵的工作介質(zhì)，在泵內(nèi)起冷卻、密封、潤滑等多種作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及真空應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，原有的機械真空泵及其組成的抽氣系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個急需解決問題：一是泵的工作介質(zhì)返流污染被抽容器，而這種返流在許多情況下影響產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)量，增加設(shè)備的維護(hù)成本。其次，由于某些工藝

2、過程中的反應(yīng)物質(zhì)使真空泵內(nèi)的介質(zhì)嚴(yán)重變質(zhì)，使泵不能正常工作。對于普通的無油真空系統(tǒng)來說，雖然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之類附件來防止返流，但不能徹底解決問題，而且使系統(tǒng)顯得復(fù)雜。而使用適當(dāng)型式的干式機械真空泵，則可以達(dá)到理想的使用效果。l 干式真空泵的優(yōu)點干式真空泵使工作容積中無油，因此帶來了不少益處。首先，它增強了泵的可靠性。干式泵不像油密封泵那樣受到水蒸氣或者塵粒的影響，因此它們更耐用，所需的維護(hù)工作更少。減少用油量還意味著減少了認(rèn)真處理油而花費的成本。使用干式真空泵還使可能的污染減到最小程度，這種污染既可能出現(xiàn)在油里影響了泵的性能，也可能出現(xiàn)在某些極端的情況下，例如在最終產(chǎn)品中。&

3、#160;    要想成功地更換現(xiàn)有的基于油的真空泵系統(tǒng)，關(guān)鍵是要找到針對特定應(yīng)用的最合適的解決方案。為了看一下可以受益的不同類型的應(yīng)用，下面介紹四種不同的工業(yè)生產(chǎn)過程，以及它們使用干式真空泵的主要好處有哪些。     一、在滾動噴涂行業(yè)中便于維修     金屬噴鍍覆膜是滾動噴涂行業(yè)中一種沿用已久的加工過程，它在真空環(huán)境下使用熱蒸發(fā)技術(shù)。一層薄薄的金屬層（最常見的是鋁）附著在紙張、聚乙烯（PE）或其他高分子膜上，從而形成一種堅固、漂亮的包裝材料，它們能防潮、防灰、隔離光線。這

4、是適合于食品應(yīng)用領(lǐng)域的理想材料，因為它使產(chǎn)品保持新鮮，延長保存期限。該加工過程也日益被用于生產(chǎn)裝飾紙、禮品包裝紙和薄膜。加工過程中用到了繞有襯底材料（紙張或PE膜）的大型卷軸（寬度達(dá)2米），它們被安全地置于纏繞室中。這些卷軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)使襯底材料高速穿過隔膜進(jìn)入噴涂室（圖1）。噴涂室要求有極高的真空度，在10-4到10-5mbar之間，纏繞室可以保持較低的真空度，大約為10-2mbar。噴涂是熱蒸發(fā)過程的結(jié)果，在此過程中，金屬被加熱，從而使其汽化，然后沉淀在襯底材料上。     滾動噴涂應(yīng)用領(lǐng)域中所使用的真空泵系統(tǒng)包含有數(shù)個蒸汽增壓器/擴(kuò)散泵，以及機械升壓器

5、的一級或多級，此外還有前級泵（圖1）。前級泵必須在任何時候都符合系統(tǒng)的生產(chǎn)量和前級壓力要求因此最重要的一點是它們要可靠并且易于維護(hù)。這樣就將生產(chǎn)時間的損失減到最小，生產(chǎn)時間的損失會影響設(shè)備的生產(chǎn)率。     在許多先進(jìn)的滾動噴涂公司中，干式泵送技術(shù)已經(jīng)成為一種越來越吸引人的前級泵替代品，被用來取代傳統(tǒng)的油密封系統(tǒng)。干式泵天生就是一種清潔的設(shè)備，它們不易受灰塵或其他微粒的累積的影響，而這種積灰現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)在濕式泵的密封液體中，導(dǎo)致噴涂的質(zhì)量降低。干式泵不會在各次工作之間出現(xiàn)性能降低，因而確保了滾動噴涂過程中的可重復(fù)性。   &

6、#160; 泵中不用油還帶來了環(huán)境和維護(hù)方面的其他好處。例如，濕式泵中所用的油經(jīng)常暴露在加工過程的氣體當(dāng)中，而該氣體被泵送到噴涂室內(nèi)。因此，油會受到加工過程中的微粒的污染。時間長了，油就會變質(zhì)，因而需要定期、頻繁的更換油。還必須考慮到氣體是正被使用著的。例如，如果使用氧氣來生成氧化鋁，那么當(dāng)氧氣與烴油混合時，就會形成爆燃性空氣。干式泵能夠安全地泵送任何濃度的氧氣，因此使用干式泵作為替代品意味著公司無需安裝嚴(yán)格的生產(chǎn)過程控制設(shè)備，這些設(shè)備要耗費相當(dāng)大的成。     二、能有效處理水蒸氣     干式泵技術(shù)目前正被廣泛

7、用于冶金和熱處理應(yīng)用領(lǐng)域。最近安裝了一些世界上最大的干式泵系統(tǒng)來進(jìn)行大型煉鋼排氣。稍小一些的系統(tǒng)用于處理精煉鋼和超耐熱不銹鋼。     例如，真空感應(yīng)熔化（VIM）就是一種冶金加工過程，起初研發(fā)該技術(shù)是為了處理特殊的合金，如今它日益被用于生產(chǎn)不銹鋼等其他材料。使用VIM的典型應(yīng)用場合有鑄造飛機發(fā)動機的零部件和精煉高純度的金屬和合金。該過程使用電磁感應(yīng)在真空下將金屬熔化。這樣會在金屬中感應(yīng)產(chǎn)生渦電流感應(yīng)源是感應(yīng)線圈，它帶有交變電流。渦電流使負(fù)載發(fā)熱并熔化。     像這樣的冶金過程產(chǎn)生一定量的可冷凝水蒸氣，其中含有水

8、汽。油密封的旋轉(zhuǎn)柱塞泵曾經(jīng)是這些處理過程中用的最普遍的一種泵，但是用這種泵，水蒸氣會與潤滑油混合在一起，導(dǎo)致潤滑油老化，并且增大了泵送機構(gòu)的磨損程度。干式泵不會像這樣受水汽的影響，因為它們工作在較高的溫度下，并且在處理室內(nèi)沒有油。    三、減少維護(hù)成本     真空還用于制動器加油站，它是汽車生產(chǎn)線的一部分。汽車制造商希望裝配時間盡可能快速，他們研發(fā)出了這樣一種方法，即使用真空泵來排空和填充制動回路，并對制動回路進(jìn)行檢漏試驗結(jié)果，他們現(xiàn)在能在60秒內(nèi)完成整個過程。     某汽車制造

9、商最近用三臺BOC Edwards Drystar泵取代了原來的三臺油密封真空泵；每條制動回路各有一臺泵，另外再加上一臺備用泵。這樣做的主要原因是，需要對油密封泵進(jìn)行維護(hù)以使它們保持在最大工作能力下運轉(zhuǎn)。和被取代的油密封泵不同，現(xiàn)在安裝的干式泵只需要每6年進(jìn)行一次大修即可。干式真空泵系統(tǒng)還更加節(jié)約成本，因為所需的消耗品也減少了。諸如BOC Edwards的GV系列這樣的很多泵都具有和標(biāo)準(zhǔn)泵一樣的安全特性，例如迅速關(guān)合溫度開關(guān)，如果出現(xiàn)了與加工過程有關(guān)的熱問題，它們能保護(hù)泵。     四、盡量減小污染的危險    

10、某質(zhì)譜儀生產(chǎn)商最近將干式泵納入了其頗受矚目的質(zhì)譜儀系列產(chǎn)品中。質(zhì)譜儀用于測量和分析分子，它們是工業(yè)領(lǐng)域和學(xué)術(shù)界的研究和開發(fā)工具所必需的設(shè)備。它們根據(jù)氣體離子的不同質(zhì)量和電荷將這些離子分開，從而確定物質(zhì)的化學(xué)成分。為了達(dá)到這一目的，必須保證當(dāng)離子產(chǎn)生時（這是在過程的開始階段發(fā)生于電離室），它們能夠自由地在機器中穿行，而不碰撞到空氣分子因此要產(chǎn)生一個真空來確保室內(nèi)沒有空氣。使真空泵的工作容積中不含有油還能確保沒有油分子存在。    大部分用戶是制藥公司，它們需要用設(shè)備進(jìn)行生物分析，對藥物予以鑒定以進(jìn)行臨床試驗。干式真空泵解決方案更好地確保了高精度測量，這對于某些機構(gòu)來

11、說是必不可少的，這些機構(gòu)必須滿足美國食品和藥物管理局（FDA）以及其他一些國家部門所制定的規(guī)章制度。通過使用干式真空泵，消除了污染的危險。    綜上，它們的應(yīng)用日益增加的原因很清楚，因為它們可靠、耐磨、易于維護(hù)，給結(jié)果帶來重大的好處。例如在滾動噴涂行業(yè)里，該環(huán)境中所用的一臺油密封真空泵每年的維護(hù)費用大約是一臺新泵成本的40。干式泵使正常工作時間更長，并且由于它們具有可重復(fù)性，所以使生產(chǎn)的產(chǎn)量更高，節(jié)約了成本。該技術(shù)不僅安全，而且它的設(shè)計使其即使在頗為苛刻的工作環(huán)境中也能夠無故障的工作。干式泵具有良好的投資收益，預(yù)計在12到18個月內(nèi)就可獲得回報假設(shè)無需削減投資就

12、可改善加工過程。l 干式真空泵目前的應(yīng)用領(lǐng)域干式機械真空泵的應(yīng)用是廣泛的，主要有以下幾個方面：1) 低壓化學(xué)氣相沉積中的多晶硅制備工藝中；上圖就是改良的西門子法生產(chǎn)多晶硅的工藝流程圖，在反應(yīng)尾氣的回收與分離時，由于HCl等極易溶解于水，所以如果用傳統(tǒng)的真空泵將不能很好地回收和分離反應(yīng)的尾氣，更嚴(yán)重的是，HCl溶于水之后是強酸，能迅速溶解腐蝕金屬的容器和器械，嚴(yán)重降低設(shè)備的使用壽命，加大生產(chǎn)的成本，增加產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。而應(yīng)用了干式真龍泵之后，由于干式真空泵不需要水，所以就很好地解決了HCl溶于水而腐蝕設(shè)備地問題，從而降低了生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。2) 半導(dǎo)體刻蝕工藝。在這些生產(chǎn)工藝中往往用到或生

13、成腐蝕性氣體和研磨微粒；下圖是刻蝕過程中其中的一道去離子水的工藝流程圖。 圖二去離子水的工藝流程圖在此工藝中，雖然加熱到393k的高溫干燥，但是政法的水分還會留在空氣中，也會影響刻蝕工藝的效果，因此需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，而傳統(tǒng)的真空泵有不可避免地引入了油和部分水，所以這個真空環(huán)境的創(chuàng)造最好 的選擇是用干式真空泵進(jìn)行抽氣。3) 除半導(dǎo)體工藝外的某些產(chǎn)生微粒的工藝，不希望微粒混入泵油中，而希望微粒排出泵外，則用一定型式的干式機械真空泵可以滿足要求；這項的例子和上面一項相同4) 用做一般無油清潔真空系統(tǒng)的前級泵，以防止油污染；清潔真空的獲得有些工業(yè)部門和高新產(chǎn)業(yè)要求真空行業(yè)能提供可獲得清潔無油的真空

14、條件以防止碳?xì)浠衔锏奈廴?。人們在有油的真空系統(tǒng)中,研究如何防止油蒸汽的返流一直是人們關(guān)注的技術(shù)問題。例如在利用油封機械泵時,泵入口壓強應(yīng)高于1.33 Pa量級,以便使正向氣流阻止油蒸汽的返流造成的污染。當(dāng)然一些擋油措施如液氮冷阱等,都對清潔真空獲得起過一定的作用。但隨著科技的發(fā)展,有些工藝對清潔度的要求也是越來越高的。對于無油的干式泵而言,在20 30年前就有過專門的設(shè)計,主要是針對發(fā)展核工業(yè)的需要提出的。實際上作為干式泵直接向大氣中排氣,泵腔內(nèi)不得用任何液體來密封其內(nèi)漏,而且泵的壓縮比要高達(dá)106,能設(shè)計出一種新的抽氣原理的干式泵確實是一件不容易的事,就目前所有的干式泵而言,大多數(shù)都是在原

15、有壓氣機構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)發(fā)展而來的。 圖三 干泵的適用條件無油干式真空泵是近年來國外發(fā)展較快的一個泵種。在干泵市場上氣體傳輸式干泵種類較多,一般能在大氣壓到1 10-2 Pa的壓強范圍內(nèi)工作。這種泵基本上是動量傳輸式和容積式的兩種。到目前為止,這種干式泵的種類很多,如多級往復(fù)式、多級羅茨式、多級爪式、渦旋式、螺桿式以及渦輪式等。往復(fù)式干泵以美國瓦里昂公司生產(chǎn)的DVP系列為代表。這種泵類似于汽車發(fā)動機,有兩個活塞串并聯(lián)組成單、雙級泵,也有四個活塞組成的三級泵,頭兩個活塞并聯(lián)抽氣,活塞與缸壁以低摩擦涂料來降低功率消耗,結(jié)構(gòu)上對置活塞平衡性好,可以獲得高的抽速,所有活塞均設(shè)有雙閥系統(tǒng),這種泵最高壓縮比

16、可達(dá)到105,簡單耐用。爪型干式泵,英國愛德華公司生產(chǎn)的有羅茨轉(zhuǎn)子加上2 3級爪式轉(zhuǎn)子組成的干式泵,而德國萊寶公司是4級全爪型轉(zhuǎn)子的干式泵。二者的抽氣性能不同,英國在20 Pa時有最大抽速,而德國泵在300 Pa時才有最大抽速。我國上海、北京一些真空泵廠家也生產(chǎn)了單級、雙級和4級串聯(lián)的爪型干式泵,以適應(yīng)各種用途之需。各種爪型泵的泵溫較高,適于半導(dǎo)體工業(yè)的應(yīng)用。5) 在化學(xué)工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、食品工業(yè)中的蒸餾、干燥、脫泡、包裝等，要防止有機溶劑造成污染，適合用干式真空泵。這個可以舉中石化烷基生產(chǎn)的例子干式抽真空技術(shù)與蒸汽抽真空技術(shù)比較1抽真空系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)烷基化裝置是連續(xù)操作系統(tǒng)，由工藝條件產(chǎn)生的工藝

17、氣體量以及可能泄漏的空氣量確定單位時間所需抽走的氣體量，并考慮由工藝設(shè)備到真空泵入口管路的阻力降，以確定真空泵入口的壓力。2 能耗由于蒸汽噴射器耗用蒸汽量大，需要大量的循環(huán)水進(jìn)行冷卻。在蒸汽抽真空過程中，不凝氣中含有烴類，會隨蒸汽冷凝產(chǎn)生大采用干式抽真空技術(shù)的設(shè)備總投資約314 萬元。與傳統(tǒng)的蒸汽抽真空技術(shù)相比，干式抽真空技術(shù)的設(shè)備少且結(jié)構(gòu)緊湊，因此占地也較小，數(shù)據(jù)見圖四。 圖四3干式抽真空技術(shù)應(yīng)用影響因素討論干式抽真空技術(shù)在我國大中型石化企業(yè)應(yīng)用尚處在不成熟階段，影響干式真空泵的應(yīng)用的因素有很多。因此，在泵的選型和安裝的細(xì)節(jié)上，烷基苯廠和設(shè)計部門經(jīng)過多次討論，針對可能影響機泵操作的各項影響因

18、素，在設(shè)計和生產(chǎn)的環(huán)節(jié)予以解決。主要體現(xiàn)在如下幾點上：冷卻器3 臺直徑是400mm 3 臺直徑是1225mm 抽真空設(shè)備3 臺（撬裝）3 臺（含大氣腿）污水罐3 臺1 臺表3 干式抽真空與蒸汽抽真空設(shè)備比較設(shè)備備干式抽真空蒸汽抽真空備注1） 有效措施，避免凝液進(jìn)入機組內(nèi)：在干式真空泵前設(shè)計了冷卻器、分液罐，降低入泵氣體溫度，將部分冷凝液提前排出；干式真空泵組總重量小，電機總功率低，振動因數(shù)接近零，因此可將泵組安裝在拆除蒸汽抽真空系統(tǒng)后的框架上，以便使泵組和分液罐間管線距離盡量縮小，避免了因為長距離的管道輸送產(chǎn)生的冷凝液；入口管道增加了蒸汽伴熱；備用泵組的切斷閥上游增加了導(dǎo)液閥；泵組氣體排出管道

19、，設(shè)計成步步低結(jié)構(gòu)。2 ）循環(huán)水從循環(huán)水總管引出，增強冷卻效果。3）采用了先進(jìn)的自動化系統(tǒng)。4）對泵的軸封采用了氮氣正壓保護(hù)措施，避免微量氫氟酸氣體對機泵關(guān)鍵部件的腐蝕。5）三座塔系統(tǒng)設(shè)計選用了三臺干式抽真空泵組，設(shè)計是兩開一備。不僅節(jié)省了投資，而且優(yōu)化了管道設(shè)計，使操作非常靈活。6 ）考慮到裝置正常運行后，真空系統(tǒng)內(nèi)的不凝氣量少，采用了在羅茨泵電機上增加變頻器設(shè)計方案，由真空系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)羅茨泵電機的轉(zhuǎn)速。5 干式抽真空技術(shù)應(yīng)用效果從2006 年l1 月干式抽真空設(shè)備投用后的應(yīng)用情況來看，只要按照啟泵、關(guān)泵程序操作，干式抽真空設(shè)備運行穩(wěn)定，維護(hù)工作量比常規(guī)壓縮設(shè)備低。三個塔頂殘壓可穩(wěn)定在15

20、kPa 的范圍內(nèi)，真空度的可調(diào)性很好，滿足生產(chǎn)要求。量的含油污水，消耗大量的循環(huán)水。而干式真空技術(shù)耗能主要是真空泵的電耗。比較表1 和表2 不難看出，采用蒸汽抽真空技術(shù)，能耗是干式真空技術(shù)能耗的11 倍。改造后，年運行費用減少395.23 萬元。6 結(jié)論自2006 年l1 月至今干式抽真空泵的運行實踐證明，烷基苯廠10 萬噸烷基化裝置采用干式抽真空技術(shù)是成功的。從運行效果看，真空度穩(wěn)定，且能耗很低，值得在石化行業(yè)推廣運用。切遲- 杜威在美國推出首款凝膠洗滌劑切遲- 杜威（Church&Dwight）有限公司在美國市場上推出了首款凝膠劑。這種Arm&Hammer 強力清潔凝膠產(chǎn)品

21、在廣告中宣稱“每一滴擁有更強清潔力”，并聲稱該產(chǎn)品具有最大的凝膠特性黏度。切遲- 杜威織物護(hù)理部副總裁Kevin Kuchinski 宣稱，“希望消費者可以將凝膠這種形式和我們在藥柜里看到的止痛迅速，療效顯著聯(lián)系起來。濃縮型凝膠產(chǎn)品比同類的液體洗滌劑要便宜50%”。英敏特市場研究公司消費者需求調(diào)查主管David Lockwood 認(rèn)為業(yè)內(nèi)其他企業(yè)會對此密切關(guān)注。大部分主要洗滌劑制造商在世界各地都有凝膠類產(chǎn)品出售，如果Arm&Hammer 產(chǎn)品獲得成功，其他制造商可能會很快推出自己的凝膠產(chǎn)品。同時，Kuchinski 認(rèn)為美國市場上很快會出現(xiàn)其他凝膠產(chǎn)品。l 干式真空泵的發(fā)展展望1干式真

22、空泵行業(yè)的展望現(xiàn)在在國內(nèi)真空領(lǐng)域仍以落后的濕式真空泵為主，而在國外的發(fā)達(dá)國家中，干式真空泵市場不斷增長，主要用于半導(dǎo)體行業(yè)、化工、制藥和薄膜產(chǎn)業(yè)。在日本，半導(dǎo)體行業(yè)已全部用干式真空泵代替油封式機械泵，歐美半導(dǎo)體行業(yè)45%以上用干式真空泵代替油封式機械泵，目前干式真空泵的主要型式有爪型、羅茨型、渦旋型、螺桿型和往復(fù)活塞式、隔膜式等幾種。 英國愛德華公司年產(chǎn)爪型和羅茨型干泵8000套，年銷售額達(dá)1.5億美元，主要用于半導(dǎo)體、制藥和化工等行業(yè)；日本的安耐特 Anlet公司年產(chǎn)三葉型羅茨干泵8000套，主要用于化工、塑料、農(nóng)藥等行業(yè)，干式真空泵發(fā)展空間十分廣闊。 德國普旭、萊寶，美國凱尼、日本Ebara荏原 、Kashiama (日)、Alcatel (法)等國際真空行業(yè)巨頭均花去