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真空过滤机的工作原理(真空过滤的原理)

现实生产中,用于化工行业的真空泵必须结实、可靠,能处理大量蒸汽、腐蚀性气体和可燃性气体。本文介绍了各种真空泵的结构与性能。液环泵和螺杆真空泵因其结构和性能等因素最适合于化学工艺的应用。一、化工工艺对真空泵的要求由于化工工艺的工况比较恶劣,工作周期很长,所以真空泵首先要

现实生产中,用于化工行业的真空泵必须结实、可靠,能处理大量蒸汽、腐蚀性气体和可燃性气体。本文介绍了各种真空泵的结构与性能。液环泵螺杆真空泵因其结构和性能等因素最适合于化学工艺的应用。

真空过滤机的工作原理(真空过滤的原理)

一、化工工艺对真空泵的要求

由于化工工艺的工况比较恶劣,工作周期很长,所以真空泵首先要可靠耐用、性能稳定,同时还必须具有下列性能:

(一)能够处理各种不同溶剂的蒸汽,且不会对泵造成损害;

(二)不会对工艺过程和环境造成污染;

(三)产生的废物要尽可能减少;

(四)真空泵要耐腐蚀;

(五)能够处理可燃性气体或蒸汽;

(六)能够吸入液体而不损害泵。

二、适用于化工行业的真空泵的结构与性能

(一)油封滑阀泵

油封滑阀泵属于初级泵,亦是一种变容泵。滑阀泵结实、可靠,能够承受苛刻的工况。

滑阀泵包含 4 个主要部件:轴、偏心轮、滑阀、导轨体。偏心轮装在轴上,滑阀与偏心轮同心,当套在偏心轮上的滑阀沿着泵腔外圆旋转时,滑阀和泵腔之间的空间交替地从最大变到零,以实现抽气功能。

为了防止这些运动部件相互接触,滑阀、导轨体、偏心轮和泵腔之间都保持一个恒定的间隙,所以必须用油来封住运动部件之间的间隙并作为一种润滑材料,同时,油亦可以带走气体压缩所产生的热量,以降低泵内温度。

但是,由于滑阀泵的泵腔内有油,这对于其在化学工艺方面的应用是个限制因素。为了保持油的性能以及避免内部构件的损坏,油中的颗粒在进入泵腔前必须经过过滤,被抽的溶剂蒸汽在进入泵以前必须用预冷凝器分离掉,或通过气镇措施防止溶剂蒸汽冷凝在泵内。

真空过滤机的工作原理(真空过滤的原理)

(二)液环泵

液环泵属于容积泵,叶轮在泵腔内是偏心安装,当叶轮旋转时会迫使工作液沿着泵腔内壁形成一个等厚的旋转液环,于是在两个相邻叶片、叶轮轮毂和液环内表面之间形成一个“气腔”,随着叶轮旋转,气腔在泵的吸气区的体积逐渐增大,其内部压力下降,从而将气体吸入泵内,相反,气腔在排气区的体积则逐渐变小,其内部压力上升,从而将气体排出。

液环泵有单级和双级两种,单级液环泵工作压力范围为 (1000~150)mbar,入口压力低于150mbar 时抽速急剧下降,抽气效率较低。双级液环泵工作压力范围为(1000~30)mbar,在入口压力较低的情况下仍有较大抽速。

液环泵非常适合于化学工业,其内部零件不存在相互接触,无需润滑。液环泵的工作液有两个作用:一是用于密封,二是用于冷却。

常用的工作液是水,亦可以用与工艺介质相适应的其他液体,如低粘度的油、乙二醇以及其他工艺溶剂如甲苯、二甲苯甲醇、乙醇、丙醇丁醇乙苯等,这些密封液可以采用全循环系统,以避免对环境的污染。

真空过滤机的工作原理(真空过滤的原理)

液环泵有许多优点

1. 操作简便,运动部件少,泵腔内没有润滑油,不存在油的污染问题;

2. 密封液的选择范围广;

3. 既适合于抽可凝性蒸汽, 又可以抽非可凝性气体;

4. 可以抽除气流中的小液滴和微小颗粒;

5. 可以选择不同的结构材料,标准产品是全铸铁和全 316不锈钢,亦可以用合金钢 20 和哈氏合金材料

液环泵最大的缺点就是功耗比其他机械类的真空泵要大,如滑阀泵消耗在密封、轴承、带动运动部件的功率占总功率的 30%~40%,而液环泵在上述方面消耗的功率占总功率的 60%~75%。

另外,液环泵的极限压力受到密封液蒸汽压的限制,例如液环泵用水作为密封液,其极限压力就是水在工作温度下的蒸汽压,当水温在 20℃时,其极限压力就是 3200Pa。

同时,液环泵在低的入口压力下会产生汽蚀现象,造成汽蚀的原因是:当泵的入口压力低于密封液的蒸汽压时,密封液迅速沸腾,并产生大量气泡,在气泡上升、破裂过程中会产生很大的冲击力,并从表面剥离少量金属,如果这种气蚀持续时间很长,就会对泵造成严重损害。

液环泵在低压下抽气量小、效率低而且还产生气蚀现象,建议在液环泵的入口上增设一个大气喷射器,大气喷射器是喷射泵的一种类型,它利用液环泵工作时与大气压(或者是液环泵的排气压力)之间的压差将气体吸入到工作喷嘴,并获得超音速的射流,在混合室内造成真空,从而将被抽气体吸入,两股气体混合后,经过扩压管再被液环泵吸入并排到泵外。

大气喷射器液环泵机组主要在较低工作压力或密封液温度较高情况下工作。喷射器吸入的气体可以是空气,亦可以用液环泵排出的气体作为大气喷射器的驱动气体。

特别是罗茨液环机组,如果在液环泵入口配上大气喷射器,既可以提高机组的极限真空,又可以降低罗茨泵的压缩比,在罗茨液环机组进入极限压力时,罗茨泵不会过热,液环泵亦不会产生气蚀。

三)气冷式罗茨泵

由于罗茨泵的泵腔内没有任何液体,亦不存在金属之间的相互接触,非常适合于化工领域的应用 。

但是普通罗茨泵的最大允许压差均 在(3~5)×103Pa,不能直排大气。而气冷式罗茨泵的最大允许压差可达 8.7×104Pa,可以直排大气。

当气冷式罗茨泵的转子封闭进气口后,就与返冷气口相通,返入的冷气在进气和排气压差的作用下自动充满泵腔,(泵腔内的压力由P进升至P排),然后与被抽气体一起通向排气口。冷却气体由安装在排气口下方的热交换器提供。这一设计使压缩产生的热量被冷却气体所平衡,从而不会导致泵过热而卡死。

气冷式罗茨泵虽然能直排大气,但由于极限压力很高 140mmbar,而且在极限压力时功耗很大,所以一般不作为单台泵使用,而是由数台气冷罗茨泵串联组成机组,以获得高真空和大抽速。

真空过滤机的工作原理(真空过滤的原理)

(四)干式机械真空泵

干泵的泵腔内没有任何液体,可以从大气抽到几个 Pa。1980年干泵在半导体行业己经替代油封式机械泵,获得(1~100)Pa 的极限压力,用于化学汽相沉积和芯片的刻蚀。

过去半导体行业的油封机械泵都是采用惰性的氟油来润滑,以防止腐蚀性气体对油的侵蚀,但是氟油十分昂贵,而且维护费用亦很高。

采用干式真空泵,泵内不仅不存在润滑油,而且亦不存在废液处理的问题。但是泵腔内没有油,就使得泵腔内部的间隙无法保持密封,而且还失去了用于控制温度的传热介质,这对干式真空泵带来很大的挑战。

早期的干泵是由几级罗茨型转子或几级爪型转子串联而成,它们在泵腔内没有任何接触,用同步齿轮带动二个平行的转子轴,由于泵腔内没有任何液体,所以内部间隙要尽可能保持很小,以减少气体的返流。

但是这个很小的间隙对于工艺颗粒的堆积显得十分敏感,目前解决这个问题的办法就是:从泵的入口充入惰性气体将它冲刷掉,或者用惰性气体来稀释可凝性的腐蚀气体。

干泵在半导体行业应用成功,亦激励干泵制造商将干泵引入化学工业,虽然干泵价格昂贵,但运行成本较低,特别是没有废液处理问题,对环境和健康十分有利。

目前各种型式的干泵很多,包括涡旋泵、隔膜泵、干式旋片泵、罗茨型干泵、爪式干泵和螺杆真空泵。在化工行业应用中占主导地位的是罗茨型干泵爪式干泵螺杆真空泵

本文摘自《适用于化工工业的真空泵》

本文作者:姜燮昌


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