PSA裝置二段真空泵優(yōu)化研究

趙金紅

(河南能源化工集團(tuán) 安化公司，河南 安陽 455133)

0 前言

河南能源化工集團(tuán)安化公司有一套年產(chǎn)20萬t煤制乙二醇生產(chǎn)裝置，配套有變壓吸附裝置(PSA)。自2012年系統(tǒng)開車以來，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷的提高，PSA裝置二段真空泵排氣溫度逐漸升高，真空泵檢修頻繁，嚴(yán)重影響了乙二醇系統(tǒng)的生產(chǎn)負(fù)荷提升。因此對PSA二段真空泵進(jìn)行優(yōu)化研究，降低產(chǎn)品氣出氣溫度成為提高乙二醇裝置負(fù)荷的一個重要課題。

PSA裝置為氣相變壓吸附工藝，由變換工序送過來的原料氣含CO、H2、CO2、CH4、N2、Ar等組分，經(jīng)PSA裝置處理后得到純度為98.5%的CO和純度為99.5%的H2送往乙二醇生產(chǎn)裝置使用。其中，PSA二段使用PU-1吸附劑，通過逆放與抽真空得到一氧化碳產(chǎn)品氣。

PSA二段使用往復(fù)式真空泵進(jìn)行減壓脫附，其采用獨特的V字型結(jié)構(gòu)，有兩個對稱的氣缸，每個缸有6個入口氣閥和6個出口氣閥；氣缸由上缸頭、下缸頭和中間缸體組成。上缸頭高為140 mm，下缸頭高為80 mm，缸體高為500 mm，外徑1 200 mm，氣缸內(nèi)循環(huán)水容積約為0.04 m3?；钊穸葹?20 mm，是兩個圓合成在一塊的。真空泵活塞桿長度為1 155 mm，與活塞的連接形式是6條12mm×120mm的內(nèi)六方螺栓進(jìn)行連接，然后由開口銷鎖緊，防止螺母退絲。各個氣缸上有6個入口氣閥和6個出口氣閥，氣閥為環(huán)狀式閥片氣閥。

在實際生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)負(fù)荷提升，真空泵排氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工藝控制指標(biāo)。當(dāng)環(huán)境溫度為5～20 ℃時，PSA二段排氣溫度為155～175 ℃；當(dāng)環(huán)境溫度在20～35 ℃時，二段排氣溫度達(dá)175～195 ℃(工藝控制指標(biāo)為≤150 ℃)。由于二段真空泵出口溫度升高，造成真空泵打氣量降低，嚴(yán)重影響了氣量的生產(chǎn)，每組吸附塔需要同時開滿3臺真空泵才能滿足生產(chǎn)需要。同時，由于排氣溫度的超標(biāo)，影響了真空泵各部件運行壽命，造成氣閥、活塞、支撐環(huán)、活塞環(huán)損壞嚴(yán)重，設(shè)備檢修及備件更換頻繁。

1 問題分析及改造措施

1.1 氣缸循環(huán)水換熱面積不足

真空泵氣缸中循環(huán)水是冷卻氣缸溫度的關(guān)鍵因素，和其他的大型運轉(zhuǎn)設(shè)備一樣，冷卻水從氣缸氣相出口方向進(jìn)入，再從氣相入口方向流出，此時，冷卻水與氣相流動方向正好相反，從而使氣缸冷卻水把氣缸摩擦熱量更充分帶走。原氣缸上缸頭高度為120 mm，氣缸體高度為500 mm，下缸蓋厚度為60 mm，氣缸水容積量為0.06 m3，由于水容積量小，循環(huán)水換熱面積不足，帶不走更多的熱量。因此，氣缸內(nèi)氣體溫度在175 ℃以上，致使真空泵壓縮氣膨脹系數(shù)加大，而氣量隨之減?。粴忾y使用周期短和活塞環(huán)檢修頻繁等問題層出不窮。

經(jīng)研究分析，把氣缸缸體高度增加為600 mm，下缸頭和氣缸合成為一個整體，上缸蓋高度由原來的120 mm變成300 mm，氣缸循環(huán)水容積量由0.06 m3變成0.16 m3，充分加大了循環(huán)冷卻水的容積量。這樣在真空泵運行過程中，就會有更多的循環(huán)水把氣缸內(nèi)的熱量帶走，從而使氣缸、氣閥各部件間的運轉(zhuǎn)摩擦所產(chǎn)生的溫度降到穩(wěn)定生產(chǎn)的程度。氣缸溫度降到150 ℃以下后，真空泵檢修的頻次明顯下降，氣閥和活塞環(huán)等各備件使用時間也不斷延長。溫度越低對于設(shè)備備件磨損也相對較小，這也是保證真空泵長周期運行的重要條件。

真空泵氣缸改造前后對比見圖1。通過對氣缸和氣缸蓋改造及循環(huán)冷卻水量的增加，增大了循環(huán)冷卻水的過水面積，使循環(huán)水量帶走更多的熱量，從而達(dá)到降低排氣溫度的效果。

圖1 真空泵氣缸改造前后對比圖

1.2 氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不合理

以研究分析，真空泵的活塞與活塞桿的連接形式有點繁鎖，用6條螺栓把活塞和活塞桿固定在一起，并且活塞還是由兩個厚度為60 mm的圓鑲在一起成為一個活塞。在活塞不停地運動過程中，經(jīng)常會造成活塞與活塞桿連接部位松動，甚至出現(xiàn)螺帽脫落和活塞磨損掉塊的現(xiàn)象，造成真空泵氣缸內(nèi)部異響，檢修次數(shù)較多。

真空泵活塞材質(zhì)是純鋁，圓柱形，厚度為120 mm，在外圓的立面上有4個槽，槽里2個支撐環(huán)和2個阻氣環(huán)托著活塞在氣缸里上下運行?；钊麨榉煮w式，由兩個厚度為60 mm的圓鑲在一起的成為一個活塞?；钊c活塞桿通過活塞中間孔連接，活塞桿一端插入中間孔，再由一個直徑為150 mm的壓板通過6條M20×120 mm的內(nèi)六方螺栓連接壓緊。但是，在活塞運行過程中，螺栓容易松動掉入缸內(nèi)，對氣缸和活塞造成進(jìn)一步損壞，加劇了內(nèi)部氣體泄漏量。

通過改造，活塞更換為整體式，活塞中間更不存在有間隙，一體式結(jié)構(gòu)更為牢固，密封更加嚴(yán)實。與活塞桿的連接形式改成縲紋連接，穿過活塞中心孔后，直接用旋緊螺母上緊即可，安裝更為方便，也減少了活塞損壞的頻次。

1.3 氣缸結(jié)構(gòu)的弊端

真空泵氣缸的結(jié)構(gòu)由上缸頭、缸體、下缸頭三部分組成。它們之間是平面密封，中間由硅膠墊或膨脹四氟帶(5 mm×15 mm)作為墊片密封，填料箱在下缸蓋內(nèi)，向缸內(nèi)突出的部分；與機身的連接是用一根長絲桿穿過下缸頭、缸體、上缸頭連在一起，由M20的螺母旋緊即可。為了防止漏氣，在加墊片時通常會加上一種硅膠密封劑涂在密封面上，和墊片一塊使用，更便于降低氣缸縫之間的泄漏程度。

但是，由于真空泵在運行過程中或在停車后熱脹冷縮的原因，缸體和下缸頭縫之間還會產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象。上缸頭更換墊片較為方便，更便于檢修；但下缸頭如果漏氣的話，需要把活塞、活塞桿、缸體都拆下來才能檢修，因此，下缸頭漏氣時對于檢修來說處理起來比較麻煩。

改造后的真空泵填料箱與氣缸設(shè)計為一整體結(jié)構(gòu)，取消了一個大的靜密封點，從而減少了一個泄漏環(huán)節(jié)，降低了介質(zhì)氣體從缸頭的泄漏率，也為打造無泄漏工廠奠定了基礎(chǔ)。

1.4 氣缸間隙量大

在往復(fù)式真空泵設(shè)計過程中，活塞與前后缸蓋之間都有一定的間隙量，準(zhǔn)確的間隙量都是由廠家通過設(shè)計和計算來提供的，間隙量過大或過小，都會影響設(shè)備的運行參數(shù)。在真空泵往復(fù)做功過程中，所壓縮的氣體溫度就會升高，這時如果缸體內(nèi)前后間隙量過大，缸內(nèi)儲存的氣量就多，也就是氣體排出氣缸的同時也有一部分氣體留在缸內(nèi)，沒有排出，這也是造成氣缸溫度高的原因。如果間隙量過小，由于活塞前后運動所產(chǎn)生的慣性，就容易造成撞缸的響聲。因此在往復(fù)式真空的檢修過程中必須把握好氣缸內(nèi)前后間隙量。

原真空泵的活塞與上缸蓋的間隙為18 mm左右，活塞與下缸蓋的間隙為12 mm 左右，合計間隙量總量為30 mm。改造后的真空泵缸體深度較原真空泵缸體小10 mm，整體式活塞較原真空泵活塞厚4 mm，在活塞行程不變的情況下，上下止點間隙減小，總余隙量由30 mm降至16 mm，缸內(nèi)所存的壓縮氣體減少，出口溫度隨之下降。

1.5 真空泵冷卻水供水管線不合理

真空泵氣缸上進(jìn)出口循環(huán)水管線是用DN20 mm的鍍鋅管進(jìn)行輸送，在氣缸改造后，由于DN20 mm的鍍鋅管管徑小，嚴(yán)重影響了循環(huán)水的流速。因此，將冷卻水系統(tǒng)管線由原來的DN20 mm分鍍鋅管改為帶接頭Φ25 mm×Φ32 mm×3.5 mm耐油橡膠軟管，并且把中間螺紋截止閥去掉，減少水流的阻力，增大循環(huán)水的流量。

在水溫穩(wěn)定的情況下，水量越大所帶走的熱量也會越多，對出氣溫度降低也有一定的效果。

2 改造效果分析

改造后，真空泵出口氣體溫度有所降低，設(shè)備檢修頻率減少，運行真空泵數(shù)量減少，CO產(chǎn)品氣收率也有所提升，改造優(yōu)化效果明顯。

表1 真空泵優(yōu)化改造前后效果對比

①真空泵進(jìn)行技改后，缸體、缸蓋加高，冷卻水道、氣道加大，冷卻水管線加大，冷卻效果更為充分，從而使排氣溫度得到了有效的降低，二段排氣溫度由170 ℃降為145 ℃，滿足工藝指標(biāo)要求。②設(shè)備故障及檢修頻率降低，運行周期延長。氣閥使用壽命由原來的3個月延長到8個月；活塞環(huán)、支撐環(huán)檢修周期由1 年延長至2 年。對真空泵活塞桿結(jié)構(gòu)重新設(shè)計后，2013年10月改造至今未出現(xiàn)一起因活塞與活塞桿連接螺母松動造成損壞設(shè)備事故。③二段真空泵運行臺數(shù)由19臺降至17臺，運行更加經(jīng)濟。④真空泵綜合系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)后在原料氣氣量一定的情況下，CO氣量由19 300 m3/h提升至19 500 m3/h，CO產(chǎn)品氣收率有所提升。

3 結(jié)束語

通過對乙二醇PSA-CO二段真空泵一系列的改造，大大地降低了真空泵排氣溫度，同時也降低了檢修的頻率，減少了備品備件的使用。特別是對于生產(chǎn)過程中降低消耗有著重要的意義，對于生產(chǎn)產(chǎn)量也有一定程度的提高。值得一提的是這次優(yōu)化改造，對今后真空泵生產(chǎn)和使用企業(yè)也有借鑒作用。