干式螺杆真空系统在医药化工企业的应用与维护管理探讨

郑付同

（正大天晴药业集团股份有限公司，江苏 连云港 222006）

目前医药化工企业普遍采用水喷射真空泵[1]，但由于其工作过程中，挥发性有机溶剂与泵体内介质水直接接触、混合、溶解，真空泵末端有大量有机溶剂进入废水和大气环境。可燃性有机溶剂蒸汽与空气混合，可形成爆炸性危险环境，存在非常高的安全风险；含有机溶剂尾气无组织排放，严重污染大气环境，违反新时期国家环保安全政策。综上，水喷射真空泵已经越来越无法满足政府法规、环保监管要求。与此同时，其效能低下也无法胜任新时代医药化工企业高效率、高质量生产的要求。

干式螺杆真空机组是目前比较先进的真空设备，在各行业中不断有应用案例报道[2]。但在医药化工企业，涉及危险化学品生产车间的应用相对较少[3]，我们将对已经成功应用于医药企业原料药生产车间的干式螺杆真空系统从设计安装、使用到维护管理做深入分析，确立高效可行的干式螺杆系统运行体系和维护管理策略，为企业生产提供高性能、高稳定性的真空系统。

1 水喷射真空泵存在的问题

水喷射真空机组因其结构简单、工作可靠、维护方便等优点，在对真空度要求不太高的领域得到极其广泛的应用。但其在危险化学品行业，尤其是医药制造企业应用中存在着关键缺陷，使得医药化工行业不得不选择更加适宜的干式真空系统。

1.1 性能缺陷

水喷射真空机组工作原理主要是文丘里效应在机械设备上的应用，工作原理如图1 所示：机械增压形成的高压水工作流体介质，从喷嘴高速喷射，在喷嘴出口处形成局部负压，在此负压作用下，吸入室内的气体组分与工作流体混合并被高速射流带走，逐步形成吸入室内的真空环境。理论上，水喷射真空泵的极限真空度可以接近于循环水在该温度下的蒸汽压力，但在实际使用过程中，真空度远远达不到该限值，原因分析如下：

图1 水喷射真空机组工作原理Fig.1 Working principle of water jet vacuum unit

A. 循环水随着机械压缩做功，其温度不断上升；与此同时，循环水不断吸入、溶解被抽入的高温工艺气体（液体），其温度不断上升。循环水的饱和蒸气压随着其温度升高而升高，真空度却随着饱和蒸气压的升高而不断降低[4]。经实际测量，在某车间工作条件下，水喷射真空泵水温与极限真空度对应关系如表1 所示。

B.真空机组工作过程中，循环水不断吸入、溶解高温工艺气体（化学品），由拉乌尔定律可知，混合液体（循环水）的饱和蒸气压随着组分（化学品）饱和蒸气压的降低而降低。循环水在经高压喷嘴喷射时，其可以产生的真空度随着混合液体中有机溶剂含量上升不断降低。医药化工企业常用化学品饱和蒸气压数值如表2 所示。

表2 医药化工企业常用化学品饱和蒸气压数值Tab.2 Saturated vapor pressure values of chemicals commonly used in pharmaceutical and chemical enterprises

从真空系统效能综合评价，在医药化工行业大量使用危险化学品的情境下，水喷射真空泵无法长时间、稳定地提供高真空环境，无法满足企业高质量发展的要求。

1.2 安全、环保风险

水喷射真空泵，循环水不断吸附、溶解工艺气体（化学品），化学品最终在真空系统水箱内积聚、挥发并且在水箱上部空间内与空气混合，形成燃爆性危险环境，遇点火源易发生火灾爆炸事故；与此同时，开放式水喷射真空机组，含有机溶剂尾气无组织排放，严重污染大气环境。从安全、环保的角度综合评价，水喷射真空泵在医药化工企业中的应用越来越无法满足监管要求，将不得不被高安全性、高能效、环境友好型设备取代。

2 干式螺杆真空机组的应用情境与设计安装

2.1 干式螺杆真空机组结构与原理

螺杆真空泵的关键结构是一对互相啮合并列安装逆向旋转的螺杆，在螺杆与螺杆之间、螺杆与泵腔之间均有一定的间隙，没有任何金属与金属的接触[5]。螺杆在旋转过程中，气体从进气口吸入，经齿轮不断压缩、推送后，最终从排气口排出，在抽气口区域形成真空环境。

2.2 干式螺杆真空机组的应用情境

医药化工企业使用干式螺杆真空机系统的工作情境较多，各情境中，真空机组抽气气相组分不同、各组分之间性质不同；各工作情境对极限真空度的要求不同、使用负荷不同。一套科学的干式螺杆真空系统应能有效解决上述各工作情境的真空需求。企业应在螺杆真空机组购买前做好技术分析，明确真空使用需求，针对性地选择适用的螺杆真空泵，根据各工作情境差异设计科学的安装方案。医药化工企业干式螺杆系统主要使用情境如表3 所示。

表3 医药化工企业干式螺杆系统主要使用情境Tab.3 Main use situations of dry screw systems in pharmaceutical and chemical enterprises

2.3 螺杆真空机组系统的设计与安装

在明确真空系统需求及使用情境的前提下，调研设计真空系统，某原料药车间螺杆真空系统设计如 下：

a.螺杆真空泵型号选择

根据实际需求，选择韩国KOWEL 螺杆真空泵，某干式螺杆真空机组性能如表4 所示。

表4 干式螺杆真空机组性能Tab.4 Performance of dry screw vacuum unit

b.干式螺杆真空系统配置要求

结合车间真空系统使用情境以及设计安装要求，干式螺杆真空系统应设置如表5 所列辅助设施，辅助设施性能应满足要求。

表5 干式螺杆真空系统应设置辅助设施清单Tab.5 List of auxiliary facilities to be installed in dry screw vacuum system

c.螺杆真空系统设计

根据车间现场区域、设备设施布置及真空需求情况，干式螺杆真空系统设计如图2 所示。

图2 干式螺杆真空系统设计Fig.2 Design of dry screw vacuum system

设计相关说明：

A. 来自生产装置废气中的挥发性有机成分，全部在冷凝器中冷凝回收，微量未完全冷凝或接收罐中挥发组分，在螺杆真空机组后端设置二次冷凝，完成有机溶剂的完全回收与尾气VOC 的有效治理。

B.应当注意的是，对于医药企业而言，尾气中挥发性成分居高的生产操作主要是有机溶剂的减压浓缩，特别是低沸点（低饱和蒸气压）有机溶剂，在冷凝器换热能力固定，液体蒸发能力升高的情况下，尾气中有机溶剂含量增加，冷凝器可能并不足以完全冷凝回收。以二氯甲烷为例，其饱和蒸气压与温度关系如表6，为保证二氯甲烷的完全冷凝，一般建议在生产系统减压浓缩装置中设置至少一级冷凝器，以完成大部分二氯甲烷的初步冷凝回收。

表6 二氯甲烷饱和蒸气压与温度数据Tab.6 Saturated vapor pressure and temperature data of methylene chloride

C.按照区域真空工作情境不同，设置独立真空管路及冷凝接收装置，管道按照需求设计安装。各独立真空管路设置单向阀，避免管路之间发生气流交叉污染。

D.尾气排放管道增设噪音消除器，可控制设备噪音在75 db 以下。符合相关职业健康安全管理要求。

E.尾气接入车间废气处理设施，经喷淋洗脱、活性炭吸附后排放至大气环境，尾气VOC 符合国家相关环保安全监管要求。

F.辅助设施中氮气（99.9%）、自来水、冷冻水（7 ℃）、冷冻水（-10 ℃）来自于厂区公用工程。

3 干式螺杆真空机组的使用与维护管理

按照上述设计方案安装使用的干式螺杆真空系统可以保障原料药生产车间真空需求，满足各生产区、功能区不同真空应用情境需求。为确保该螺杆真空系统可以长期、高效、稳定持续运行，需做针对性维护保养管理。结合近年真空机组运行状况、故障状态，制定以下维护保养策略，确保其稳定高效运行。维护保养计划如表7 所示。

表7 维护保养计划表Tab.7 Maintenance schedule

维护保养相关说明：

A.应当注意的是核心部件双螺杆在对向转动过程中，其狭小的间距对于固体颗粒污染物的禁忌，因此螺杆机组应在使用后及时清洗，特别是在颗粒性物料处理或者粘附性较强物料的处理后，应当根据螺杆泵污染情况，使用专用清洗机清洗机组。

B.对于真空系统存在的腐蚀性工作情境，螺杆密封部件的保护是不可或缺的，惰性气体的气障[5]保护应在设备运行过程中持续进行，以避免腐蚀性工艺气体对密封材质的污染损坏，保证螺杆机组真空性能。

4 总结

可以看到，相较于水喷射真空泵存在的安全、环保方面的缺陷，干式螺杆真空系统从安全环保、设备性能、维护管理等各方面评价，更加适合医药化工企业的使用需求。根据企业生产过程中真空的使用情境，规划设计干式螺杆真空系统，采取科学有效的维护管理策略，可以建立安全、环保、高稳定性、高效能的真空环境。