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[摘 要]在以酸化油为原料的高压酯交换（SRCA）生产生物柴油生产工艺中脂肪酸甲酯蒸馏单元真空机组由于经常因热过载而跳停，严重影响了整个装置的连续生产和满负荷运转。本文分析了真空机组热过载产生的原因并提出了相应的解决方法，为以后装置提高负荷和技术改造提供相应的建议和数据。
[关键词]生物柴油真空机组气冷式罗茨泵热过载
中图分类号：TE667 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0111-02
6万吨/年生物柴油国家级示范项目是目前全世界唯一一套采用SRCA工艺加工生物柴油的工业化装置。该工艺具有原料适应性强、反应转化率和选择性较高、产品质量好等特点，是目前最具绿色化学前景的生产工艺。该装置采用真空闪蒸的方法获取高品质的脂肪酸甲酯。脂肪酸甲酯是一组由高沸点、热敏性的化合物组成的混合物，为了在270℃下达到95%的收率，其真空压力需要达到667 Pa。真空系统不仅要达到高抽率，零废液排放及对不凝气具有较强的抗负荷波动能力，还要对饱和蒸汽在冷却压缩过程中出现的凝液具备优良的排放能力。为了达到生物柴油生产的特殊工艺要求，我们选配了一套JZJLG5000-43罗茨真空机组如图1。
整个机组由ZJ-5000泵、ZJQ-1200泵、RJ-20热交换器和两台并联的VPS-P800螺杆泵串联组成 。由于主罗茨泵变频控制、中间泵采用了气冷式罗茨泵并配备了合适的热交换器，所以允许在较高的进口压力下长期运行。此外该机组能耗低，噪声小，抗负荷波动能力强，运行平稳，完全满足工艺要求。
但在近期以酸化油为原料的生产工艺过程当中机组中二级气冷式罗茨泵和三级双螺杆泵经常出现因热过载而跳停的现象。而双螺杆泵出现热过载的主要原因也是因为气冷式罗茨泵异常造成的。因此本文主要分析气冷式罗茨泵的热过载现象。
1 气冷式罗茨真空泵的工作原理
气冷式罗茨真空泵属于双转子回转式容积泵，两个转子的轴线互相平行。叶轮转子之间、叶轮转子与机壳及墙板之间具有微小的间隙，以避免相互接触。两转子通过一对同步齿轮驱动、啮合。叶轮、泵体和侧盖围成封闭的工作腔，其大小在旋转过程中不发生变化。气体的压缩是在工作腔与返冷气口连通的一瞬间，由高压气体向工作腔返流均压而实现的。
2 真空机组优化改造及运行现状
2.1 真空机组优化改造
自2010年1月生物柴油装置产出出符合国标BDl00产品正式运行以来，机组经过了很多的优化改造：
（1）更换ZJ5000罗茨泵入口前冷凝器：由于ZJ5000罗茨泵入口前冷凝器E12013换热面积小所抽气体轻组分较多加大了机组的负荷。在加大E12013换热面积以后机组的运行状态比原先好了很多。
（2）ZJ5000罗茨泵与ZJQ1200罗茨泵入口增加注水口：由于真空机组所抽气体组分复杂，运行一段时间后在泵轉子与相关管道内形成粘稠物质或形成积碳造成转子卡死而跳停，经分析判断泵内粘稠物为类甘油。因此在ZJ5000与ZJQ1200入口增加注水口，一方面可以清洗泵腔内和转子上的来甘油，另一方面利用水汽化过程中吸收大量热能与升温时吸收的热能来降低泵体温度。
2.2 真空机组运行现状
即使经过这么多的优化改造，真空机组目前的运行状态仍然不佳。虽然整个生物柴油装置负荷并不高（50%—75%），但是机组却长期在超温超载状态下运行。经常因ZJQ-1200罗茨泵或VPS-P800螺杆泵热过载泵内温度超温而跳停。而VPS-P800螺杆泵跳停的原因为：ZJQ-1200热交换器为固定管板式换热器，清洗困难，致使换热效果降低，部分冷却不下来的液体（含甘油和粘性物质）被螺杆泵吸入，并在转子上结焦碳化。其次，ZJQ-1200注水降温，冲洗转子的水增加了螺杆泵吸入气相的带液，使螺杆泵排气温度升高造成机组保护跳停。
3 机组热过载原因分析及解决策略
3.1 ZJQ-1200罗茨泵换热器堵塞
经过长期的观察和数据采集分析得知ZJQ-1200罗茨泵如图3所示。反冷气线B的平均温度要比反冷气线A高出10—19℃，换热器本身温度分布也异常，换热器左侧的温度（靠近反冷气线B）要比右侧高3—10℃，换热器从气体入口到出口的温度分布为先降低后升高。这表明换热器中间部位某处有堵塞的情况。如换热器堵塞将影响反冷气返回泵体的量而造成泵体过热。反冷气线B的平均温度要比反冷气线A高的原因是反冷气A线上接有VPS-P800螺杆泵的入口，即使反冷气无法畅通也会从VPS-P800螺杆泵的入口管线返回一部分气体对泵体进行冷却。
对于换热器堵塞这一现象，虽然规定要定期停机用蒸汽吹扫和用高压水枪通堵。但是，由于此换热器为固定列管式换热器对壳程无法进行彻底的拆清，即使用高压水枪也因有折流板而不能清理干净。而且因为管线无支撑，管径大，装卸比较麻烦。因此，建议将固定列管式换热器改换为浮头式U形管换热器。
3.2 注水量不合理
为了给罗茨泵降温并冲洗泵体内附着的甘油，在两台罗茨泵的入口处加了注水线，而注水本身就是一把双刃剑，虽然能达到给泵体降温并冲洗泵体内凝液的目的，但是注进去的水在泵入口处瞬间汽化导致泵入口压力升高而影响泵的抽泣速率增加泵的负荷。其次，水在泵入口处瞬间汽化吸收大量的热量使泵入口处表面温度降至16—20℃（与天气有关）。这一现象有可能使泵体热胀冷缩程度不一而对泵壳和转子造成损害。温度的骤降和压力的陡增也有可能使被抽气体的某些组分在泵入口处凝结滴落在高温高速旋转的转子上，进而结焦或碳化并粘在转子上使转子与转子间、转子与泵壳间的间隙变小而影响泵的正常工作。从转子上甩落以后进入换热器或反冷气管线造成堵塞。
因此，在不同负荷，不同外部环境下注水量应取多少，需要摸索。各班组只是按照现场经验（0—7L/h）进行调整，这存在着各种隐患。因此，有必要对ZJ5000和ZJQ-1200罗茨泵的注水量规定统一的标准。利用理想气体状态方程可计算出合适的注水量，在计算注水量的时候需要泵出入口的压力，但是ZJ5000罗茨泵的出口和ZJQ-1200罗茨泵的入口没有现场或远程压力表。因此，本人建议下次停工或技改的时候在ZJ5000罗茨泵的出口至ZJQ-1200罗茨泵的入口管线上，增加压力表便于计算注水量。 如后续改造中能将E12012的气项温度控制在较低范围内，建议机组不必注水，因为水蒸气在真空度为-0.09Mpa（VPS-P800入口压力）下饱和蒸汽压仅为45℃，因此很难液化，这既增加了ZJQ-1200和VPS-P800的负荷，也增加了蒸汽在管线内凝聚后流入螺杆泵造成螺杆泵温度突声而保护跳停的几率。
3.3 E12012冷凝效果差
如果E12012冷凝效果差，从D12007抽出的气体将会增多，这使E12013的负荷与真空机组的负荷增加。这也将导致真空机组长期处于高负荷状态下运转导致热过载。E12012换热效果差的主要原因是换热器入口管径是DN80mm，而出口是DN200mm的管径，再加上换热器设计是顶部进下部出而使换热器管程不能完全充满。针对这一问题之前技改的时候在E12012出口管线处增加了比入口管线高的液封并在最高点加气象线以保证换热器内部满管程。但是技改后效果并不理想，其主要原因有可能是新增加的管线直径（DN100）过小。E12012管程内物料温度升高后其中的甲醇和水会大量汽化在DN200与DN100的变径处产生气阻导致技改后的效果不佳。
检修时，将换热器从原来的上进低出改为底进上出，并将出口全部改为DN200。本次开工装置稳定后E12012换热效果明显比技改之前提高了很多。E12012气相和液相温度都有大幅的下降。技改前供应E12012物料的泵需要起两台，技改后只需起一台就能满足需求。机组运行状态也比以前改善了很多。在同等负荷下机组不必再注水而不超温。但是如果E12012气象和液相温度控制的过低将导致大部分甘油和其它类甘油成分流入D12008和D12009给后续的降酸工序的降酸催化剂的脱酸氯带来很大的影响，因此，在技改后在操作过程中需把我一个平衡点。
3.4 气体组分问题
长期以来机组热过载的最主要原因之一就是被抽气体中含有甘油蒸汽，甘油蒸汽进入泵腔以后在真空高温下碳化结焦使泵转子与转子之间的间隙和转子与泵壳之间的间隙变小甚至卡死而导致机组跳停。因此，减少被抽气体中甘油蒸汽的含量将从根本上解决机组热过载的问题
油脂与甲醇在高温高压下反应生成甲酯、甘油、皂等产物。利用它们的比重不同且互溶性不大，通过重力沉降法将其大部分甘油分离开（D12002甲酯甘油分层罐），然后将酯中剩余的少量甘油和皂采用萃取法用水分离出去（T12002甘油洗涤塔）。因此，若想减少甲酯中甘油的含量必须要提高D12002分层效果和T12002的萃取效果。
D12002操作时需针对不同的原料（酸化油、重油等）进行不同的操作条件，合理调整分层时间、温度和液位。对于T12002要严格把握洗涤水的温度和洗涤水的用量。通过阅读大量的文献发现洗涤次数对萃取率也有较大的影响。因此建议在T12002允许的范围内增加一条从P12021出口回塔底的回流线以减少甲酯中甘油的含量，也可在T12002中部再加一条洗涤水的入口线（洗涤水量大致不变）洗涤效果可能会好一点。
4 结束语
真空机组是生物柴油生产装置中的重要组成部分，其运行状态决定着整个装置的命脉。因此，对真空机组的技术改造和维护至关重要。经过多次技改探索和长期实际操作中得出E12012气相和液相温度、被抽气体中甘油或类甘油的含量、ZJQ-1200罗茨泵换热器的换热效率对整个机组运行起着主要的作用。E12012气相和液相温度越低、被抽气体中类甘油含量越低、ZJQ-1200罗茨泵换热器的换热效率越高机组的运行状态就越好。
经过上述改动后：①、真空机组的运行周期将大幅提高；②、D12007真空度将升高，相应的闪蒸温度将降低，减少导热油燃料油的用量；③、E12013負荷将大幅减小，降低循环水用量；④、E12012液相温度降低后E12014负荷也将大幅减小，降低循环水用量；⑤、E12012换热效率提高后管程物料温度升高，减少E12003蒸汽用量；⑥、装置可在高负荷下长周期运行。因此，技改后不管是从装置高负荷长周期运转方面还是节能降耗方面都有很大的提升。
参考文献
[1] 底浩，生物柴油蒸馏真空机组的选配，中国油脂，2011.
[2] 达道安.真空设计手册[M].3版.北京：国防工业出版社，2004.
[3] 刘新，罗茨泵在化工生产中的应用，化学工程与装备，2009.
[7] 刘冰，水洗脱除生物柴油中甘油的工艺研究，油脂工程·技术，2010.
[关键词]生物柴油真空机组气冷式罗茨泵热过载
中图分类号：TE667 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0111-02
6万吨/年生物柴油国家级示范项目是目前全世界唯一一套采用SRCA工艺加工生物柴油的工业化装置。该工艺具有原料适应性强、反应转化率和选择性较高、产品质量好等特点，是目前最具绿色化学前景的生产工艺。该装置采用真空闪蒸的方法获取高品质的脂肪酸甲酯。脂肪酸甲酯是一组由高沸点、热敏性的化合物组成的混合物，为了在270℃下达到95%的收率，其真空压力需要达到667 Pa。真空系统不仅要达到高抽率，零废液排放及对不凝气具有较强的抗负荷波动能力，还要对饱和蒸汽在冷却压缩过程中出现的凝液具备优良的排放能力。为了达到生物柴油生产的特殊工艺要求，我们选配了一套JZJLG5000-43罗茨真空机组如图1。
整个机组由ZJ-5000泵、ZJQ-1200泵、RJ-20热交换器和两台并联的VPS-P800螺杆泵串联组成 。由于主罗茨泵变频控制、中间泵采用了气冷式罗茨泵并配备了合适的热交换器，所以允许在较高的进口压力下长期运行。此外该机组能耗低，噪声小，抗负荷波动能力强，运行平稳，完全满足工艺要求。
但在近期以酸化油为原料的生产工艺过程当中机组中二级气冷式罗茨泵和三级双螺杆泵经常出现因热过载而跳停的现象。而双螺杆泵出现热过载的主要原因也是因为气冷式罗茨泵异常造成的。因此本文主要分析气冷式罗茨泵的热过载现象。
1 气冷式罗茨真空泵的工作原理
气冷式罗茨真空泵属于双转子回转式容积泵，两个转子的轴线互相平行。叶轮转子之间、叶轮转子与机壳及墙板之间具有微小的间隙，以避免相互接触。两转子通过一对同步齿轮驱动、啮合。叶轮、泵体和侧盖围成封闭的工作腔，其大小在旋转过程中不发生变化。气体的压缩是在工作腔与返冷气口连通的一瞬间，由高压气体向工作腔返流均压而实现的。
2 真空机组优化改造及运行现状
2.1 真空机组优化改造
自2010年1月生物柴油装置产出出符合国标BDl00产品正式运行以来，机组经过了很多的优化改造：
（1）更换ZJ5000罗茨泵入口前冷凝器：由于ZJ5000罗茨泵入口前冷凝器E12013换热面积小所抽气体轻组分较多加大了机组的负荷。在加大E12013换热面积以后机组的运行状态比原先好了很多。
（2）ZJ5000罗茨泵与ZJQ1200罗茨泵入口增加注水口：由于真空机组所抽气体组分复杂，运行一段时间后在泵轉子与相关管道内形成粘稠物质或形成积碳造成转子卡死而跳停，经分析判断泵内粘稠物为类甘油。因此在ZJ5000与ZJQ1200入口增加注水口，一方面可以清洗泵腔内和转子上的来甘油，另一方面利用水汽化过程中吸收大量热能与升温时吸收的热能来降低泵体温度。
2.2 真空机组运行现状
即使经过这么多的优化改造，真空机组目前的运行状态仍然不佳。虽然整个生物柴油装置负荷并不高（50%—75%），但是机组却长期在超温超载状态下运行。经常因ZJQ-1200罗茨泵或VPS-P800螺杆泵热过载泵内温度超温而跳停。而VPS-P800螺杆泵跳停的原因为：ZJQ-1200热交换器为固定管板式换热器，清洗困难，致使换热效果降低，部分冷却不下来的液体（含甘油和粘性物质）被螺杆泵吸入，并在转子上结焦碳化。其次，ZJQ-1200注水降温，冲洗转子的水增加了螺杆泵吸入气相的带液，使螺杆泵排气温度升高造成机组保护跳停。
3 机组热过载原因分析及解决策略
3.1 ZJQ-1200罗茨泵换热器堵塞
经过长期的观察和数据采集分析得知ZJQ-1200罗茨泵如图3所示。反冷气线B的平均温度要比反冷气线A高出10—19℃，换热器本身温度分布也异常，换热器左侧的温度（靠近反冷气线B）要比右侧高3—10℃，换热器从气体入口到出口的温度分布为先降低后升高。这表明换热器中间部位某处有堵塞的情况。如换热器堵塞将影响反冷气返回泵体的量而造成泵体过热。反冷气线B的平均温度要比反冷气线A高的原因是反冷气A线上接有VPS-P800螺杆泵的入口，即使反冷气无法畅通也会从VPS-P800螺杆泵的入口管线返回一部分气体对泵体进行冷却。
对于换热器堵塞这一现象，虽然规定要定期停机用蒸汽吹扫和用高压水枪通堵。但是，由于此换热器为固定列管式换热器对壳程无法进行彻底的拆清，即使用高压水枪也因有折流板而不能清理干净。而且因为管线无支撑，管径大，装卸比较麻烦。因此，建议将固定列管式换热器改换为浮头式U形管换热器。
3.2 注水量不合理
为了给罗茨泵降温并冲洗泵体内附着的甘油，在两台罗茨泵的入口处加了注水线，而注水本身就是一把双刃剑，虽然能达到给泵体降温并冲洗泵体内凝液的目的，但是注进去的水在泵入口处瞬间汽化导致泵入口压力升高而影响泵的抽泣速率增加泵的负荷。其次，水在泵入口处瞬间汽化吸收大量的热量使泵入口处表面温度降至16—20℃（与天气有关）。这一现象有可能使泵体热胀冷缩程度不一而对泵壳和转子造成损害。温度的骤降和压力的陡增也有可能使被抽气体的某些组分在泵入口处凝结滴落在高温高速旋转的转子上，进而结焦或碳化并粘在转子上使转子与转子间、转子与泵壳间的间隙变小而影响泵的正常工作。从转子上甩落以后进入换热器或反冷气管线造成堵塞。
因此，在不同负荷，不同外部环境下注水量应取多少，需要摸索。各班组只是按照现场经验（0—7L/h）进行调整，这存在着各种隐患。因此，有必要对ZJ5000和ZJQ-1200罗茨泵的注水量规定统一的标准。利用理想气体状态方程可计算出合适的注水量，在计算注水量的时候需要泵出入口的压力，但是ZJ5000罗茨泵的出口和ZJQ-1200罗茨泵的入口没有现场或远程压力表。因此，本人建议下次停工或技改的时候在ZJ5000罗茨泵的出口至ZJQ-1200罗茨泵的入口管线上，增加压力表便于计算注水量。 如后续改造中能将E12012的气项温度控制在较低范围内，建议机组不必注水，因为水蒸气在真空度为-0.09Mpa（VPS-P800入口压力）下饱和蒸汽压仅为45℃，因此很难液化，这既增加了ZJQ-1200和VPS-P800的负荷，也增加了蒸汽在管线内凝聚后流入螺杆泵造成螺杆泵温度突声而保护跳停的几率。
3.3 E12012冷凝效果差
如果E12012冷凝效果差，从D12007抽出的气体将会增多，这使E12013的负荷与真空机组的负荷增加。这也将导致真空机组长期处于高负荷状态下运转导致热过载。E12012换热效果差的主要原因是换热器入口管径是DN80mm，而出口是DN200mm的管径，再加上换热器设计是顶部进下部出而使换热器管程不能完全充满。针对这一问题之前技改的时候在E12012出口管线处增加了比入口管线高的液封并在最高点加气象线以保证换热器内部满管程。但是技改后效果并不理想，其主要原因有可能是新增加的管线直径（DN100）过小。E12012管程内物料温度升高后其中的甲醇和水会大量汽化在DN200与DN100的变径处产生气阻导致技改后的效果不佳。
检修时，将换热器从原来的上进低出改为底进上出，并将出口全部改为DN200。本次开工装置稳定后E12012换热效果明显比技改之前提高了很多。E12012气相和液相温度都有大幅的下降。技改前供应E12012物料的泵需要起两台，技改后只需起一台就能满足需求。机组运行状态也比以前改善了很多。在同等负荷下机组不必再注水而不超温。但是如果E12012气象和液相温度控制的过低将导致大部分甘油和其它类甘油成分流入D12008和D12009给后续的降酸工序的降酸催化剂的脱酸氯带来很大的影响，因此，在技改后在操作过程中需把我一个平衡点。
3.4 气体组分问题
长期以来机组热过载的最主要原因之一就是被抽气体中含有甘油蒸汽，甘油蒸汽进入泵腔以后在真空高温下碳化结焦使泵转子与转子之间的间隙和转子与泵壳之间的间隙变小甚至卡死而导致机组跳停。因此，减少被抽气体中甘油蒸汽的含量将从根本上解决机组热过载的问题
油脂与甲醇在高温高压下反应生成甲酯、甘油、皂等产物。利用它们的比重不同且互溶性不大，通过重力沉降法将其大部分甘油分离开（D12002甲酯甘油分层罐），然后将酯中剩余的少量甘油和皂采用萃取法用水分离出去（T12002甘油洗涤塔）。因此，若想减少甲酯中甘油的含量必须要提高D12002分层效果和T12002的萃取效果。
D12002操作时需针对不同的原料（酸化油、重油等）进行不同的操作条件，合理调整分层时间、温度和液位。对于T12002要严格把握洗涤水的温度和洗涤水的用量。通过阅读大量的文献发现洗涤次数对萃取率也有较大的影响。因此建议在T12002允许的范围内增加一条从P12021出口回塔底的回流线以减少甲酯中甘油的含量，也可在T12002中部再加一条洗涤水的入口线（洗涤水量大致不变）洗涤效果可能会好一点。
4 结束语
真空机组是生物柴油生产装置中的重要组成部分，其运行状态决定着整个装置的命脉。因此，对真空机组的技术改造和维护至关重要。经过多次技改探索和长期实际操作中得出E12012气相和液相温度、被抽气体中甘油或类甘油的含量、ZJQ-1200罗茨泵换热器的换热效率对整个机组运行起着主要的作用。E12012气相和液相温度越低、被抽气体中类甘油含量越低、ZJQ-1200罗茨泵换热器的换热效率越高机组的运行状态就越好。
经过上述改动后：①、真空机组的运行周期将大幅提高；②、D12007真空度将升高，相应的闪蒸温度将降低，减少导热油燃料油的用量；③、E12013負荷将大幅减小，降低循环水用量；④、E12012液相温度降低后E12014负荷也将大幅减小，降低循环水用量；⑤、E12012换热效率提高后管程物料温度升高，减少E12003蒸汽用量；⑥、装置可在高负荷下长周期运行。因此，技改后不管是从装置高负荷长周期运转方面还是节能降耗方面都有很大的提升。
参考文献
[1] 底浩，生物柴油蒸馏真空机组的选配，中国油脂，2011.
[2] 达道安.真空设计手册[M].3版.北京：国防工业出版社，2004.
[3] 刘新，罗茨泵在化工生产中的应用，化学工程与装备，2009.
[7] 刘冰，水洗脱除生物柴油中甘油的工艺研究，油脂工程·技术，2010.