干式螺桿真空系統在醫藥化工企業的應用與維護管理探討

鄭付同

（正大天晴藥業集團股份有限公司，江蘇 連云港 222006）

目前醫藥化工企業普遍采用水噴射真空泵[1]，但由于其工作過程中，揮發性有機溶劑與泵體內介質水直接接觸、混合、溶解，真空泵末端有大量有機溶劑進入廢水和大氣環境?？扇夹杂袡C溶劑蒸汽與空氣混合，可形成爆炸性危險環境，存在非常高的安全風險；含有機溶劑尾氣無組織排放，嚴重污染大氣環境，違反新時期國家環保安全政策。綜上，水噴射真空泵已經越來越無法滿足政府法規、環保監管要求。與此同時，其效能低下也無法勝任新時代醫藥化工企業高效率、高質量生產的要求。

干式螺桿真空機組是目前比較先進的真空設備，在各行業中不斷有應用案例報道[2]。但在醫藥化工企業，涉及危險化學品生產車間的應用相對較少[3]，我們將對已經成功應用于醫藥企業原料藥生產車間的干式螺桿真空系統從設計安裝、使用到維護管理做深入分析，確立高效可行的干式螺桿系統運行體系和維護管理策略，為企業生產提供高性能、高穩定性的真空系統。

1 水噴射真空泵存在的問題

水噴射真空機組因其結構簡單、工作可靠、維護方便等優點，在對真空度要求不太高的領域得到極其廣泛的應用。但其在危險化學品行業，尤其是醫藥制造企業應用中存在著關鍵缺陷，使得醫藥化工行業不得不選擇更加適宜的干式真空系統。

1.1 性能缺陷

水噴射真空機組工作原理主要是文丘里效應在機械設備上的應用，工作原理如圖1 所示：機械增壓形成的高壓水工作流體介質，從噴嘴高速噴射，在噴嘴出口處形成局部負壓，在此負壓作用下，吸入室內的氣體組分與工作流體混合并被高速射流帶走，逐步形成吸入室內的真空環境。理論上，水噴射真空泵的極限真空度可以接近于循環水在該溫度下的蒸汽壓力，但在實際使用過程中，真空度遠遠達不到該限值，原因分析如下：

圖1 水噴射真空機組工作原理Fig.1 Working principle of water jet vacuum unit

A. 循環水隨著機械壓縮做功，其溫度不斷上升；與此同時，循環水不斷吸入、溶解被抽入的高溫工藝氣體（液體），其溫度不斷上升。循環水的飽和蒸氣壓隨著其溫度升高而升高，真空度卻隨著飽和蒸氣壓的升高而不斷降低[4]。經實際測量，在某車間工作條件下，水噴射真空泵水溫與極限真空度對應關系如表1 所示。

B.真空機組工作過程中，循環水不斷吸入、溶解高溫工藝氣體（化學品），由拉烏爾定律可知，混合液體（循環水）的飽和蒸氣壓隨著組分（化學品）飽和蒸氣壓的降低而降低。循環水在經高壓噴嘴噴射時，其可以產生的真空度隨著混合液體中有機溶劑含量上升不斷降低。醫藥化工企業常用化學品飽和蒸氣壓數值如表2 所示。

表2 醫藥化工企業常用化學品飽和蒸氣壓數值Tab.2 Saturated vapor pressure values of chemicals commonly used in pharmaceutical and chemical enterprises

從真空系統效能綜合評價，在醫藥化工行業大量使用危險化學品的情境下，水噴射真空泵無法長時間、穩定地提供高真空環境，無法滿足企業高質量發展的要求。

1.2 安全、環保風險

水噴射真空泵，循環水不斷吸附、溶解工藝氣體（化學品），化學品最終在真空系統水箱內積聚、揮發并且在水箱上部空間內與空氣混合，形成燃爆性危險環境，遇點火源易發生火災爆炸事故；與此同時，開放式水噴射真空機組，含有機溶劑尾氣無組織排放，嚴重污染大氣環境。從安全、環保的角度綜合評價，水噴射真空泵在醫藥化工企業中的應用越來越無法滿足監管要求，將不得不被高安全性、高能效、環境友好型設備取代。

2 干式螺桿真空機組的應用情境與設計安裝

2.1 干式螺桿真空機組結構與原理

螺桿真空泵的關鍵結構是一對互相嚙合并列安裝逆向旋轉的螺桿，在螺桿與螺桿之間、螺桿與泵腔之間均有一定的間隙，沒有任何金屬與金屬的接觸[5]。螺桿在旋轉過程中，氣體從進氣口吸入，經齒輪不斷壓縮、推送后，最終從排氣口排出，在抽氣口區域形成真空環境。

2.2 干式螺桿真空機組的應用情境

醫藥化工企業使用干式螺桿真空機系統的工作情境較多，各情境中，真空機組抽氣氣相組分不同、各組分之間性質不同；各工作情境對極限真空度的要求不同、使用負荷不同。一套科學的干式螺桿真空系統應能有效解決上述各工作情境的真空需求。企業應在螺桿真空機組購買前做好技術分析，明確真空使用需求，針對性地選擇適用的螺桿真空泵，根據各工作情境差異設計科學的安裝方案。醫藥化工企業干式螺桿系統主要使用情境如表3 所示。

表3 醫藥化工企業干式螺桿系統主要使用情境Tab.3 Main use situations of dry screw systems in pharmaceutical and chemical enterprises

2.3 螺桿真空機組系統的設計與安裝

在明確真空系統需求及使用情境的前提下，調研設計真空系統，某原料藥車間螺桿真空系統設計如 下：

a.螺桿真空泵型號選擇

根據實際需求，選擇韓國KOWEL 螺桿真空泵，某干式螺桿真空機組性能如表4 所示。

表4 干式螺桿真空機組性能Tab.4 Performance of dry screw vacuum unit

b.干式螺桿真空系統配置要求

結合車間真空系統使用情境以及設計安裝要求，干式螺桿真空系統應設置如表5 所列輔助設施，輔助設施性能應滿足要求。

表5 干式螺桿真空系統應設置輔助設施清單Tab.5 List of auxiliary facilities to be installed in dry screw vacuum system

c.螺桿真空系統設計

根據車間現場區域、設備設施布置及真空需求情況，干式螺桿真空系統設計如圖2 所示。

圖2 干式螺桿真空系統設計Fig.2 Design of dry screw vacuum system

設計相關說明：

A. 來自生產裝置廢氣中的揮發性有機成分，全部在冷凝器中冷凝回收，微量未完全冷凝或接收罐中揮發組分，在螺桿真空機組后端設置二次冷凝，完成有機溶劑的完全回收與尾氣VOC 的有效治理。

B.應當注意的是，對于醫藥企業而言，尾氣中揮發性成分居高的生產操作主要是有機溶劑的減壓濃縮，特別是低沸點（低飽和蒸氣壓）有機溶劑，在冷凝器換熱能力固定，液體蒸發能力升高的情況下，尾氣中有機溶劑含量增加，冷凝器可能并不足以完全冷凝回收。以二氯甲烷為例，其飽和蒸氣壓與溫度關系如表6，為保證二氯甲烷的完全冷凝，一般建議在生產系統減壓濃縮裝置中設置至少一級冷凝器，以完成大部分二氯甲烷的初步冷凝回收。

表6 二氯甲烷飽和蒸氣壓與溫度數據Tab.6 Saturated vapor pressure and temperature data of methylene chloride

C.按照區域真空工作情境不同，設置獨立真空管路及冷凝接收裝置，管道按照需求設計安裝。各獨立真空管路設置單向閥，避免管路之間發生氣流交叉污染。

D.尾氣排放管道增設噪音消除器，可控制設備噪音在75 db 以下。符合相關職業健康安全管理要求。

E.尾氣接入車間廢氣處理設施，經噴淋洗脫、活性炭吸附后排放至大氣環境，尾氣VOC 符合國家相關環保安全監管要求。

F.輔助設施中氮氣（99.9%）、自來水、冷凍水（7 ℃）、冷凍水（-10 ℃）來自于廠區公用工程。

3 干式螺桿真空機組的使用與維護管理

按照上述設計方案安裝使用的干式螺桿真空系統可以保障原料藥生產車間真空需求，滿足各生產區、功能區不同真空應用情境需求。為確保該螺桿真空系統可以長期、高效、穩定持續運行，需做針對性維護保養管理。結合近年真空機組運行狀況、故障狀態，制定以下維護保養策略，確保其穩定高效運行。維護保養計劃如表7 所示。

表7 維護保養計劃表Tab.7 Maintenance schedule

維護保養相關說明：

A.應當注意的是核心部件雙螺桿在對向轉動過程中，其狹小的間距對于固體顆粒污染物的禁忌，因此螺桿機組應在使用后及時清洗，特別是在顆粒性物料處理或者粘附性較強物料的處理后，應當根據螺桿泵污染情況，使用專用清洗機清洗機組。

B.對于真空系統存在的腐蝕性工作情境，螺桿密封部件的保護是不可或缺的，惰性氣體的氣障[5]保護應在設備運行過程中持續進行，以避免腐蝕性工藝氣體對密封材質的污染損壞，保證螺桿機組真空性能。

4 總結

可以看到，相較于水噴射真空泵存在的安全、環保方面的缺陷，干式螺桿真空系統從安全環保、設備性能、維護管理等各方面評價，更加適合醫藥化工企業的使用需求。根據企業生產過程中真空的使用情境，規劃設計干式螺桿真空系統，采取科學有效的維護管理策略，可以建立安全、環保、高穩定性、高效能的真空環境。