2.3.11　物料泵及冷凝水泵的確定選型

降膜式蒸發器是在真空狀態下工作的,設備上的物料泵及冷凝水泵都是在負壓狀態下工作的,與常壓工作的泵有所不同,所使用的泵必須具有足夠的汽蝕余量才能保證正常工作。蒸發器上所使用的泵多為雙密封水冷卻的離心泵。

(1)泵的揚程及功率計算

泵的揚程按伯努利方程確定:

Z₁+p₁/(ρg)+/(2g)+H=Z₂+p₂/(ρg)+/(2g)+∑H_f,1-2

泵的功率按下式計算:

N=(QHρg)/(102η)

泵的有效功率為

N_e=HQρg

式中　N——軸功率,W;

Q——泵在輸送條件下的流量,m3/s;

H——泵的壓頭,m;

ρ——被輸送液體密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

η——效率,這里按η=75%計算;

N_e——有效功率,W。

【例2?12】　過去國內一些制造廠家在泵的配套上曾出現過不少問題,這些問題主要表現為排料困難,分離室內存料,殼程存水,泵泄漏嚴重,泵的揚程不足,甚至無法正常生產等。僅以RNJM03?8000型三效降膜式蒸發器在奶粉生產中的應用為例,就泵的確定、選型及注意事項加以闡述。

① 主要技術參數及結構特點

物料介質:牛奶　　　　　　　　出料質量分數:38%~40%

生產能力:8000kg/h　　　　　　 使用蒸汽壓力:0.7~0.8MPa

進料質量分數:11.5%　　　　　　蒸發器生產狀態參數:見表2?8

進料溫度:5℃

表2?8　蒸發器生產狀態參數

本蒸發器結構特點是:采用三效降膜蒸發器,末效為雙管程進料,采用并流加料法,末效出料;采用五個預熱級(包括一個殺菌段),采用體外預熱,將進入蒸發器的5℃的料液溫度加熱至沸點或沸點以上的溫度,本例為92℃。本蒸發器物有料泵5臺,冷凝水泵1臺,真空泵1臺,如圖2?36所示。

圖2?36　RNJM03?8000型三效降膜式蒸發器

1-保持管;2-殺菌器;3,9-預熱器;4-一效;5-熱泵;6-分離器;7-二效;8-三效;10-冷凝器;11-平衡缸;12-物料泵;13-真空泵

② 泵的揚程及功率計算　本例以一效蒸發器的出料泵為例進行計算,如圖2?37所示。

圖2?37　截面位置

進入蒸發器的料液量為11228kg/h,蒸發后出料泵流量為6988kg/h,輸料管徑為?50mm×2mm的不銹鋼管,分離器蒸發溫度為70℃,因此進料入口壓力為-0.0695MPa。

進料密度為1030kg/m3,蒸發器安裝高度為12m,吸入管路的阻力可不計,排出管路的壓力損失可忽略不計,料液在管內流速為1.2m/h。1?1至2?2之間距離按0.3m計算,按此條件求出泵的揚程及其功率。泵的揚程按伯努利方程式求取。以1?1截面為基準面,列1?1至2?2基準面機械能算式:

Z₁+p₁/(ρg)+/(2g)+H=Z₂+p₂/(ρg)+/(2g)+∑H_f,1-2

Z₂-Z₁=0.3m,p₁=-0.0695MPa(表壓),p₂=0.133MPa(表壓),u₁=1.1m/s,∑H_f,1-2=0MPa,u₂=1.2m/s,則

0-6.95×104/(1030×9.8)+1.12/(2×9.8)+H=0.3+1.33×105/(1030×9.8)+1.22/(2×9.8)+0

H=20.4m

實際揚程圓整為21m。

泵的功率按下式計算:

N=(QHρg)/(102η)

=(1.88×103×21×1030×9.8)/(0.75×102×1000)=5.21(kW)

物料大多數是在低于蒸發器中料液沸點溫度進入蒸發器的,都要經過逐級預熱至沸點或沸點以上的溫度方可進行降膜蒸發。預熱可分為兩種形式:一種為體內預熱,即以盤管的形式在蒸發器的殼程中完成預熱;另一種為體外預熱,這種預熱多采用列管預熱(也有采用板式預熱)。本例為體外預熱,共分五個預熱級(末級殺菌也可視為預熱段)。無論哪種形式的預熱在輸送料液過程中物料在管路中都要有一定阻力,這些阻力與管路閥門的多少、彎度、彎頭的數量及管子內表面的粗糙度有關,計算往往比較麻煩。一般的做法是在泵的輸出管道安裝壓力表,這樣就可很容易計算出泵的壓頭,也可知道管道的壓力損失是多少。多次的實驗測定即是以后同類設計的參考依據。

(2)泵的選型

在例2?12的降膜式蒸發器中,除了一臺進料泵外,其余泵均是在負壓下工作的,所選泵必須具有抗汽蝕和克服真空度的能力。

① 汽蝕對泵的影響　汽蝕是離心泵的特有現象。汽蝕產生的原因一種是當葉片入口附近液體的靜壓力等于或低于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓時,將在該處部分汽化,產生氣泡。含氣泡的液體進入葉輪高壓區后,氣泡就急劇凝結或破裂,因氣泡的消失產生局部真空。此時周圍的液體以極高的速度流向原氣泡占據的空間,產生極大的局部沖擊壓力。其危害是使泵的性能下降,其次是產生振動和噪聲。汽蝕產生的另一種原因是泵與管道連接處或管道或設備有漏點,有空氣被吸入。后者在生產過程中最為常見。

汽蝕余量常用來描述泵的汽蝕特性,計算式為

NPSH=p_in/(ρg)+/(2g)-p_v/(ρg)

式中　p_v——一定溫度下液體汽化相變壓強,MPa;

p_in——液體在泵入口處的靜壓強,MPa;

u_in——液體在泵入口處的絕對速度,m/s。

發生汽蝕的臨界汽蝕余量(NPSH)_cr為實驗測定數據,再加上一定安全裕量得到必需汽蝕余量,(NPSH)_cr與泵的設計有關,即NPSH>(NPSH)_cr。

② 必須能克服真空度的約束　例2?12中三效降膜式蒸發器在生產過程中是低溫加熱蒸發,系統在負壓狀態下工作,最高真空度可達0.09MPa以上,因此用于蒸發器上的泵包括冷凝水泵都必須具有克服真空度的能力。

離心泵允許吸上真空度按下式計算:

H’_s=(p_a-p₁)/(ρg)

式中　p_a——當地大氣壓,Pa;

p₁——泵吸入口處允許的最低絕壓,Pa。

這里p_a=1.0133×105Pa,p₁=3.339×103Pa,則

H’_s=(1.0133×105-3.339×103)/(1030×9.81)=9.698(m)　(水柱)

③ 雙密封水冷卻離心泵　NPSH與Q的變化關系如圖2?38所示。該曲線是按輸送20℃的清水測定得到的,當輸送其他液體時應乘以校正系數予以修正,但一般校正系數小于1,故通常將其作為外加的安全因素,不再校正。

圖2?38　NPSH?Q及H’_s曲線　

由于降膜式蒸發器的蒸發過程是在負壓狀態下完成的,所以泵允許吸上真空度是泵的抗汽蝕性能參數,其值與泵的結構、流量、被輸送液體的性質及當地大氣壓等因素有關。某泵生產企業針對雙密封水冷卻離心泵作的汽蝕余量實驗報告如表2?9所示。介質為水,開式葉輪。當地大氣壓為0.1033MPa,所使用的泵就必須具有足夠的抗汽蝕的能力。用于多效降膜式蒸發器的泵多為雙密封水冷卻的離心泵。根據料液的特性,如物料的濃度,黏度及懸浮物的多少來確定泵的葉輪的形式。離心泵葉輪的形式有閉式、半開式及開式葉輪三種。在降膜式蒸發器中所使用的離心泵葉輪結構上述三種都有應用。用于乳品生產的可采用閉式葉輪,麥芽糖漿濃度高、黏度大,就可采用半開式的葉輪。污水中的懸浮物多,且在蒸發過程中隨著濃度的提高還有結晶的產生,用于污水的泵葉輪也為半開式的,并在泵中還設有導流裝置。這些泵的密封均采用雙端面機械密封且水冷卻,單密封泵在蒸發器中有過應用,但由于真空的作用及工作時產生的振動,單密封很難克服真空的約束,在使用時易漏入空氣致使排料困難,最終導致更換密封頻繁,甚至無法使用。在選擇泵時應將物料的特性及主要參數如溫度、流量、揚程及輸送料液時泵所處的工作狀態等提供給泵的生產廠家,由廠家根據物料特性及參數選擇并確定出所需要的泵,這樣比較安全可靠。此外,應盡可能減少泵吸入管道的阻力。在蒸發器中進入泵的管道直徑都比較大,其流速可按0.9~1m/s選取。

表2?9　雙密封水冷卻離心泵汽蝕余量實驗報告

蒸發器是在真空狀態下出料,設備組裝完畢必須進行氣密性試驗,因此首先要進行以水代料試車試驗(系統抽真空),檢查是否有漏點。其真空度衰減應符合QB/T 1163-2000《降膜式蒸發器》的有關規定。如分離器或出料管道與泵連接處出現泄漏,分離器、管道內即可吸入空氣,在料液中產生大量氣泡,隨即進入泵中即形成汽蝕,導致泵排料困難,分離器料位上漲,甚至無法正常生產。蒸發器出料泵出口一般要加裝單向閥,以防料液倒流。在多效蒸發器中單向閥通常裝在末效出料泵的出口管路上,這樣也便于生產前的抽真空用。

需要說明的是由于降膜式蒸發器應用領域廣泛,如用于酒精、二氯甲烷及乙酸乙酯的蒸發回收上,上述離心泵也很難滿足生產需要,主要是因為:有機溶劑對泵的密封墊圈腐蝕嚴重,用不多久墊圈即開始腐蝕并出現泄漏現象,嚴重阻礙生產。所以,一般采用磁力泵代替上述泵,實際應用效果良好。在麥芽糖漿及葡萄糖漿生產中,這兩種料液經過蒸發后濃度根據工藝要求有的可達75%以上。用于這種料液的泵可選擇濃漿泵,濃漿泵就是為高濃度且含有懸浮顆粒的料液而設計。對葡萄糖漿及麥芽糖漿其濃度如果高于78%應考慮采用螺桿泵?？傊?蒸發器上的泵比較特殊,應根據具體物料的特性對泵進行適合生產需要的正確選擇,這樣才能避免一些問題的發生。