葉片泵在炭黑生產(chǎn)中輸送碳酸鉀溶液的應(yīng)用效果分析

張勇，路華東，郝之勇

(山東奧瑟亞建陽炭黑有限公司，山東 薛城 277000)

炭黑生產(chǎn)過程中，為調(diào)整炭黑在反應(yīng)過程中的結(jié)構(gòu)高低，控制炭黑的吸油值，需要用泵輸送一定濃度的碳酸鉀溶液進入反應(yīng)爐。泵輸送碳酸鉀溶液的流量較少，一般要求在20～60 kg/h左右，高于或低于這個范圍值，通常會采取改變濃度的方式，讓溶液的添加量保證在允許范圍內(nèi)，以減少對炭黑反應(yīng)溫度的影響，從而實現(xiàn)炭黑生產(chǎn)過程中吸油值的穩(wěn)定。

某炭黑生產(chǎn)企業(yè)原用離心泵輸送碳酸鉀溶液，功率為5.5 kW，流量為1 m3/h，揚程為80 m。由于使用流量低，94%的流量需要回流到溶液配制罐內(nèi)。在離心泵葉輪與泵殼之間的摩擦力持續(xù)作用下，碳酸鉀溶液配制罐內(nèi)溫度持續(xù)升高，造成離心泵氣蝕，進而產(chǎn)生異響、振動及壓力波動，最終導(dǎo)致離心泵無法正常使用。

2019年9月某炭黑生產(chǎn)企業(yè)將離心泵更換為了葉片泵，功率為1.1 kW，流量為0.6 m3/h，揚程為99 m。自使用葉片泵以來，不僅泵的出口壓力非常穩(wěn)定，沒有發(fā)生過氣蝕現(xiàn)象，對炭黑的吸油值穩(wěn)定控制非常有幫助，而且還節(jié)省了80%的用電。本文現(xiàn)就通過實踐應(yīng)用，對炭黑生產(chǎn)中使用葉片泵輸送碳酸鉀溶液，使炭黑吸油值控制穩(wěn)定，運行中過程運行故障率低、壓力波動小、節(jié)能等方面進行分析。

1 葉片泵的工作原理

葉片泵按葉片在泵軸每轉(zhuǎn)過程中在葉片小室的吸排油次數(shù)可分為單作用葉片泵、雙作用葉片泵和多作用葉片泵；按排量是否可變，分為定量泵和變量泵；按葉片設(shè)置的部位不同，分為普通葉片泵（葉片在轉(zhuǎn)子上）和凸輪轉(zhuǎn)子葉片泵（葉片在定子上）；按壓力等級不同，分為中低壓葉片泵（7 MPa以下）、中高壓葉片泵（16 MPa以下）和高壓葉片泵（20～30 MPa以下）。本文主要介紹單作用葉片泵和雙作用葉片泵。

1.1 單作用葉片泵

1.1.1 單作用葉片泵工作原理

單作用葉片泵工作原理如圖1所示。泵的結(jié)構(gòu)包括：轉(zhuǎn)子、定子、葉片、配油盤和端蓋等。定子的內(nèi)表面是圓柱形孔。轉(zhuǎn)子和定子之間存在偏心。

圖1 單作用葉片泵工作原理

葉片在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)可以靈活滑動，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的離心力以及通入葉片根部壓力油的作用下，葉片頂部貼緊在定子內(nèi)表面上，相鄰葉片、配油盤、定子和轉(zhuǎn)子間形成一個個密閉的工作腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)時，圖示中泵右側(cè)的葉片會向外伸出，密封工作腔容積逐漸增大，產(chǎn)生真空，于是通過吸油口5和配油盤上的窗口將油吸入。在圖示泵的左側(cè)，葉片網(wǎng)內(nèi)收縮，密封腔的容積逐漸縮小，密封腔中的油液經(jīng)配油盤的另一窗口和壓油口1被壓出而送入系統(tǒng)中。

1.1.2 單作用泵的結(jié)構(gòu)特點

單作用泵的結(jié)構(gòu)特點如下：

（1）轉(zhuǎn)子和定子間存在偏心。

（2）泵在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的過程中，吸壓油各一次。

（3）轉(zhuǎn)子受到徑向液壓不平衡作用力，故又稱非平衡式泵。

（4）改變轉(zhuǎn)子和定子間的偏心距，可以改變泵的排量，故單作用葉片泵都是變量泵。

1.1.3 排量與流量計算

單作用葉片泵的排量Vp近似等于兩相鄰葉片間密封容積的最大值與最小值之差乘以葉片數(shù)，如計算簡圖示，則有

式中，B—葉片寬度；

D—定子內(nèi)徑 ；

e—偏心距。

圖2 單作用葉片泵排量計算簡圖

由上式可以得到單作用葉片泵的實際輸出流量為

式中，n—泵的轉(zhuǎn)速；

ηv—泵的容積效率。

單作用葉片泵的瞬時流量是脈動的，泵內(nèi)葉片數(shù)越多，流量脈動率越小。此外，奇數(shù)葉片泵的脈動率比偶數(shù)葉片泵的脈動率小，所以單作用葉片泵的葉片數(shù)一般為13片或15片。

1.2 雙作用葉片泵

1.2.1 雙作用葉片泵工作原理

雙作用葉片泵作用原理跟單作用葉片泵相似，不同之處在于定子表面由兩段長半徑圓弧、兩段短半徑圓弧和四段過渡曲線等8個部分組成，且定子和轉(zhuǎn)子式同心的。

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，葉片在離心力和底部壓力油作用下，在葉片槽內(nèi)作徑向運動并壓向定子內(nèi)表面。由葉片、定子內(nèi)表面、轉(zhuǎn)子外表面和兩側(cè)配油盤組成若干密封空間。

當(dāng)轉(zhuǎn)子按圖3所示方向轉(zhuǎn)動時，密封工作腔的容積在左上角和右下角處逐漸增大，為吸油區(qū)，在左下角和右上角逐漸減小，為壓油區(qū)。吸油區(qū)與壓油區(qū)間由一段封油區(qū)把它們隔開。

圖3 雙作用葉片泵工作原理

1.2.2 雙作用葉片泵的結(jié)構(gòu)特點

雙作用葉片泵的結(jié)構(gòu)特點如下：

（1）定子和轉(zhuǎn)子是同心的。

（2）轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周，每個密封工作腔完成吸油和壓油動作各兩次，所以稱為雙作用葉片泵。

（3）泵的兩個吸油區(qū)和兩個壓油區(qū)徑向?qū)ΨQ，作用在轉(zhuǎn)子上的液壓力徑向平衡，所以又稱作平衡式葉片泵。

1.2.3 排量與流量計算

雙作用葉片泵的排量為

式中，R，r—分別為定子圓弧部分的長短半徑；

θ—葉片的傾角；

S—葉片的厚度。

雙作用葉片泵的實際流量為

1.2.4 葉片與流量脈動關(guān)系

葉片泵流量脈動率與葉片數(shù)、葉片厚度及葉片在槽內(nèi)運動的加、減速度成正比。從轉(zhuǎn)子強度與降低流量脈動兩方面考慮，葉片數(shù)應(yīng)該越少越好。但葉片數(shù)必須同過渡曲線形狀匹配，且滿足密封容腔的分隔要求，一般取8～18，以12、16為最佳。

葉片厚度越薄，對降低流量脈動率越好。但應(yīng)滿足強度和剛度要求，一般取1.8～2.5 mm。

2 葉片泵在炭黑生產(chǎn)中輸送碳酸鉀溶液的測試情況

2019年9月26日8:00-10月3日8:00，對某炭黑生產(chǎn)企業(yè)的碳酸鉀溶液輸送效果進行了測試，測試情況如下：

2.1 測試方案

（1）測試離心泵在碳酸鉀溶液輸送過程中壓力穩(wěn)定性，并截取連續(xù)運行7日的DCS歷史數(shù)據(jù)分析其變化趨勢。

（2）葉片泵輸送碳酸鉀溶液連續(xù)運行7日，測試壓力穩(wěn)定性，并截取DCS歷史數(shù)據(jù)分析其變化趨勢。

2.2 測試步驟

（1）確認(rèn)攪拌器，管線閥門，反應(yīng)爐狀態(tài)正常。

（2）配制碳酸鉀溶液，使?jié)舛葹?.5%，溫度控制在 25±4 ℃。

（3）啟動泵，根據(jù)工藝要求設(shè)定流量。

（4）設(shè)定壓力調(diào)節(jié)閥壓力控制在7 kg/cm2。

（5）根據(jù)工藝要求調(diào)整碳酸鉀溶液的濃度和流量，觀察泵的壓力變化。

2.3 測試結(jié)果

（1）調(diào)取 3月 25日 08:00～4月 1日 08:00離心泵輸送碳酸鉀壓力曲線，如圖4所示。

圖4 離心泵輸送碳酸鉀壓力曲線

（2）9月 26日 08:00～10月 3日 08:00測試葉片泵輸送碳酸鉀壓力穩(wěn)定性。

碳酸鉀濃度2.5%，流量根據(jù)工藝要求進行調(diào)整，壓力變化曲線如圖5所示。

圖5 壓力變化曲線圖

3 結(jié)論

于2019年9月26日8:00至2019的10月3日8:00對葉片泵在碳酸鉀輸送過程中相關(guān)性能進行了測試，并和離心泵的性能進行了對比。葉片泵出口壓力一直穩(wěn)定在7.5 kg/cm2,離心泵出口壓力則在7.5±2 kg/cm2波動。

葉片泵能極大程度地保證輸送過程的穩(wěn)定性，減少產(chǎn)品質(zhì)量的波動。設(shè)備的穩(wěn)定運行能減少設(shè)備損耗，降低故障率和維修費用，保證生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少維修成本的消耗。