輸送介質(zhì)對氧化鋁廠離心泵性能的影響

齊 川

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

近年來我國氧化鋁工業(yè)發(fā)展迅速,已躋身于世界前列,然而國內(nèi)鋁土礦品位逐年降低,未來氧化鋁工業(yè)將有可能大規(guī)模的引入國外礦。部分國家如印度尼西亞為促進其國內(nèi)鋁工業(yè)的發(fā)展,已經(jīng)禁止出口鋁土礦。從長遠看,在海外新建氧化鋁廠將成為未來氧化鋁工業(yè)發(fā)展的新趨勢[1]。海外項目對于設(shè)計、施工、設(shè)備采購等要求較高,并且需要項目參與方(包括設(shè)備制造方,工程設(shè)計方,項目管理人員)解答各種較深入的技術(shù)問題。因此鋁工業(yè)在走出國門的同時,要努力做好技術(shù)儲備,提高自身的技術(shù)水平,努力與國際項目接軌。

離心泵是氧化鋁廠應(yīng)用十分廣泛的工業(yè)泵,也是保證正常生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。部分海外客戶缺少氧化鋁生產(chǎn)經(jīng)驗,想要了解輸送介質(zhì)對氧化鋁廠離心泵性能的影響,通常需要項目參與方從理論和實踐等方面對其進行詳細的解答。但項目參與方在解答離心泵理論問題時,可能考慮不周全,使設(shè)備在驗收時遇到困難;項目前期對泵功率估計不足,可能造成全廠用電設(shè)備的總預(yù)算低于實際投資。因此,本文分析了不同輸送介質(zhì)對氧化鋁廠離心泵性能的影響,對解決氧化鋁廠離心泵的技術(shù)問題有一定的指導(dǎo)意義。

1 離心泵的結(jié)構(gòu)、工作原理及性能參數(shù)

1.1 離心泵的結(jié)構(gòu)

離心泵主要由泵殼、葉輪、密封環(huán)、軸封、軸及電機等部件組成[2]。泵殼是承受來自液體全部工作壓力及溫度的部件。泵殼多采用蝸殼式結(jié)構(gòu),其內(nèi)部有螺旋形液道,液體受葉輪的離心作用被甩入液道,流至泵出口。葉輪是離心泵對液體做功的部件,一般分為閉式、開式、半開式,主要區(qū)別是葉片前后是否帶有蓋板。密封環(huán)一般由耐磨材料制備,其鑲嵌于葉輪前后蓋板及泵殼上以防止泵泄露。軸封是泵軸與殼體間的重要密封部件,分為機械密封和填料密封。填料密封的特點是結(jié)構(gòu)及維修簡單、價格低,但密封性較差。機械密封的密封效果好,使用壽命長,但價格比填料密封貴。泵軸是泵葉輪與電機的連接件。電機是為離心泵做功提供動力的部件。

1.2 離心泵的工作原理

離心泵啟動前泵殼內(nèi)要充滿液體,電機會帶動軸和葉輪旋轉(zhuǎn),泵殼內(nèi)液體隨葉輪轉(zhuǎn)動,在離心力的作用下獲得勢能和動能,從排液口排出。當(dāng)液體被葉輪甩出時,葉輪中心會形成低壓區(qū),與泵入口的液體形成壓差,液體會被不停地吸入,獲得勢能和動能后被再次排出,循環(huán)往復(fù)[3]。

1.3 離心泵的性能參數(shù)

1)流量(Q),指泵在單位時間內(nèi)能夠排出液體的體積大小,單位m3/h。

2)揚程(H),指單位重量的液體流出泵出口時獲得的能量,單位m。

3)轉(zhuǎn)速(n),指泵軸單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù),單位r/min。

4)效率(η)和功率(P)。效率(η)指有效功率(Pu)與軸功率(Ne)的比值。軸功率(Ne),指單位時間內(nèi),由電機傳遞到軸上的功,即輸入功率,單位kW;有效功率Pu[2]是指單位時間內(nèi)泵傳遞給液體的有效能量,即輸出功率,單位kW。

(1)

式中:Q為泵的流量, 單位m3/s;H為泵的揚程, 單位m;ρ為介質(zhì)密度,單位kg/m3;g為重力加速度,g=9.81 m/s2。

5)離心泵特性曲線

泵的特性曲線反映了泵在一定轉(zhuǎn)速下的各項性能參數(shù),通常利用20℃的清水在常壓下測得,一般包括H-Q線,N-Q線和η-Q線。通過離心泵特性曲線可以在泵的任意流量點,查找出與其相對應(yīng)的揚程、功率和效率[4]。由于泵的特性曲線是通過20℃的清水測得的,因此在出廠檢驗時,也會用清水來測試泵的各項參數(shù)是否與其對應(yīng)的泵特性曲線相符。氧化鋁廠離心泵輸送的介質(zhì)成分較復(fù)雜,有輸送含溶質(zhì)的溶液泵,也有輸送含固體顆粒的料漿泵。

工程設(shè)計方給出的泵流量和揚程,一般是指泵在輸送某種特定介質(zhì)時,實際的流量和揚程。一些客戶認為通過清水來進行出廠檢驗并不符合該泵的實際運行工況,因此要求項目參與方說明利用清水做出的實驗結(jié)果與泵在實際運行中的表現(xiàn)是一致的。這就需要項目參與方從理論和實踐等方面,對上述問題進行回答。

2 不同介質(zhì)對氧化鋁廠離心泵性能影響的分析

氧化鋁廠介質(zhì)對離心泵性能產(chǎn)生影響的物理參數(shù)包括:密度、粘度以及所含的固體顆粒參數(shù)。氧化鋁廠介質(zhì)主要分為三類:1)溶液類,包括堿液、鋁酸鈉溶液及硫酸等;2)料漿類,包括原礦漿、氫氧化鋁料漿及赤泥料漿等;3)水類,包括各類蒸汽冷凝水、赤泥堆場回水、生活用水及生產(chǎn)用水。由于氧化鋁廠各種水類含有的雜質(zhì)少,溫度高、其物理性質(zhì)與20℃清水接近,且該類介質(zhì)與清水特性曲線一致,其不會對離心泵的性能產(chǎn)生影響,因此本文不再對氧化鋁廠水類介質(zhì)進行討論,本文將重點分析溶液類和料漿類介質(zhì)對離心泵性能的影響。

2.1 密 度

氧化鋁廠介質(zhì)的密度受多個因素影響,如溶質(zhì)溶入水中造成溶液密度的上升,固體顆粒與水或含溶質(zhì)的溶液混合,使料漿密度上升。密度上升可能會伴隨著溶液粘度和固體顆粒含量的變化,為了便于理解,本節(jié)僅對密度這一因素進行討論,即僅考慮密度變化對離心泵性能的影響。因為泵殼容積是固定的,所以當(dāng)泵轉(zhuǎn)速不變時,即使密度不同,泵出口體積流量也是一樣的。但密度變化對離心泵揚程是否產(chǎn)生影響需要通過計算進行討論。

離心泵的揚程、離心力、出口壓強計算公式如下。

泵的揚程計算公式為:

(2)

離心力計算公式為:

F=m×ω2×r=V×ρ×ω2×r

(3)

泵出口的壓強計算公式為:

(4)

將公式(3)和公式(4)帶入公式(2)后可得到如下公式:

(5)

式中:H為泵的揚程,單位m;P為泵出口的壓強,單位Pa;g為重力加速度,g=9.81m/s2;F為離心力,單位N;m為質(zhì)量,單位kg;ω為葉輪轉(zhuǎn)速,單位rad/s;r為葉輪半徑,單位m;V為泵的容積,單位m3;ρ為介質(zhì)密度,單位kg/m3;S為泵出口截面積,單位m2。

從該計算結(jié)果可以看出,泵的揚程H只跟葉輪轉(zhuǎn)速ω以及泵的容積V、葉輪半徑r、泵出口截面積S有關(guān),與介質(zhì)密度ρ無關(guān)。因此同一臺泵在轉(zhuǎn)速相同的情況下,單獨考慮介質(zhì)密度ρ這一變量時,對泵的揚程H沒有影響。

通過公式(1)可以計算出,對于同一臺泵,泵介質(zhì)密度ρ不同,其對應(yīng)的有效功率Pu的比值可由下面的計算公式求出,

(6)

根據(jù)本節(jié)的討論結(jié)果,介質(zhì)密度ρ不同,在泵的葉輪轉(zhuǎn)速ω、葉輪半徑r、泵的容積V和泵出口截面積S等均不變的條件下,Q1=Q2,H1=H2,因此同一臺泵輸送的介質(zhì)密度ρ不同,其對應(yīng)的有效功率Pu比值可簡化為,

(7)

即泵的葉輪轉(zhuǎn)速ω、葉輪半徑r、泵的容積V和泵出口截面積S等均不變,泵有效功率Pu同介質(zhì)密度ρ成正比。

2.2 粘 度

粘度是流體在運動過程中,一部分流體對其相鄰流體產(chǎn)生阻力的物理性質(zhì)。液體的粘度一般隨溫度升高而減小,這是由于隨著溫度的升高,液體的分子引力變小,粘度相應(yīng)地也會變小[5]。粘度的計量單位主要有兩種:動力粘度和運動粘度,其換算關(guān)系為:

(8)

式中:υ為運動粘度,單位mm2/s;μ為動力粘度,單位mPa·s;ρ為密度,單位g/cm3。

對于離心泵,隨著液體粘度增大,泵流量、揚程、效率都是下降的。由于泵廠家所測定的離心泵特性曲線是利用20℃清水在常壓下測得的,其對應(yīng)的液體粘度是20℃清水的動力粘度(1 mPa·s)。如果離心泵輸送介質(zhì)粘度大于該值,在離心泵選型過程時,需要根據(jù)離心泵實際所需的流量,揚程換算成輸送清水時對應(yīng)的流量、揚程。對于牛頓流體,可參考圖1進行換算[2]。

下面介紹圖1的用法:首先,確定泵的流量在圖1的流量坐標(biāo)軸圈出,然后根據(jù)泵的揚程投影到對應(yīng)的揚程曲線,并標(biāo)記出一個交點,再根據(jù)溶液的運動粘度投影到運動粘度曲線上,由該點向上投影,與CH、CQ、Cη曲線產(chǎn)生三個交點后,投影到左邊欄的修正系數(shù),即可得出揚程、流量、效率的修正系數(shù)。

大部分氧化鋁廠的溶液是存在溶質(zhì)的,溶質(zhì)一般為低分子化合物,其物理性質(zhì)與牛頓流體相同。溶質(zhì)的存在會使溶液的粘度發(fā)生變化,本文整理了幾個比較典型的低溫拜耳法氧化鋁廠溶液在其工作狀態(tài)下的粘度,見表1。由于圖1的粘度對應(yīng)的是運動粘度,一些化工計算軟件如Syscad計算出的粘度是動力粘度,因此在表1中對這兩種粘度進行了換算。

表1 氧化鋁廠不同溶液的工作溫度、動力粘度和運動粘度

從表1可以看出,高濃度堿液(82 mPa·s)、濃硫酸(22 mPa·s)的動力粘度高出20℃清水(1 mPa·s)較多;精液,種分母液,Ⅶ效蒸發(fā)母液的動力粘度接近于20℃的清水(1 mPa·s)。因此高濃度堿液、濃硫酸可能會對離心泵性能產(chǎn)生影響。

為了便于討論,本文選取了某低溫拜耳法氧化鋁廠輸送不同溶液時所需的泵流量和揚程,并按照圖1換算成了泵對應(yīng)的清水流量和揚程,換算結(jié)果見表2。

表2 受溶液粘度影響泵實際所需的流量和揚程與換算后的清水流量和揚程

從表2可以看出,濃度為50%的堿液和濃度為98%的濃硫酸對泵的揚程和流量產(chǎn)生了影響,需要進行修正,但整體上影響程度較小,50%的堿液揚程修正系數(shù)最小(95%)。根據(jù)表2得出的結(jié)論,精液、種分母液、蒸發(fā)母液的流量和揚程不需要進行修正。濃硫酸和濃度較高的堿液需要考慮粘度對泵揚程和流量的影響,在泵選型時,應(yīng)該根據(jù)工藝設(shè)計人員提供的運動粘度進行流量和揚程的修正,其余大部分溶液都不需要考慮其粘度對泵的影響。

通過修正后的清水揚程和流量可從該泵特性曲線中查找出對應(yīng)的泵效率,再乘以查得的效率修正系數(shù)即可得出輸送某種介質(zhì)時的實際泵效率。從泵效率上看,輸送濃硫酸和濃度較高的堿液時,均會使得泵效率有一定程度的下降,對應(yīng)的效率修正系數(shù)分別為0.85和0.8,這對泵軸功率(Ne)的計算將產(chǎn)生影響,因為效率(η)指有效功率(Pu)與軸功率(Ne)的比值,效率降低意味著軸功率的上升。在計算泵功率時,要特別注意這類溶液粘度對泵效率的影響并進行修正,以免選錯泵功率。

2.3 固體顆粒

當(dāng)輸送含有固體顆粒的料漿時,應(yīng)考慮料漿是由固體和液體共同組成的兩相流。固體顆粒不能像液體那樣吸收和傳遞能量,也不能將其動能傳遞給液體。這使得離心泵在輸送料漿時,揚程和效率比輸送清水時低。但葉輪轉(zhuǎn)速不變時,泵的體積流量不受固體顆粒影響,揚程和效率修正系數(shù)也與流量無關(guān)。可以通過圖2查出輸送含固體顆粒料漿的揚程和效率的修正系數(shù)[2]。

圖2 ER和HR曲線

下面介紹圖2的用法:首先在圖下方的橫軸標(biāo)出料漿的中值粒徑d50,然后根據(jù)固相密度投影到密度曲線(S),再根據(jù)固含投影到固含曲線(Cw),最后投影到HR、ER橫軸,即可得出HR、ER值。

大部分氧化鋁廠的料漿是存在固體顆粒的,并且固含較高,料漿的物理性質(zhì)與非牛頓流體接近,對于非牛頓流體,不能夠按照圖1的粘度修正曲線進行修正,應(yīng)該通過料漿的中值粒徑、固含和固相密度按照圖2曲線進行修正。本節(jié)整理了幾個比較典型的低溫拜耳法氧化鋁廠料漿在其工作狀態(tài)下的中值粒徑、固含和固相密度參數(shù),見表3。

表3 氧化鋁廠不同料漿的工作溫度、中值粒徑、固含和固相密度

從表3可以看出,原礦漿、溶出后礦漿、赤泥沉降5次洗滌底流的中值粒徑較大,而種分末槽氫氧化鋁料漿、去種分首槽的細種子料漿中值粒徑較小。原礦漿、赤泥沉降5次洗滌底流、種分末槽氫氧化鋁和去種分首槽的細種子料漿的固含較高。值得注意的是,這五種料漿的固相密度比較接近,集中在2 300～3 120 kg/m3。

本節(jié)選取了某低溫拜耳法氧化鋁廠輸送不同料漿時所需的泵流量和揚程,并按照圖2換算成了泵對應(yīng)的清水揚程,換算結(jié)果如表4所示。

表4 受料漿固體顆粒影響泵實際所需揚程與換算后的清水揚程

從表4可以看出,原礦漿、赤泥沉降5次洗滌底流料漿的固體顆粒對離心泵的揚程和效率影響較大,這兩種料漿的共同特征是中值粒徑較大(0.2 mm)和料漿固含高(分別為35%和44%)。盡管溶出后礦漿中值粒徑也比較大(0.2 mm),但是料漿固含低(11%),因此其對應(yīng)的揚程和效率幾乎不需要修正。種分末槽氫氧化鋁料漿固含較高(45%),中值粒徑居中(0.1 mm),其對泵的揚程和效率有一定程度的影響。盡管去種分首槽的細種子料漿固含較高(46%),但中值粒徑小(0.06 mm),其揚程和效率受固體顆粒的影響很小。泵廠家在選擇離心泵時要特別注意中值粒徑大,料漿固含高,固相密度大的料漿,要根據(jù)工藝設(shè)計人員提供的料漿參數(shù)對離心泵的揚程和效率進行修正,以免影選錯泵型號或選低泵功率。

3 結(jié) 語

通過對離心泵介質(zhì)的密度、粘度以及所含的固體顆粒進行分析,結(jié)論如下:

1)在同一轉(zhuǎn)速下,介質(zhì)的密度對泵的揚程沒有影響,泵的軸功率同密度成正比。

2)氧化鋁廠不同溶液的粘度差異較大,輸送濃硫酸和濃度較高的堿溶液時泵的參數(shù)受溶液粘度影響較大,需要進行修正。精液、種分母液以及蒸發(fā)母液對溶液泵的參數(shù)沒有影響。

3)氧化鋁廠不同料漿的中值粒徑、固含和密度差異較大。原礦漿和赤泥沉降5次洗滌底流料漿和種分末槽氫氧化鋁料漿泵的參數(shù)受固體顆粒影響較大,需要進行修正。溶出后礦漿和去種分首槽的細種子料漿泵的參數(shù)受固體顆粒影響較小,對泵選型影響不大。

本文列舉的是比較典型的氧化鋁廠溶液和料漿,在泵選型時,要根據(jù)不同溶液和料漿的物理性質(zhì)具體問題具體分析,保證泵選型符合實際運行需求,避免選錯泵功率和泵型號,這對氧化鋁廠離心泵的計算選型及出廠驗收均有一定的指導(dǎo)意義。