2.3.11　物料泵及冷凝水泵的确定选型

降膜式蒸发器是在真空状态下工作的,设备上的物料泵及冷凝水泵都是在负压状态下工作的,与常压工作的泵有所不同,所使用的泵必须具有足够的汽蚀余量才能保证正常工作。蒸发器上所使用的泵多为双密封水冷却的离心泵。

(1)泵的扬程及功率计算

泵的扬程按伯努利方程确定:

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

泵的功率按下式计算:

N=(QHρg)/(102η)

泵的有效功率为

N_e=HQρg

式中　N——轴功率,W;

Q——泵在输送条件下的流量,m3/s;

H——泵的压头,m;

ρ——被输送液体密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

η——效率,这里按η=75%计算;

N_e——有效功率,W。

【例2⁃12】　过去国内一些制造厂家在泵的配套上曾出现过不少问题,这些问题主要表现为排料困难,分离室内存料,壳程存水,泵泄漏严重,泵的扬程不足,甚至无法正常生产等。仅以RNJM03⁃8000型三效降膜式蒸发器在奶粉生产中的应用为例,就泵的确定、选型及注意事项加以阐述。

① 主要技术参数及结构特点

物料介质:牛奶　　　　　　　　出料质量分数:38%~40%

生产能力:8000kg/h　　　　　　 使用蒸汽压力:0.7~0.8MPa

进料质量分数:11.5%　　　　　　蒸发器生产状态参数:见表2⁃8

进料温度:5℃

表2⁃8　蒸发器生产状态参数

本蒸发器结构特点是:采用三效降膜蒸发器,末效为双管程进料,采用并流加料法,末效出料;采用五个预热级(包括一个杀菌段),采用体外预热,将进入蒸发器的5℃的料液温度加热至沸点或沸点以上的温度,本例为92℃。本蒸发器物有料泵5台,冷凝水泵1台,真空泵1台,如图2⁃36所示。

图2⁃36　RNJM03⁃8000型三效降膜式蒸发器

1-保持管;2-杀菌器;3,9-预热器;4-一效;5-热泵;6-分离器;7-二效;8-三效;10-冷凝器;11-平衡缸;12-物料泵;13-真空泵

② 泵的扬程及功率计算　本例以一效蒸发器的出料泵为例进行计算,如图2⁃37所示。

图2⁃37　截面位置

进入蒸发器的料液量为11228kg/h,蒸发后出料泵流量为6988kg/h,输料管径为ϕ50mm×2mm的不锈钢管,分离器蒸发温度为70℃,因此进料入口压力为-0.0695MPa。

进料密度为1030kg/m3,蒸发器安装高度为12m,吸入管路的阻力可不计,排出管路的压力损失可忽略不计,料液在管内流速为1.2m/h。1⁃1至2⁃2之间距离按0.3m计算,按此条件求出泵的扬程及其功率。泵的扬程按伯努利方程式求取。以1⁃1截面为基准面,列1⁃1至2⁃2基准面机械能算式:

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

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

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

实际扬程圆整为21m。

泵的功率按下式计算:

N=(QHρg)/(102η)

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

物料大多数是在低于蒸发器中料液沸点温度进入蒸发器的,都要经过逐级预热至沸点或沸点以上的温度方可进行降膜蒸发。预热可分为两种形式:一种为体内预热,即以盘管的形式在蒸发器的壳程中完成预热;另一种为体外预热,这种预热多采用列管预热(也有采用板式预热)。本例为体外预热,共分五个预热级(末级杀菌也可视为预热段)。无论哪种形式的预热在输送料液过程中物料在管路中都要有一定阻力,这些阻力与管路阀门的多少、弯度、弯头的数量及管子内表面的粗糙度有关,计算往往比较麻烦。一般的做法是在泵的输出管道安装压力表,这样就可很容易计算出泵的压头,也可知道管道的压力损失是多少。多次的实验测定即是以后同类设计的参考依据。

(2)泵的选型

在例2⁃12的降膜式蒸发器中,除了一台进料泵外,其余泵均是在负压下工作的,所选泵必须具有抗汽蚀和克服真空度的能力。

① 汽蚀对泵的影响　汽蚀是离心泵的特有现象。汽蚀产生的原因一种是当叶片入口附近液体的静压力等于或低于输送温度下液体的饱和蒸气压时,将在该处部分汽化,产生气泡。含气泡的液体进入叶轮高压区后,气泡就急剧凝结或破裂,因气泡的消失产生局部真空。此时周围的液体以极高的速度流向原气泡占据的空间,产生极大的局部冲击压力。其危害是使泵的性能下降,其次是产生振动和噪声。汽蚀产生的另一种原因是泵与管道连接处或管道或设备有漏点,有空气被吸入。后者在生产过程中最为常见。

汽蚀余量常用来描述泵的汽蚀特性,计算式为

NPSH=p_in/(ρg)+/(2g)-p_v/(ρg)

式中　p_v——一定温度下液体汽化相变压强,MPa;

p_in——液体在泵入口处的静压强,MPa;

u_in——液体在泵入口处的绝对速度,m/s。

发生汽蚀的临界汽蚀余量(NPSH)_cr为实验测定数据,再加上一定安全裕量得到必需汽蚀余量,(NPSH)_cr与泵的设计有关,即NPSH>(NPSH)_cr。

② 必须能克服真空度的约束　例2⁃12中三效降膜式蒸发器在生产过程中是低温加热蒸发,系统在负压状态下工作,最高真空度可达0.09MPa以上,因此用于蒸发器上的泵包括冷凝水泵都必须具有克服真空度的能力。

离心泵允许吸上真空度按下式计算:

H’_s=(p_a-p₁)/(ρg)

式中　p_a——当地大气压,Pa;

p₁——泵吸入口处允许的最低绝压,Pa。

这里p_a=1.0133×105Pa,p₁=3.339×103Pa,则

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

③ 双密封水冷却离心泵　NPSH与Q的变化关系如图2⁃38所示。该曲线是按输送20℃的清水测定得到的,当输送其他液体时应乘以校正系数予以修正,但一般校正系数小于1,故通常将其作为外加的安全因素,不再校正。

图2⁃38　NPSH⁃Q及H’_s曲线　

由于降膜式蒸发器的蒸发过程是在负压状态下完成的,所以泵允许吸上真空度是泵的抗汽蚀性能参数,其值与泵的结构、流量、被输送液体的性质及当地大气压等因素有关。某泵生产企业针对双密封水冷却离心泵作的汽蚀余量实验报告如表2⁃9所示。介质为水,开式叶轮。当地大气压为0.1033MPa,所使用的泵就必须具有足够的抗汽蚀的能力。用于多效降膜式蒸发器的泵多为双密封水冷却的离心泵。根据料液的特性,如物料的浓度,黏度及悬浮物的多少来确定泵的叶轮的形式。离心泵叶轮的形式有闭式、半开式及开式叶轮三种。在降膜式蒸发器中所使用的离心泵叶轮结构上述三种都有应用。用于乳品生产的可采用闭式叶轮,麦芽糖浆浓度高、黏度大,就可采用半开式的叶轮。污水中的悬浮物多,且在蒸发过程中随着浓度的提高还有结晶的产生,用于污水的泵叶轮也为半开式的,并在泵中还设有导流装置。这些泵的密封均采用双端面机械密封且水冷却,单密封泵在蒸发器中有过应用,但由于真空的作用及工作时产生的振动,单密封很难克服真空的约束,在使用时易漏入空气致使排料困难,最终导致更换密封频繁,甚至无法使用。在选择泵时应将物料的特性及主要参数如温度、流量、扬程及输送料液时泵所处的工作状态等提供给泵的生产厂家,由厂家根据物料特性及参数选择并确定出所需要的泵,这样比较安全可靠。此外,应尽可能减少泵吸入管道的阻力。在蒸发器中进入泵的管道直径都比较大,其流速可按0.9~1m/s选取。

表2⁃9　双密封水冷却离心泵汽蚀余量实验报告

蒸发器是在真空状态下出料,设备组装完毕必须进行气密性试验,因此首先要进行以水代料试车试验(系统抽真空),检查是否有漏点。其真空度衰减应符合QB/T 1163-2000《降膜式蒸发器》的有关规定。如分离器或出料管道与泵连接处出现泄漏,分离器、管道内即可吸入空气,在料液中产生大量气泡,随即进入泵中即形成汽蚀,导致泵排料困难,分离器料位上涨,甚至无法正常生产。蒸发器出料泵出口一般要加装单向阀,以防料液倒流。在多效蒸发器中单向阀通常装在末效出料泵的出口管路上,这样也便于生产前的抽真空用。

需要说明的是由于降膜式蒸发器应用领域广泛,如用于酒精、二氯甲烷及乙酸乙酯的蒸发回收上,上述离心泵也很难满足生产需要,主要是因为:有机溶剂对泵的密封垫圈腐蚀严重,用不多久垫圈即开始腐蚀并出现泄漏现象,严重阻碍生产。所以,一般采用磁力泵代替上述泵,实际应用效果良好。在麦芽糖浆及葡萄糖浆生产中,这两种料液经过蒸发后浓度根据工艺要求有的可达75%以上。用于这种料液的泵可选择浓浆泵,浓浆泵就是为高浓度且含有悬浮颗粒的料液而设计。对葡萄糖浆及麦芽糖浆其浓度如果高于78%应考虑采用螺杆泵。总之,蒸发器上的泵比较特殊,应根据具体物料的特性对泵进行适合生产需要的正确选择,这样才能避免一些问题的发生。