齊 川

(沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)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(jìn)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(yuǎn)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(xiàng)目對于設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備采購等要求較高,并且需要項(xiàng)目參與方(包括設(shè)備制造方,工程設(shè)計(jì)方,項(xiàng)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(shí),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(xiàng)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(yàn),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(xiàng)目參與方從理論和實(shí)踐等方面對其進(jìn)行詳細(xì)的解答。但項(xiàng)目參與方在解答離心泵理論問題時(shí),可能考慮不周全,使設(shè)備在驗(yàn)收時(shí)遇到困難;項(xiàng)目前期對泵功率估計(jì)不足,可能造成全廠用電設(shè)備的總預(yù)算低于實(shí)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(jī)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(jī)械密封和填料密封。填料密封的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)及維修簡單、價(jià)格低,但密封性較差。機(jī)械密封的密封效果好,使用壽命長,但價(jià)格比填料密封貴。泵軸是泵葉輪與電機(jī)的連接件。電機(jī)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(jī)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(shí),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(shí)間內(nèi)能夠排出液體的體積大小,單位m3/h。

2)揚(yáng)程(H),指單位重量的液體流出泵出口時(shí)獲得的能量,單位m。

3)轉(zhuǎn)速(n),指泵軸單位時(shí)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(shí)間內(nèi),由電機(jī)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(shí)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(yáng)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(xiàng)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(diǎn),查找出與其相對應(yīng)的揚(yáng)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(yàn)時(shí),也會用清水來測試泵的各項(xiàng)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(jì)方給出的泵流量和揚(yáng)程,一般是指泵在輸送某種特定介質(zhì)時(shí),實(shí)際的流量和揚(yáng)程。一些客戶認(rèn)為通過清水來進(jìn)行出廠檢驗(yàn)并不符合該泵的實(shí)際運(yùn)行工況,因此要求項(xiàng)目參與方說明利用清水做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與泵在實(shí)際運(yùn)行中的表現(xiàn)是一致的。這就需要項(xiàng)目參與方從理論和實(shí)踐等方面,對上述問題進(jìn)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(jìn)行討論,本文將重點(diǎn)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(jìn)行討論,即僅考慮密度變化對離心泵性能的影響。因?yàn)楸脷と莘e是固定的,所以當(dāng)泵轉(zhuǎn)速不變時(shí),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(yáng)程是否產(chǎn)生影響需要通過計(jì)算進(jìn)行討論。

離心泵的揚(yáng)程、離心力、出口壓強(qiáng)計(jì)算公式如下。

泵的揚(yáng)程計(jì)算公式為:

(2)

離心力計(jì)算公式為:

F=m×ω2×r=V×ρ×ω2×r

(3)

泵出口的壓強(qiáng)計(jì)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(yáng)程,單位m;P為泵出口的壓強(qiáng),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(jì)算結(jié)果可以看出,泵的揚(yáng)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(dú)考慮介質(zhì)密度ρ這一變量時(shí),對泵的揚(yáng)程H沒有影響。

通過公式(1)可以計(jì)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(jì)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(yùn)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(jì)量單位主要有兩種:動力粘度和運(yùn)動粘度,其換算關(guān)系為:

(8)

式中:υ為運(yùn)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(yáng)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(shí),需要根據(jù)離心泵實(shí)際所需的流量,揚(yáng)程換算成輸送清水時(shí)對應(yīng)的流量、揚(yáng)程。對于牛頓流體,可參考圖1進(jìn)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(yáng)程投影到對應(yīng)的揚(yáng)程曲線,并標(biāo)記出一個交點(diǎn),再根據(jù)溶液的運(yùn)動粘度投影到運(yùn)動粘度曲線上,由該點(diǎn)向上投影,與CH、CQ、Cη曲線產(chǎn)生三個交點(diǎn)后,投影到左邊欄的修正系數(shù),即可得出揚(yáng)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(yùn)動粘度,一些化工計(jì)算軟件如Syscad計(jì)算出的粘度是動力粘度,因此在表1中對這兩種粘度進(jìn)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(yùn)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(shí)所需的泵流量和揚(yáng)程,并按照圖1換算成了泵對應(yīng)的清水流量和揚(yáng)程,換算結(jié)果見表2。

表2 受溶液粘度影響泵實(shí)際所需的流量和揚(yáng)程與換算后的清水流量和揚(yáng)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(yáng)程和流量產(chǎn)生了影響,需要進(jìn)行修正,但整體上影響程度較小,50%的堿液揚(yáng)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(yáng)程不需要進(jìn)行修正。濃硫酸和濃度較高的堿液需要考慮粘度對泵揚(yáng)程和流量的影響,在泵選型時(shí),應(yīng)該根據(jù)工藝設(shè)計(jì)人員提供的運(yùn)動粘度進(jìn)行流量和揚(yáng)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(yáng)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(shí)的實(shí)際泵效率。從泵效率上看,輸送濃硫酸和濃度較高的堿液時(shí),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(jì)算將產(chǎn)生影響,因?yàn)樾?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(jì)算泵功率時(shí),要特別注意這類溶液粘度對泵效率的影響并進(jìn)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(shí),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(shí),揚(yáng)程和效率比輸送清水時(shí)低。但葉輪轉(zhuǎn)速不變時(shí),泵的體積流量不受固體顆粒影響,揚(yáng)程和效率修正系數(shù)也與流量無關(guān)?？梢酝ㄟ^圖2查出輸送含固體顆粒料漿的揚(yáng)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(xì)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(shí)所需的泵流量和揚(yáng)程,并按照圖2換算成了泵對應(yīng)的清水揚(yáng)程,換算結(jié)果如表4所示。

表4 受料漿固體顆粒影響泵實(shí)際所需揚(yáng)程與換算后的清水揚(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)程和效率有一定程度的影響。盡管去種分首槽的細(xì)種子料漿固含較高(46%),但中值粒徑小(0.06 mm),其揚(yáng)程和效率受固體顆粒的影響很小。泵廠家在選擇離心泵時(shí)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(jì)人員提供的料漿參數(shù)對離心泵的揚(yáng)程和效率進(jìn)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(jìn)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(yáng)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(shí)泵的參數(shù)受溶液粘度影響較大,需要進(jìn)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(jìn)行修正。溶出后礦漿和去種分首槽的細(xì)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(shí),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(shí)際運(yùn)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(jì)算選型及出廠驗(yàn)收均有一定的指導(dǎo)意義。