螺杆泵

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螺杆泵技术

解读螺杆泵的独特应用优势

导读:作为化工领域五大单元操作之一,传统上,流体流动单元一直由流离心泵作为标准产品在其中承担输送等工作,但在哪些情况下,螺杆泵具有更多优势?

流体流动过程是化工领域五大单元操作之一。流体流动过程包括转移、过滤、固体流化和输送活动。

传统上离心泵一直是受流体流动过程领域欢迎的标准产品,但在有些情况下,这些离心泵的效率低、成本高。

在这种情况下,正排量(PD)螺杆泵会是一种可行的替代方案。PD螺杆泵可用于处理各种流体,包括粘度较高的流体。

在化工流体作业中使用螺杆泵技术有较多好处,包括能处理各种流量、压力、液体类型和粘度,以及即便存在反压也能使流速稳定一致等。

为了更详细地了解螺杆泵与离心泵相比的好处,我们先来看一看螺杆泵可以怎样改善化工流程的应用状况。

螺杆泵有自身独特的优势

在工业制造领域,单元操作一般是指整个流程的基本步骤。而在化工领域,单元操作的概念更广泛,它囊括一系列必须精确完成的生产过程,以便将各种原材料加工为有用的成品。

化工领域有五种类型的单元操作。本文的重点是流体流动过程。它一般包括转移、过滤、固体流化和输送活动。

另外四种单元操作分别为传热(蒸发和换热)、传质(蒸馏、萃取、吸附和干燥)、传动(制冷和气体液化)和机械(粉碎、粉碎、筛选和筛选)加工。

多年来,离心泵被誉为化工流程中流体输送应用的标配泵送技术。平心而论,离心泵确实能满足操作员的基本需求,因为相关方法使这种泵可以很好地适应工业应用中常见的大流量输送工况。

离心泵同样还能很好地处理稀薄的、类似水一样的流体。这些流体必须通过流量可变的管道网络进行输送。

图1:在化工流程中,单元操作是一系列生产过程的蓝图。其中的一个阶段是包括输送、过滤、固体流化和输送活动在内的一系列流体流动过程。螺杆泵具有双螺杆和三螺杆结构,在这些关键应用中表现出可靠、高效和安全的性能(图片由Blackmer提供)。

本文的重点是通过比较离心泵,说明包括正排量双螺杆和三螺杆泵在内的不同类型的泵送技术在化工行业关键流体操作中所具有的优势,其中很多工况会涉及到磨蚀性、腐蚀性和危害较高的流体。

挑战

让螺杆泵在化工行业得到广泛应用的最大挑战是:操作人员不再执着于离心泵是他们流体转移工作的唯一选项。在很多情况下,化工系统是围绕泵送技术而展开的,而非反之。

这意味着工程师与离心泵首先熟悉了起来,并希望将之纳入到与他们系统运行匹配的范畴。

他们了解离心泵的作用机理、优势,并坚信这类泵是他们想要实现的系统的最佳技术。

基于这一认识,设计工程师会设计出混合或加热化工原材料或复合材料的系统,通过控制工艺,使流体粘度降至300厘沲(cSt),以方便离心泵处理。这实际上是改变流体的状态,使之适应泵送技术,而不顾及成本影响。

尽管能够通过改变流体的状态来满足离心泵的运行要求,操作人员依然需要确保离心泵在最佳效率点(BEP)上或附近运行。

但现实中,离心泵很少能在BEP运行,因为很难出现纯粹的泵送状态。有鉴于此,一般认为离心泵会在80%~110% BEP的最佳效率窗口运行。

如果泵的工况如果向BEP两端偏离过多,叶轮上受的压力就会变得不均匀,导致径向推力增加,泵轴偏转。这样,轴承和密封件会因承受更大载荷而造成泵壳、挡板和叶轮的损坏。

图2:虽然化工行业长期以来采用离心泵处理流体,但螺杆泵可以适应不同温度和粘度的流体。这意味着操作人员不需要操控流体输送过程来使之满足泵的要求,而这一过程费时费钱。

另外,满足生产速度和定额是化工厂的首要任务。随着运行成本持续上涨,运行效率也需要提高,以便优化泵运行过程中的能耗。

在这方面,离心泵则存在不足:

§  通常会选用过大的泵,以降低泵选择的复杂性,这会导致运行和维护成本上升、运行抵消,能耗也容易高过实际需求。

§  在离心泵运行过程中,流速会随着压力的增加而下降。因此,对于需要流速稳定、时间成本高的作业,可能会花费更长的时间,成本也因此会更高。当泵送粘度高于100 cSt的流体时,离心泵的性能会负面影响。

§  最后,这些低效将导致能耗增加,甚至可能牺牲生产效率,从而从根本上对化工流程运行产生负面印象。

解决方案

另一种选择是正排量(PD)螺杆泵。增加螺杆泵在化工行业的使用有两个方面的难度:离心泵庞大装机量的天然优势,以及让设计工程师相信有螺杆泵这样的替代产品可用。

许多工程师也持有“螺杆泵只能处理低流速流体”这样的观点。

实际上,今天的螺杆泵在泵送流速上有了显著的提升,介于 220~11,000 加仑/分钟(gpm),折合833 ~41,635升/分(L/min)这一范围已日益普遍。

PD螺杆泵的设计使之可以处理各种流体,即便是高粘度流体。螺杆泵的运行方式方便互为反向的螺杆啮合,与周边的泵壳形成密封腔。

随着驱动螺杆转动,不管泵压如何,流体开始稳定而持续地向泵的排出端口运动,产生体积一致的流速。

螺杆泵技术为化工流体输送应用带来的优势很多,包括:

§  能够处理各种流量、压力、液体类型和粘度

§  流量稳定,即使存在因粘度变化引起的不同反压力

§  体积和整体运营效率高,降低了运营成本

§  可通过较高的泵转速比来控制产量或产能

§  内部速度低

§  自吸运行和良好的抽吸特性

§  机械振动低,延长了使用寿命

§  固有的平稳而安静的运行的特性

§  脉动极低,降低了应力,延长了相关流体输送部件(管道、软管、密封件、轴承等)的寿命

具体来说,两种螺杆泵型号在化工流体输送活动中表现出色:带正时齿轮的双螺杆(WTG)泵和三螺杆泵。

WTG泵配有外部轴承和正时齿轮传动机构,可形成双吸、自吸,泵内部件不会产生金属与金属的接触。

这种设计有助于泵达到最高的流速,不管采用的是什么旋转式PD泵,即便是反向压力和粘度变化的情况下,也是如此。

事实上,与离心泵不同的是,PD螺杆泵的实际流速会随着流体粘度的提高而增加。这种设计特征也使螺杆泵适用于所有类型的输送作业,包括低粘度或高粘度、润滑或无润滑、中性或腐蚀性、清洁与污染流体。

三螺杆泵用于处理粘度、温度和压力范围很广、不含固体的清洁润滑液。这种螺杆泵设计有一个外驱动主轴、两个二级内主轴和一个装有螺杆的壳体,流体得以平稳而持续地从吸入端到排出端进行轴向移动。这种操作方法使产品流动保持稳定一致,噪音低、能效高。

结论

在化工流程中,没有任何一个单元的作业比另一个更重要,但如果制造商想优化其流体输送应用的性能,最好考虑一下正排量螺杆泵所具有的优势。

螺杆泵的购买成本可能要高于离心泵,但记住这句老话:“要么现在付,要么以后付”。

除了成本,螺杆泵的主要运行优势还包括能以更高的速度和压力处理粘度窗口更宽的流体,能耗低,不需要考虑BEF。

这些优势使得螺杆泵能赋予关键化工流程的流体输送过程更高效、可靠、经济、适应性广的特性。