叶片泵在炭黑生产中输送碳酸钾溶液的应用效果分析
2021-08-12张勇路华东郝之勇
张勇，路华东，郝之勇
(山东奥瑟亚建阳炭黑有限公司，山东 薛城 277000)
炭黑生产过程中，为调整炭黑在反应过程中的结构高低，控制炭黑的吸油值，需要用泵输送一定浓度的碳酸钾溶液进入反应炉。泵输送碳酸钾溶液的流量较少，一般要求在20～60 kg/h左右，高于或低于这个范围值，通常会采取改变浓度的方式，让溶液的添加量保证在允许范围内，以减少对炭黑反应温度的影响，从而实现炭黑生产过程中吸油值的稳定。
某炭黑生产企业原用离心泵输送碳酸钾溶液，功率为5.5 kW，流量为1 m3/h，扬程为80 m。由于使用流量低，94%的流量需要回流到溶液配制罐内。在离心泵叶轮与泵壳之间的摩擦力持续作用下，碳酸钾溶液配制罐内温度持续升高，造成离心泵气蚀，进而产生异响、振动及压力波动，最终导致离心泵无法正常使用。
2019年9月某炭黑生产企业将离心泵更换为了叶片泵，功率为1.1 kW，流量为0.6 m3/h，扬程为99 m。自使用叶片泵以来，不仅泵的出口压力非常稳定，没有发生过气蚀现象，对炭黑的吸油值稳定控制非常有帮助，而且还节省了80%的用电。本文现就通过实践应用，对炭黑生产中使用叶片泵输送碳酸钾溶液，使炭黑吸油值控制稳定，运行中过程运行故障率低、压力波动小、节能等方面进行分析。
1 叶片泵的工作原理
叶片泵按叶片在泵轴每转过程中在叶片小室的吸排油次数可分为单作用叶片泵、双作用叶片泵和多作用叶片泵；按排量是否可变，分为定量泵和变量泵；按叶片设置的部位不同，分为普通叶片泵（叶片在转子上）和凸轮转子叶片泵（叶片在定子上）；按压力等级不同，分为中低压叶片泵（7 MPa以下）、中高压叶片泵（16 MPa以下）和高压叶片泵（20～30 MPa以下）。本文主要介绍单作用叶片泵和双作用叶片泵。
1.1 单作用叶片泵
1.1.1 单作用叶片泵工作原理
单作用叶片泵工作原理如图1所示。泵的结构包括：转子、定子、叶片、配油盘和端盖等。定子的内表面是圆柱形孔。转子和定子之间存在偏心。
图1 单作用叶片泵工作原理
叶片在转子的槽内可以灵活滑动，在转子转动时的离心力以及通入叶片根部压力油的作用下，叶片顶部贴紧在定子内表面上，相邻叶片、配油盘、定子和转子间形成一个个密闭的工作腔。当转子按逆时针方向旋转时，图示中泵右侧的叶片会向外伸出，密封工作腔容积逐渐增大，产生真空，于是通过吸油口5和配油盘上的窗口将油吸入。在图示泵的左侧，叶片网内收缩，密封腔的容积逐渐缩小，密封腔中的油液经配油盘的另一窗口和压油口1被压出而送入系统中。
1.1.2 单作用泵的结构特点
单作用泵的结构特点如下：
（1）转子和定子间存在偏心。
（2）泵在转子转一转的过程中，吸压油各一次。
（3）转子受到径向液压不平衡作用力，故又称非平衡式泵。
（4）改变转子和定子间的偏心距，可以改变泵的排量，故单作用叶片泵都是变量泵。
1.1.3 排量与流量计算
单作用叶片泵的排量Vp近似等于两相邻叶片间密封容积的最大值与最小值之差乘以叶片数，如计算简图示，则有
式中，B—叶片宽度；
D—定子内径 ；
e—偏心距。
图2 单作用叶片泵排量计算简图
由上式可以得到单作用叶片泵的实际输出流量为
式中，n—泵的转速；
ηv—泵的容积效率。
单作用叶片泵的瞬时流量是脉动的，泵内叶片数越多，流量脉动率越小。此外，奇数叶片泵的脉动率比偶数叶片泵的脉动率小，所以单作用叶片泵的叶片数一般为13片或15片。
1.2 双作用叶片泵
1.2.1 双作用叶片泵工作原理
双作用叶片泵作用原理跟单作用叶片泵相似，不同之处在于定子表面由两段长半径圆弧、两段短半径圆弧和四段过渡曲线等8个部分组成，且定子和转子式同心的。
当转子转动时，叶片在离心力和底部压力油作用下，在叶片槽内作径向运动并压向定子内表面。由叶片、定子内表面、转子外表面和两侧配油盘组成若干密封空间。
当转子按图3所示方向转动时，密封工作腔的容积在左上角和右下角处逐渐增大，为吸油区，在左下角和右上角逐渐减小，为压油区。吸油区与压油区间由一段封油区把它们隔开。
图3 双作用叶片泵工作原理
1.2.2 双作用叶片泵的结构特点
双作用叶片泵的结构特点如下：
（1）定子和转子是同心的。
（2）转子每转一周，每个密封工作腔完成吸油和压油动作各两次，所以称为双作用叶片泵。
（3）泵的两个吸油区和两个压油区径向对称，作用在转子上的液压力径向平衡，所以又称作平衡式叶片泵。
1.2.3 排量与流量计算
双作用叶片泵的排量为
式中，R，r—分别为定子圆弧部分的长短半径；
θ—叶片的倾角；
S—叶片的厚度。
双作用叶片泵的实际流量为
1.2.4 叶片与流量脉动关系
叶片泵流量脉动率与叶片数、叶片厚度及叶片在槽内运动的加、减速度成正比。从转子强度与降低流量脉动两方面考虑，叶片数应该越少越好。但叶片数必须同过渡曲线形状匹配，且满足密封容腔的分隔要求，一般取8～18，以12、16为最佳。
叶片厚度越薄，对降低流量脉动率越好。但应满足强度和刚度要求，一般取1.8～2.5 mm。
2 叶片泵在炭黑生产中输送碳酸钾溶液的测试情况
2019年9月26日8:00-10月3日8:00，对某炭黑生产企业的碳酸钾溶液输送效果进行了测试，测试情况如下：
2.1 测试方案
（1）测试离心泵在碳酸钾溶液输送过程中压力稳定性，并截取连续运行7日的DCS历史数据分析其变化趋势。
（2）叶片泵输送碳酸钾溶液连续运行7日，测试压力稳定性，并截取DCS历史数据分析其变化趋势。
2.2 测试步骤
（1）确认搅拌器，管线阀门，反应炉状态正常。
（2）配制碳酸钾溶液，使浓度为2.5%，温度控制在 25±4 ℃。
（3）启动泵，根据工艺要求设定流量。
（4）设定压力调节阀压力控制在7 kg/cm2。
（5）根据工艺要求调整碳酸钾溶液的浓度和流量，观察泵的压力变化。
2.3 测试结果
（1）调取 3月 25日 08:00～4月 1日 08:00离心泵输送碳酸钾压力曲线，如图4所示。
图4 离心泵输送碳酸钾压力曲线
（2）9月 26日 08:00～10月 3日 08:00测试叶片泵输送碳酸钾压力稳定性。
碳酸钾浓度2.5%，流量根据工艺要求进行调整，压力变化曲线如图5所示。
图5 压力变化曲线图
3 结论
于2019年9月26日8:00至2019的10月3日8:00对叶片泵在碳酸钾输送过程中相关性能进行了测试，并和离心泵的性能进行了对比。叶片泵出口压力一直稳定在7.5 kg/cm2,离心泵出口压力则在7.5±2 kg/cm2波动。
叶片泵能极大程度地保证输送过程的稳定性，减少产品质量的波动。设备的稳定运行能减少设备损耗，降低故障率和维修费用，保证生产系统稳定性，减少维修成本的消耗。
