蒸发结晶强制循环泵选型与设计

2024-12-26 13:49 宁夏

在废水零排放领域，蒸发结晶无论是采用水蒸气机械再压缩（MVR）、水蒸气热力再压缩（TVR）、多效蒸发（MED）工艺，普遍都会设计强制循环泵。强制循环泵是保证换热效果、降低换热器（或加热器）清洗频次的保障，但是部分EPC单位在设计建设中，为了节约设备投资，把强制循环泵的流量、功率等设计不足。本文从蒸发结晶强制循环工艺流程出发，给出强制循环泵选型和简捷的设计计算方法，供水处理人士参考。

一、强制循环工艺流程

强制循环泵是使物料在蒸发器、换热器（或加热器）之间循环的设备，其适用于有结晶析出或存在易结垢成分的废水蒸发结晶系统，工艺流程如下图所示。

二、强制循环泵选型

强制循环泵的作用是使物料在换热器（或加热器）内流速升高，产生湍流效应，提高流体的雷诺系数，从而提高换热效率、降低清洗频次。其并不是为了将物料从某一位置输送到另一位置，因此，强制循环泵的流量是重要参数，而扬程并不需要过高，如果扬程过高，会造成管道和设备振动严重、换热器（或加热器）内的换热管、板片承受较大压力而变形，即强制循环需要大流量、低扬程的机泵。符合这种要求的，我们首选的是轴流泵。

确定泵选型的同时，我们还要合理选择泵的材质，蒸发结晶内的物料普遍是高温的浓盐水，对材料的耐腐蚀性要求较高，在选材时，可以参考本公众号文章《金属材料耐腐蚀性能数据表》，文章链接详见文末关联文章。

三、强制循环泵设计

1、流速选取

所谓流速是指物料在换热器（或加热器）内流动速度，通常取2~5 m/s。对于多效蒸发（MED），前端蒸发器不产生结晶，可适当取小值，对于末效蒸发器，物料已开始结晶析出，需要取大值；如废水中钙、镁、碳酸氢根、碳酸根、磷酸根、硫酸根含量高，则需取大值。

2、流量计算

强制循环泵所需流量可按下式计算。

式中：Q为强制循环泵所需流量，m³/h；n为换热器（或加热器）内的换热管数量；v为所选取的流速，上文已说明可在2~5 m/s之间选取；di为换热管内径，m，根据换热管材质不同，可以从不同的国家标准中查取，如下表所示。

例如，某多效蒸发（MED）末效加热器的换热管数量为n=100，换热管尺寸为Φ38×0.8，则其内径di=38-2×0.8=36.4 mm=0.0364 m，取换热管内流速v=4 m/s，代入上式，得到强制循环泵所需流量Q=1497.73 m³/h。

3、扬程选取

前文已经叙述，强制循环泵扬程并不需要、也不能设计过高。其所需克服的阻力仅为换热器（或加热器）内直管摩擦阻力和局部摩擦阻力，根据实际经验，可强制循环泵扬程取H=2~3 m，即可满足生产要求。传统强制循环泵的泵体进出口为90°弯管，这会造成涡流挠动，增加扬程损失，改进后，将90°弯管改为45°，同时增加导向设施，这大大提高了强制循环泵的流体输送能力，所以，在选择强制循环泵时，应尽可能选择这种泵体结构。

4、功率计算

强制循环泵轴功率可按下式计算。也可按每平方米的换热面积（或加热面积）取0.18~0.30 kW。

式中：N为强制循环泵轴功率，kW；Q为强制循环泵设计流量，m³/h；γ为物料的密度，kg/m³；η为泵效率，%，η在60%~75%之间。

计算轴功率以后，还要考虑机械效率、传动效率、安全系数，通常可取电机功率为轴功率的1.5~1.7倍，即P=(1.5~1.7)N。

例如，强制循环泵流量为Q=1500 m³/h、扬程为H=2.5 m、物料的密度γ=1174 kg/m³、泵效率η=65%，则计算强制循环泵电机所需功率为N=18.45 kW，则P=27.68~31.37 kW，可取电机功率标准系列中的30 kW。

总结

强制循环泵普遍采用轴流泵，轴流泵的性能曲线变化很大，工作范围较窄，因此，在采购轴流泵时应要求制造商对泵进行性能测试，并提供根据测试结果绘制的性能曲线图。

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