一、前言
随着国内化工企业的迅猛发展，石油化工、化学工业、电站电厂、多晶硅、食品制药、半导体、微电子以及水处理等诸多行业对泵设备的需求量不断扩大。由于不同化学介质各自的复杂特性，在化工离心泵选型中必然与普通水泵有很大的不同，不仅要考虑需要多少流量和扬程，更要对介质做充分的了解，包括介质的温度、黏度、密度、浓度、pH值、腐蚀性、毒性以及是否含有固体颗粒等一系列问题都要考虑，从而选择适用且经济的泵设备满足实际工况要求。下面对卧式化工泵和旋涡泵在选型中的特点及应用进行详细阐述。
二、化工泵选型要点
1.泵的标准
根据工程公司及设计院的规定，对化工泵的设计标准往往被指明，根据不同的需求，有不同设计标准的化工泵与其相对应。其一为符合美国石油协会API610标准的石油化工流程泵，这种泵在设计上的使用寿命为20年，要求可以连续运转至少3年，压力等级为5.0MPa以上，法兰连接等级至少为ANSI300磅[1]。一般在关键性设备或输送危险性介质时使用API泵，或在重载荷工况范围时或业主指明需要API标准的泵时才选用API泵。其二为符合ISO5199标准的化工离心泵，这种泵的压力等级为2.5MPa以及1.6MPa，一般为中、轻型载荷用泵，当介质温度低于260℃，额定扬程低于120m，电动机功率小于110kW·h[1]，选用ISO泵既可以满足使用要求，也可以减少采购费用。其余还有GB标准、ANSI标准的化工离心泵，这两类泵与ISO泵标准的范围与要求基本相同，选型中基本可以直接对应，只是
在法兰标准上要根据不同的要求对应。
2.化工泵的形式根据泵使用场合、应用范围的不同，有不同形式的泵相对应，API标准中就有近20种泵型。根据流量的大小，可以选择单吸泵、双吸泵，根据扬程的高低，可以选择单级泵、多级泵，根据装置的布置、地形条件、水位条件和运转条件，可以选择液下泵、潜水泵、卧式泵、立式泵、直联型泵以及一体型泵，根据流量扬程的综合因素，可以选择小流量高扬程的旋涡泵、大流量低扬程的轴流泵、大流量中扬程的混流泵、中流量高扬程的离心泵，根据电动机驱动方式的不同，可以选择磁力泵、电动 机直联和屏蔽式。一般工程公司及设计院在前期设计时，多数已经确定了泵的形式，不需要另外选择和判断，但在某些类似案例重复出现的时候，也可以对泵的形式提出另外的建议。某化工企业项目在输送甲苯、乙苯、丙苯、苯乙烯、焦油、液化石油气及烷类介质的工位中要求使用无泄漏泵，客户考虑采用化工离心泵串联式干气密封，出于泵长期使用的安全性、易操作维护、减少现场管路布置等的考虑，建议用户选用磁力驱动泵，采用磁力驱动方式既可以达到介质无泄漏，又可以减少设置PLAN冲洗方案时的复杂管路配置，如提供外部供给阻隔气体用于干气密封的PLAN74配置。最终方案被采纳并顺利投入生产。某企业需要泵输送MTBE、异丁烯等介质，流量在1～3m3/h之间，扬程在70～150m，客户考虑使用多级离心泵，根据旋涡泵的小流量高扬程、具有定量性、可通过变频调节流量的特点进行了推荐，而且旋涡泵比多级离心泵占地体积小、结构简单、适应急停急起运行，业主通过实际应用也对旋涡泵在该工况下的稳定性感到满意。
3.流量和扬程无论对于化工泵还是普通水泵，对流量和扬程的选型基本原则都是相同的，即最大需要流量和最高需要扬程点落在最高效率点的左侧，一般在额定流量的30%～70%之间选型比较适合。在化工离心泵选型中，影响流量扬程点的因素有很多，主要为以下几种情况：
（1）输送介质中含有微量细微颗粒时（固体粒径小于100μm） 普通化工离心泵的闭式叶轮结构就无法应对，一方面可以进行性能修正，扬程和效率比输送清水时的值下降同一个比例。另一方面，根据颗粒含量的多少及颗粒大小考虑将闭式叶轮改为半开式叶轮或开式叶轮，而这种叶轮形式的改变也将会影响泵在性能上的降低，在没有开式叶轮泵性能测试报告的时候，根据经验值可以按照5%～10%的性能下降比例来进行选型估算。
（2）介质为放射性危险液体、有毒有害液体或不允许泄漏物质时 磁力驱动离心泵起到了很好的密封作用，通过磁力驱动的化工离心泵与电动机直接驱动的化工离心泵，由于磁驱的作用泵性能也有所下降，根据选型经验一般按20%～25%考虑计算，泵选型配用的电动机功率也需要相应增加。
3）离心泵输送介质为清水时 没有黏度因素影响泵的性能。但当介质黏度超过20cP（1cP=10－3Pa·s，下同）时，泵性能开始下降，例如泵输送清水介质时的性能为流量60m3/h，扬程110m，当输送介质黏度为30cP时，性能下降为流量55.6m3/h，扬程108m，当输送黏度为200cP的介质时，此泵的流量为40m3/h，扬程为104m。化工离心泵选型建议输送介质的最大黏度范围在300cP以下，可以查表或用“黏性液体性能修正程序”来计算性能下降值。
旋涡泵的选型，由于其是全开式起动，靠出口阀门的调节控制吐出压力，与离心泵闭式起动，通过调节阀门控制流量的方法不同，所以在选型中，旋涡泵的主参考值是吐出压力，通过先查到性能曲线对应的压力点再查对应的流量点，与离心泵选型正好相反，两者的选型步骤分别如图1、图2所示。
图1 旋涡泵选型示意图
 图2 离心泵选型示意图
所以旋涡泵选型可以不用遵照选型点在性能曲线最高效率点左侧这样的规则，由于旋涡泵流量越大功率越低，流量越小功率越高，所以只要在选型时注意，不要靠压力的过分增大来得到小流量即可，过高的压力值会增大电动机的负载，接近关死点的流量会使液体在泵体流道内形成自循环，从而使液体的温度快速的升高加重泵自身的负担。旋涡泵的部分结构特点介于离心泵和容积泵之间，最高可以输送黏度在300cP以下的介质，但性能也会随着黏度的
增大急剧下降。图3、图4中的虚线线条分别示意了旋涡泵和离心泵在输送黏性介质时的性能递减率，以介质黏度为30cP为例，对各性能值进行比较。
图3 旋涡泵黏度换算后性能曲线
图4 离心泵黏度换算后性能曲线
由图中可以看出，旋涡泵受黏度变化的影响比离心泵大。
4.化工泵材质选择
泵输送介质的腐蚀性各不相同，普通清水离心泵在材质选择上没有特别的要求，一般情况下选用铸铁材质就可以满足要求。化工离心泵对于材质的选择就复杂得多，介质的物理属性、化学特性、浓度和温度都是考虑的因素。材质的选择包括过流部件所有材质的选择，泵体、叶轮、轴套、主轴和密封件
代表了过流部件的主要部分，而归结起来就是金属材料的选择和非金属材料的选择。以醋酸为例，浓度为50%以下的常温醋酸可选择过流部件的材质最低要求为不锈钢304，当浓度为80%时，过流部件材质最低要求为不锈钢316，而80%浓度的醋酸当运行温度达到80℃以上时，可选择的过流部件材质为20号合金。但当输送介质为盐酸时，即使浓度低于10%，金属材料则不如塑料材质那么适用了，需要考虑选择橡胶内衬容积式泵或磁力驱动式离心泵。非金属材料中的橡胶类一般在泵的机械密封辅助环、密封垫及O形环中使用，对于常温油类介质多数选用丁腈橡胶，高温情况下选用氟橡胶，对于腐蚀性强介质聚四氟乙烯的对应范围是相对最广的。碳化硅、石墨和碳化钨是机械密封动环、静环的主要选用材料，其选择主要与介质里是否含有颗粒，是否聚合或结晶及其硬度、腐蚀性有关系[2]。
5.化工泵密封形式
化工离心泵中运用最多的就是机械密封，普通清水泵则可以选择填料密封或单端面机械密封。在化工离心泵中，根据介质在温度、颗粒度上的不同情况，可以选择不同的机械密封形式，API标准用泵要求选用集装式平衡型机械密封，高温介质或含微细颗粒介质选用金属波纹管机械密封，易挥发介质或有毒有害介质选用双端面机械密封。机械密封辅助冲洗装置的选择在化工离心泵选型中也是非常重要的部分。表1列出了化工离心泵选型中最典型也最常用的PLAN冲洗方案的应用特点。表1 密封管路系统的选择API 方案选择及应用PLAN 01、PLAN 11
适用于清洁液体或非高温液体，对泵进行自冲洗PLAN 21、PLAN 23针对介质高温的情况，介质通过冷却器后降温，再对机械密封进行冷却PLAN 32外部注入冲洗液，对带微量颗粒介质在机械密封腔的沉积进行冲洗PLAN 53为双端面机械密封配套的辅助装置，起到的效果是加压冷却，利用储液罐中的液体或气体对介质向大气侧的泄漏作有效阻隔PLAN 54为双端面机械密封配套的辅助装置，通过缓冲液与密封腔内介质相溶，通过外部循环来对机封进行冷却对介质进行隔离PLAN 62针对介质结晶现象进行的急冷处理选择恰当的机械密封形式和辅助冲洗方案对化工离心泵的可靠运行起着决定性作用。6.电动机选型化工离心泵配用电动机的形式多为防爆电动机，也有考虑用增安电动机、高效电动机或变频电动机的。可以根据泵运行点轴功率的大小，乘上不同的功率余量系数得到需要的电动机配套功率，一般按照表2中的划分来计算。也可以按照泵在最大流量点的轴功率来计算配套电动机功率。介质密度大于1×103kg/m3时，需要在轴功率上乘以密度系数来选配电动机，介质密度小于1×103kg/m3时，系数按照1来考虑。表2 离心泵功率余量系数泵的轴功率P轴/kW≤1515＜P轴≤55＞55电动机功率余量系数1.251.151.1根据设计院的要求电动机的防爆等级、防护等级、绝缘等级基本已经选定，但其提出的往往只是最低要求，这时就需要根据电动机厂家的实际产品来进行选择。如设计院指定用防爆等级为DIIAT3的电动机，一般国内电动机厂家防爆电动机的标准配置防爆等级为DIIBT4，降低防爆等级在价格上和供货周期上并没有任何优势，这时参照电动机厂家的技术参数进行选择即可。在选型中，防爆等级DIIBT4可以满足大多数介质对防爆电气设备的要求，但输送二硫化碳介质时，根据其爆炸特性，需要选取防爆等级为DIICT5的电动机以适应介质对电气元件升温区域的要求。根据不同运行工况点配泵的大小，设计院一般要求配用电动机功率在220kW上时电动机选用高压电动机，所以如果选择的泵的效率值较高的话，电动机功率在同等情况下不超过该值时，将在整体价格和电能节约上体现优势。
7.其他注意项
汽蚀余量的计算基于管路损失、介质饱和蒸汽压和抽吸方式的综合计算。一般NPSHa要至少比NPSHr高0.6m或其比值为1.2～1.3左右。为满足汽蚀余量的要求，需要在流量扬程选型阶段同时注意NPSHr的性能值，如果2极电动机配泵无法满足要求时，可以考虑用4极电动机降低转速从而降低NPSHr值，当然这样会使泵的型号增大一到两挡，这时就需要和使用方沟通取舍。但是为达到降低泵的必需汽蚀余量值，并不能盲目地在泵进口安装诱导轮，泵的设计计算参数要与诱导轮的设计相匹配，否则将适得其反。选型中使用方需求的工况点往往不可能正好落在额定叶轮的曲线上，这样对叶轮的切割后性能计算及切割范围也是选型中要注意的。叶轮的切割量根据叶轮直径的大小不同取9%～15%的范围，根据相似理论的换算，切割后电动机功率相应按比例减小，汽蚀余量值随着泵流量的增大而增大，且变化率逐步扩大。
国内标准工业电源为380V50Hz，但在选型工作中，也会遇到化工离心泵需要在异电压、异频率下使用的情况，由于频率的不同改变了原有电动机的转速，选型中同样要注意由此带来的泵性能上的变化。
三、化工泵选型实例
某多晶硅装置用泵，位号P0402ab，输送介质为15%碱液，固体含量≤2%，粒度≤6mm，运行温度32℃，正常温度下的密度1 287kg/m3，黏度3.2cP，流量60～72m3/h，进口压力0.069～0.088MPa，出口压力0.419MPa，正常温度下的汽化压力0.007 8MPa，额定扬程28m，自吸高度4m，有效汽蚀余量3.9m。根据业主指定的泵标准为GB5656，泵的形式选型为卧式单级自吸式化工离心泵，按照运行工况点来查看性能曲线，通过NPSHa与NPSHr的比较，选取4P电动机降低转速来满足要求，由于碱性介质中含有少量固体颗粒，将叶轮选取为半开式结构，由于运行工况温度和压力等级要求都不是很苛刻，所以选用底脚支承悬臂式安装结构，选定化工离心泵的型号为1080CTZK—2SOSC—4P—T。根据介质的腐蚀性和含固量，需要既耐腐蚀又耐磨的材质来对应，选择过流部件材质为双相钢UNS31803，机械密封选用单端面内装非平衡型机械密封，辅助PLAN32冲洗。选型中要注意介质的密度大于1×103kg/m3，所以在计算电动机功率的时候要用泵的轴功率乘上该值，计算后得到配用电动机功率为30kW，4极1 450r/min，防爆等级DIICT4，防护等级IP55，绝缘等级F。至此，该位号化工离心泵的基本选型完成。
某丙烯酸项目，位号P5621AB，输送介质为AA、ACA水溶液，相对密度1.02，操作温度61～85℃，汽化压力22.3kPa，泵送温度下的黏度0.4cP，正常流量2.5m3/h，排放压力846kPa，压差851kPa，扬程85m，N
PSHa为7.0m。选型时先比较此工况下离心泵和旋涡泵各自的性能范围，由于此工况流量小，扬程高，如果选择单级离心泵将导致泵机偏大，电动机功率较高，如果选择多级离心泵则运行惯性大，结构复杂化，所以对此工况最适合的产品类型就是旋涡泵。根据由出口压力值对应性能曲线上的点再对应得到流量的方法，选出的型号为50SP1—SC，根据介质的化学性质，选择接液材质为不锈钢304材质，密封为单端面机械密封加PLAN 32冲洗方案。NPSHr为
2.8m，配用电动机7.5kW，4极电动机，DIIBT4防爆等级，防护等级IP55。
以上两个例子的选型应该算是比较简单的，在很多项目中遇到的选型要求更苛刻更复杂，所以要对各类泵产品的特点和应用范围充分了解和掌握，第一时间判断需求产品的类型和结构特点，做到准确选型快速对应。
四、结语化工离心泵的合理选型是一件十分重要的工作。如果选择不当，泵工作中扬程偏高或偏低，流量偏大或偏小，或材质不耐腐蚀，泵结构不适于该液体的物性等等，不仅满足不了生产要求，并且效率低，寿命短，造成极大的能源浪费和设备损失。所以化工离心泵的选型要求更高，需要考虑的因素更多，在掌握常用普通离心泵的构造特点的基础上，把化工离心泵及其他特殊泵的工作机理、输送性能等贯穿起来，加以全面考虑、分析比较诸多影响因素，从中找出关键问题，并根据主观、客观条件和节约原则，尽可能做到选型相对合理[3]。
参考文献
[1] 中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册
[M].北京：化学工业出版社，2003.
[2] 范德明，化工部化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册[M].北京：化学工业出版社，1998.
[3] 黄世桥.化工用离心泵[M].北京：化学工业出版社，1982
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