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适合于泥浆超临界水氧化的一个往复泵单向阀设计

摘要

本文描述了适合于泥浆超临界水氧化的一个往复泵单向阀的设计和测试。泵的单向阀有各种各样的设计，但是在高压下调控这些含微粒的流体(泥浆)，他们中很少符合要求。当在抽含有颗粒的流体时，单向阀泄漏是一个重大问题。因此为了一定数量的应用,而去改进现有的泵系统,是非常必要的。这样在高于水的临界压力上,用泵抽泥浆在一个新型小型污水处理工艺中已被运转。(2212 bar or 32074 psia)
污泥单向阀设计和测试在一个美国人设计的Lewa隔膜泵中被完成。它的容量是15g/s(02 lb/rain)其最高工作压力大到了600 bar(8700psig)。试验被完成后，包含的泥浆溶液多达总固体57%的重量,其粒径达到约100微米(150目)。大概占了总固体量的三分之一,其中包含的纤维状材料只占十分之一英寸,
在颗粒大小测量时,它们是不被考虑的。在压力为207-276 bar(3000 到4000psig)之间,并且流速的压力水平范围从45 到135 g/min (01 到03 lb/min)时,修改过的单向阀成功地被测试超过了50 个小时。

引言

泵是任何一个流体的补给必需连续的, 高压过程的心脏。机械泵的能力取决于三个因素:排放压力、流速、颗粒公差。中高压泵(压力范围约为3000至100002975psig)是具有代表性的泵，适用于流体颗粒的尺寸小于2500目的“清洁”流体。在这样的压力下，多数泵实际的微粒公差为零。在另一方面，商业泥浆泵可处理较大微粒(多达10目),其在较高浓度时可以达到固体可达的60 %的重量。但文献报道的出口压力约为2400297psig[1,2]。
最近的研究显示，在一个全部装入有放射性有机废水和废渣的处理装置中，超临界水提供了一个有效的氧化环境[3-7]。污泥的超临界水氧化在连续流系统中需要特殊泵，他们不仅能产生高压力(35002975psig或更高)，而且可以承受的固体颗粒大(大于100目)。当前的文献和水泵厂商的样本显示这种小型容量的泵是不存在的。
根据工作原理，泵可以分为两类:动力式和容积式[11-13]。在第一类里的一个典型的例子是其中离心泵的压头是由动能转化的。第二类包括往复(如柱塞、隔膜)泵和旋转(如齿轮、进腔)泵。在高压下处理污泥和泥浆的泵是容积式类型的。其中最受欢迎的是柱塞、隔膜泵。

柱塞、隔膜泵基本上都使用同样的工作原理，流体被抽是由泵吸入和排出的操作来完成的。流体流动的实现是通过柱塞或隔膜来回的机械运动完成的。并通过一套吸入和排出的单向阀来调节流向。许多往复泵能产生5000至10000psig的压力，他们是典型的清洁流体，其中含有的颗粒大小也就是6微米(2500 目)多一点。在有些情况下,当一些特殊的材料被用在柱塞密封和单向阀上时其可承受流入的溶液颗粒大小超过150目。由于被限制的齿轮间隙和依靠流体粘度提供的有限工作压力，齿轮泵在颗粒大小上允许有小的误差。无论离心和进腔泵能流入多大的固体颗粒(或比10 目大一点)，但是出口压力却是固有的，仅限小于1000psig。若一个特殊设计的多级离心泵，其更高一点的操作压力被实现。在流量为5678立方米每小时(2500 gal/min)高达3000 psig时[14]，其抽煤泥泵的能力是200 目 (固体重量占50%)。然而，由于高的流速，离心泵一直存在着容易腐蚀问题。
作一个适当的比喻，往复泵的单向阀就好比心脏的尖瓣一样重要。单向阀仅容许流体流动过程在一个方向去创建过程压力。所有单向阀都是由金属-金属或金属-非金属接触座构成。先前的类型可以称为球型单向阀，它包括一个金属球和支座。后来的，通常由一个金属球和一个O型橡胶环附属物组成,并通过一个弹簧来支承。图1显示两种典型设计 (a) 硬座型 (b)软座型止回阀。

图1单向阀的设计: (a) 硬座型 (b)软座型止回阀。
一个淤泥止回阀的本质要求是接触固体颗粒时的密封性。当抽泥浆或污泥时，现存起作为“桥梁”作用的硬座阀(金属-金属型)通常无法阻止回流。而那种在泥浆泵上用的软阀型(泥浆型)单向阀已经被成功地运用在生产上，其O型橡胶环被用来覆盖在颗粒的密封面上。
在这项研究中，改装设计是基于那种硬座型止回阀，因为相对于那种软阀型的止回阀，它涉及较少元件数量，有多种选择改造，而且运行寿命较长。一隔膜泵(美国人设计的Lewa隔膜泵HLM-1)额定02 lb/min，其最高工作压力为8700psig,
其改进型止回阀正在工业和城市污泥的使用过程中被测试。由于污泥问题，这种隔膜泵是一个更好的选择，因为相对于柱塞泵，它没有密封问题。

改进型单向阀的设计

图2(a) 描述一个典型的硬阀座单向阀被扩大的密封部分。注意到这个球座是锥形表面，它经过精心研磨，适合大球的精密度。当粒子存在时，正是这种接触面，使这个阀门变成低效的，也不是不可能的。因此这类球形止回阀，是最少希望在高压密封的情况下应用。
对于高压密封、结构和任何两个关键部件的接触面之间的尺寸是极端重要的。原则上，点密封是最好的，第二个选择是密封线最好在一条线上，封口表面是不合需要的。但是，在淤泥的装置中，点接触的封口是不实用的，提供线接触密封是改进传统单向阀的唯一的选择。

如图2(b)所示，在这种情况下，改进单向阀座为60度，使其公差半径约为0001英寸。美国的Lewa单向阀的外径和高度大约有0591英寸，独立地，其球的直径为0276英寸。因此可以假设结构料材远比用泵抽的流体的颗粒要硬得多。一方面由于球的动作向下，这个粒子被锐利的边缘割裂。另一方面由于球动作向下，最后的封口在接触线上。在此同时，阀座的清洁性和阀的停止机构，又是污泥止回阀的一个关键因素。这两方面的修改还研制，因此在本文没有涉及。

单向阀性能改良

美国人lewa泵头设计使四个单向阀被安装在一起(两个在吸入端,两个在吸出端)可以提供调节。这个改进型止回阀的外壳，由不锈钢316制成，它与美国lewa泵的止回阀，有着相同的整体尺寸。其止回阀的阀球与美国人lewa泵的止回阀是一样的，并没有发生改变。
改良型止回阀被应用在工业及城市污泥的处理上。表一描述了止回阀在工业污泥处理过程中的测试性能。
在这个测试中，水和污泥质量流量的速率，在四个不同的单向阀下被测量是3500 psig的压力。泵顶部的温度大概是75 F (24 度),表二总结了测试的结果。

当用泵抽污泥时，建议流量应该适当地增加，污泥中的颗粒可能确实有助于降低阀的滑移。所有固体的浓度中，也包括污泥类型，效果甚微的流量。大概持续测试50小时后，拆解检查止回阀。可以观察到，在阀的接触触处出现磨损，它是所有泥浆阀共同的问题[16]。这个被磨平的边缘，它的宽度约为0004英寸。与其相比的是，它的机械公差为0001英寸。然而，密封线的磨损并未对止回阀性能造成太大的影响。如果需要，改进型止回阀的材料(或无热处理)要比不锈钢316还要坚固。

结论

这个实验研究表明，在压力范围在3000psig到4000psig之间，改装止回阀能抽出约占6%的固体污泥。尤其在较高的污泥浓度和排放压力下,它有着很好的性能。在进一步的测试中，人们期待着能够设计出更简单的产品，这种设计理念在其设计中是必要和有益的。在实验室规模以及大规模的泥浆泵应用中，这种方法在止回阀和增加止回阀的选择范围过程中，仍然有效。

鸣谢

感谢分离研究组织、在奥斯汀的德州大学、德州高等教育协调委员会、科研计划科在研究超临界水氧化方案上的给与的资金援助。

参考文献

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