关键参数包括流量、总动态扬程、流体特性、吸入条件和泵功率。 对于化学工程单元操作中试装置中的进料泵和循环泵，选型必须考虑所需的体积流量、质量吞吐量、静态高度、容器压力差、管道和配件摩擦、控制阀损耗以及流体的密度和粘度。在高压回路中，这些计算可能会产生巨大的扬程；主要参考资料指出，某些应用的总动态扬程约为 237 至 268 米。
泵的选型是系统曲线与泵性能曲线的交点。可靠的设计需要同时评估所需的工况点和运行范围，然后验证吸入压力、气蚀余量、功率需求、可控性以及与工艺流体的兼容性。
确定所需的泵工况
体积流量
所需的体积流量决定了泵的容量，并对管道直径、流速、摩擦损失和控制范围有很大影响。
设计应明确正常、最小和最大流量，而不仅仅是一个标称值。对于较窄的运行范围，单台泵可能就足够了；而当中试装置必须支持差异巨大的实验时，可能需要并联泵或变频控制。
质量吞吐量
当工艺规范以公斤/小时为单位，或者流体密度随成分、温度或压力变化时，质量流量至关重要。
其关系为：
[ \dot{m} = \rho Q ]
其中 (\dot{m}) 为质量流量，(\rho) 为流体密度，(Q) 为体积流量。应同时检查这两个量，因为泵输送的是体积，而许多单元操作是围绕质量吞吐量设计的。
运行范围
中试装置通常在多种流态下运行，以展示工艺行为和控制性能。泵必须在最小流量、正常流量和最大流量下保持稳定且可控。
因此，应将选定的工况点与泵的完整性能曲线进行比较，包括效率、允许运行范围以及任何最小流量要求。
计算总动态扬程
静态高度扬程
高度扬程是源容器和目标容器中液位或相关压力参考点之间的垂直高度差。
无论管道尺寸或流量如何，泵都必须提供此扬程。这在中试装置中尤为重要，特别是涉及高架塔、储罐、填充床或回流接收器时。
静压扬程
如果源容器和目标容器在不同的压力下运行，泵必须克服相应的压力差。
对于密度为 (\rho) 的液体，压力到扬程的转换公式为：
[ H_{\Delta P} = \frac{\Delta P}{\rho g} ]
这意味着对于不同密度的流体，相同的压力差会产生不同的扬程要求。因此，仅凭给定的排出压力不足以进行泵选型。
摩擦扬程损失
摩擦损失发生在直管、配件、阀门、换热器、填充段、流量计和其他组件中。
它们取决于管道长度和直径、表面粗糙度、流体密度和粘度、流速以及配件的几何形状。摩擦损失通常随流量迅速增加，因此必须在相关的运行极限下计算，而不仅仅是在平均流量下计算。
控制阀和设备的压力降
控制阀可能会有意消耗可用压力扬程的很大一部分，以提供稳定的流量控制。
计算应包括阀门、过滤器、滤网、换热器、静态混合器、填充床和其他工艺设备上的压力降。忽略这些损失可能会导致所选泵虽然满足静态要求，但无法达到所需的流量。
总动态扬程
所需泵扬程的实用表达式为：
[ H_{\text{TDH}} = H_{\text{elevation}} + H_{\text{pressure}} + H_{\text{friction}} + H_{\text{equipment}} ]
应在整个运行范围内评估所得的系统扬程。对于高压中试装置回路，所需扬程可能达到约 237 至 268 米，如主要参考资料中所述。
评估流体的水力行为
密度和比重
密度既影响质量吞吐量，也影响与压力差相关的扬程。它还影响泵所需的液压功率。
对于混合物，密度可能随成分和温度发生显著变化。在检查功率和机械负载时，设计基础应使用最高的可信密度。
粘度
粘度影响雷诺数、摩擦系数、压力降、泵效率和可达到的流量。
低粘度液体通常由离心泵处理。高粘度液体可能需要容积式泵（如齿轮泵），因为离心泵的性能会随着粘度的增加而下降。
雷诺数
雷诺数表示流动主要是层流、过渡流还是湍流：
[ Re = \frac{\rho u D}{\mu} ]
其中 (u) 为平均流速，(D) 为管道直径，(\mu) 为动力粘度。
该参数对于选择合适的摩擦系数关联式是必需的。它还有助于解释为什么当流体温度或成分发生变化时，相同的泵和管道系统表现会不同。
管道直径和流速
管道直径确定了流量与平均流速之间的关系：
[ u = \frac{4Q}{\pi D^2} ]
较高的流速可以减小管道尺寸并降低资本成本，但会增加摩擦压力降、噪音、侵蚀风险和泵送功率。较低的流速可减少水力损失，但需要更大、更昂贵的管道。
验证吸入条件和气蚀余量
可用吸入压头
泵入口必须具有足够的绝对压力，以在实际运行条件下保持流体处于液态。
可用吸入压头取决于源容器压力、液位、吸入管路摩擦、流体蒸汽压和温度。必须将其与泵所需的净正吸入压头（NPSH）进行比较。
NPSH 余量
可用 NPSH 应在整个运行范围内超过泵所需的 NPSH，并留有适当的工程余量。
此检查对于挥发性液体、热液体、真空操作容器以及具有长或限制性吸入管路的系统尤为重要。泵安装在高于源容器的位置过高，可能会导致入口压力不足、气蚀、流量不稳定或完全断流。
泵的位置
离心泵通常最好安装在靠近源容器且低于源容器的位置，此时吸入管路较短且入口压力最高。
吸入管道应尽量减少不必要的配件、急剧的限制和高度变化。这些细节可以决定泵即使在排出侧计算正确的情况下是否能可靠运行。
确定功率和驱动要求
液压功率
理想的液压功率为：
[ P_{\text{hydraulic}} = \rho g Q H ]
所需的轴功率必须考虑泵的效率：
[ P_{\text{shaft}} = \frac{\rho g Q H}{\eta_{\text{pump}}} ]
电机选型还必须考虑驱动效率、运行余量、启动条件以及中试装置可能以最大流量或最大密度运行的可能性。
泵的类型
离心泵通常适用于标准、低粘度的工艺流体和连续循环任务。
容积式泵更适合小流量、高扬程、计量或高粘度任务。隔膜泵对于腐蚀性流体和精确加药具有优势，而齿轮泵通常用于粘性液体。
速度和控制
驱动布置影响可控性和运行效率。变速驱动器可以根据不断变化的中试装置条件调整泵的输出，而通过控制阀节流则会改变系统阻力并将泵的部分能量转化为压力损失。
设计应评估流量控制是通过速度调节、阀门节流、旁路循环还是这些方法的组合来实现。
使泵与工艺流体匹配
腐蚀性和材料
腐蚀性流体可能会侵蚀泵壳、叶轮、密封件、压盖和管道。
必须根据流体成分、浓度、温度和暴露时间选择结构材料。间歇性运行也很重要，因为残余流体在闲置期间可能留在泵内并加剧内部腐蚀。
悬浮固体
悬浮固体可能导致侵蚀、堵塞、密封损坏和加速磨损。
设计应考虑固体浓度、颗粒大小、沉降行为和所需的内部间隙。仅根据流量和扬程数据选择的泵在工艺流体含有固体时可能会失效。
蒸汽压和温度
蒸汽压决定了泵吸入口发生闪蒸或气蚀的可能性。
温度变化会同时改变粘度、密度、蒸汽压和材料兼容性。应在冷启动、正常和最高温度条件下评估这些特性。
了解权衡因素
泵过大
过大的泵可能会产生过大的流量、较高的阀门压力降、运行效率低下以及在低吞吐量下难以控制。
节流可能会迫使泵进入不理想的运行点，并可能产生回流、振动或过热。应根据实际系统曲线和运行范围选择泵，而不是简单地选择最大的可用单元。
泵过小
当摩擦损失或工艺压力要求增加时，过小的泵可能无法达到所需的流量。
当计算中忽略了控制阀、换热器、填充床或过滤器上的压力降时，这种情况尤其可能发生。应在最苛刻的可信运行条件下检查系统。
选择管道直径
小管道可降低资本成本，但会增加流速和摩擦扬程损失。大管道可减少泵送损失，但会增加设备成本、占地面积，并可能增加中试装置的流体存量。
所选直径应平衡资本成本、能耗、控制性能、侵蚀风险以及设施的教育或研究目标。
忽略系统曲线
泵目录额定值通常说明扬程或流量值，而没有表示它们之间的完整关系。
必须根据计算出的系统曲线检查所选泵。实际运行点是泵曲线与系统曲线的交点，它可能与标称目录工况有实质性差异。
为您的目标做出正确的选择
以下优先级有助于围绕中试装置的目的组织选型计算：
- 如果您的主要重点是可靠的工艺循环： 定义正常、最小和最大流量，计算完整的总动态扬程，并验证整个范围内的运行点和 NPSH 余量。
- 如果您的主要重点是精确的进料或试剂计量： 优先考虑稳定的低流量性能、流体粘度、脉动、可控性以及容积式泵或隔膜泵的适用性。
- 如果您的主要重点是高压操作： 包括容器压力差、设备压力降、流体密度、轴功率、机械额定值和完整的吸入条件分析。
- 如果您的主要重点是教授流体动力学： 检测流量、压力、压差、速度和电机功率，以便用户可以比较理论扬程损失、泵曲线、阀门压降和测量的功耗。
- 如果您的主要重点是腐蚀性或含固体介质的服务： 评估结构材料、密封选择、内部间隙、固体处理、温度以及运行和闲置期间的腐蚀情况。
一个完善的中试装置泵规范将流量、扬程、流体行为、吸入条件、功率和控制要求连接成一个完整的水力设计基础。
总结表：
| 参数 | 评估内容 | 重要性 |
|---|---|---|
| 流量 | 最小、正常和最大体积流量；质量吞吐量 | 定义泵容量、管道流速和可控性 |
| 总动态扬程 | 高度、容器压力差、管道摩擦、阀门和设备损失 | 确定所需的泵扬程和系统曲线 |
| 流体特性 | 密度、粘度、蒸汽压、温度、腐蚀性和固体含量 | 影响摩擦、功率、气蚀风险、泵类型和材料 |
| 吸入条件 | 源压力、液位、吸入管路损失和 NPSH 余量 | 防止气蚀、流量不稳定和性能下降 |
| 泵和驱动 | 泵曲线、效率、轴功率、速度和运行范围 | 确认泵能高效可靠地达到工况点 |
| 控制策略 | 变速、阀门节流、旁路或计量 | 确保在中试装置条件变化时保持稳定运行 |
| 设计优先级 | 循环、计量、高压、教学、腐蚀性或含固体服务 | 使泵选型与中试装置的工艺目标保持一致 |
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