پمپ های مغناطیسی شیمیایی چگونه کار می کنند و چه زمانی باید از آنها استفاده کنید؟

پمپ مغناطیسی شیمیایی چیست؟

الف پمپ مغناطیسی شیمیایی - پمپ جفت شده مغناطیسی یا پمپ ماگ درایو نیز نامیده می شود - یک طرح پمپ گریز از مرکز است که در آن پروانه توسط یک شفت مکانیکی که از محفظه پمپ می گذرد، بلکه توسط یک میدان مغناطیسی چرخشی که از طریق پوسته محفظه پمپ منتقل می شود به حرکت در می آید. موتور محرک یک مجموعه آهنربای بیرونی را می‌چرخاند، و این میدان مغناطیسی دوار در یک شکاف هوا از طریق یک پوسته محفظه غیرفلزی یا فلزی مهر و موم شده به یک مجموعه آهنربای داخلی متصل به پروانه جفت می‌شود. از آنجایی که هیچ شفت چرخشی به منطقه خیس شده نفوذ نمی کند، هیچ گونه مهر و موم مکانیکی یا بسته بندی غده ای برای نشتی وجود ندارد - داخل پمپ بدون در نظر گرفتن فشار یا دمای سیال مورد استفاده، همیشه کاملاً از اتمسفر آب بندی می شود.

این طراحی مهر و موم شده و بدون نشتی، پمپ های مغناطیسی شیمیایی را به راه حل ترجیحی برای جابجایی مایعات خطرناک، سمی، خورنده، قابل اشتعال، یا حساس به محیط زیست در فرآوری های شیمیایی، تولید دارو، تصفیه آب، ساخت نیمه هادی ها و سایر صنایع تبدیل می کند که حتی نشت جزئی سیال خطرات ایمنی، نظارتی یا نظارتی محصول را به همراه دارد. حذف مهر و موم مکانیکی - فشرده ترین و مستعد خرابی ترین جزء در پمپ های سانتریفیوژ معمولی - همچنین به طور قابل توجهی هزینه های عملیاتی و توقف برنامه ریزی نشده را در کاربردهای فرآیند پیوسته که قابلیت اطمینان پمپ برای بازده تولید حیاتی است کاهش می دهد.

اصل عملیات: کوپلینگ مغناطیسی توضیح داده شده است

مکانیسم جفت مغناطیسی در قلب یک پمپ مغناطیسی شیمیایی بر اساس اصل انتقال گشتاور مغناطیسی سنکرون عمل می کند. روتور آهنربای خارجی حلقه یا مجموعه ای از آهنرباهای دائمی است - آهنرباهای آهن نئودیمیوم خاکی کمیاب (NdFeB) یا کبالت ساماریوم (SmCo) که در قطبیت متناوب شمال-جنوب مرتب شده اند - بر روی حاملی که مستقیماً به شفت موتور متصل است نصب شده است. روتور آهنربای داخلی، که به طور مشابه با آهنرباهای دائمی قطب متناوب مرتب شده است، به شفت پروانه متصل است و در داخل پوسته مهاری در سیال پمپ شده قرار دارد. هنگامی که موتور روتور بیرونی را می‌چرخاند، قطب‌های مغناطیسی روتور بیرونی، قطب‌های روتور داخلی را در سراسر دیواره پوسته مهاری جذب و دفع می‌کنند و گشتاور چرخشی را بدون هیچ گونه ارتباط فیزیکی بین دو روتور به پروانه منتقل می‌کنند.

پوسته محفظه - که به آن پوسته قوطی یا ایزوله نیز می گویند - جزئی است که سیال پمپ شده را از موتور خارجی و مجموعه آهنربا جدا می کند. باید به طور همزمان به اندازه کافی نازک باشد تا شکاف هوای مغناطیسی را به حداقل برساند (و در نتیجه راندمان کوپلینگ را به حداکثر برساند)، به اندازه کافی قوی باشد تا حداکثر فشار کاری پمپ را تحمل کند، و از نظر الکتریکی نارسانا (یا با رسانایی کم) باشد تا از تلفات جریان گردابی که باعث کاهش راندمان و تولید گرما در دیواره قوطی می شود، جلوگیری شود. مواد متداول پوسته محفظه شامل پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP)، PTFE، هاستلوی C-276 و فولاد ضد زنگ دوبلکس هستند که هر کدام برای ترکیبات شیمیایی و فشار متفاوتی مناسب هستند.

اجزای کلیدی و عملکرد آنها

عملکرد و قابلیت اطمینان یک پمپ مغناطیسی شیمیایی به کیفیت، انتخاب مواد و ترکیب طراحی هر یک از اجزای اصلی آن بستگی دارد. درک آنچه که هر بخش انجام می دهد، روشن می کند که چرا انتخاب مواد در کاربردهای پمپ شیمیایی بسیار حیاتی است.

پوشش و پروانه پمپ

محفظه پمپ پروانه را در خود جای داده و مسیر جریان هیدرولیک از مکش تا تخلیه را مشخص می کند. در پمپ های مغناطیسی شیمیایی، بسته به خورندگی سیال فرآیند، پوشش معمولاً از پلی پروپیلن (PP)، PVDF (پلی وینیلیدین فلوراید)، فولاد با پوشش ETFE، Hastelloy C-276 یا فولاد ضد زنگ دوبلکس ساخته می شود. پروانه انرژی شفت موتور را از طریق عمل گریز از مرکز به انرژی جنبشی سیال تبدیل می کند و طراحی آن - باز، نیمه باز یا بسته - هم بر راندمان هیدرولیکی و هم بر تحمل پمپ برای سیالات حاوی مواد جامد معلق کوچک تأثیر می گذارد. پروانه های بسته راندمان بالاتر و تولید فشار بهتر را برای مایعات تمیز ارائه می دهند، در حالی که پروانه های باز یا نیمه باز برای دوغاب یا سیالات حاوی مواد جامد نرم که باعث مسدود شدن پروانه بسته می شوند ترجیح داده می شوند.

پوسته مهار (قطعه جداسازی)

پوسته نگهدارنده مسلماً از منظر ایمنی حیاتی ترین جزء در کل پمپ است - این تنها مانع بین سیال فرآیند خطرناک و محیط خارجی است. ضخامت دیواره آن باید به اندازه ای باشد که حداکثر درجه فشار تفاضلی پمپ را تحمل کند، که برای پمپ های مغناطیسی شیمیایی استاندارد بسته به اندازه مدل و مواد پوسته از 10 بار تا 25 بار متغیر است. پوسته‌های نگهدارنده GFRP و PEEK برای اسیدهای آلی و معدنی بسیار خورنده استفاده می‌شوند، زیرا در برابر میدان مغناطیسی شفاف هستند (غیر رسانا)، گرمایش جریان گردابی را حذف می‌کنند و راندمان اتصال را به حداکثر می‌رسانند. پوسته‌های محفظه فلزی در Hastelloy یا فولاد ضد زنگ در جاهایی که درجه حرارت یا فشار بالاتری مورد نیاز است استفاده می‌شود، اما رسانایی الکتریکی آنها جریان‌های گردابی را در میدان مغناطیسی دوار ایجاد می‌کند و راندمان پمپ را 3 تا 8 درصد کاهش می‌دهد و گرمایی ایجاد می‌کند که باید از طریق گردش سیال در قوطی مدیریت شود.

سیستم بلبرینگ

روتور داخلی و مجموعه پروانه یک پمپ مغناطیسی شیمیایی توسط یاتاقان های آستینی - نه یاتاقان های عنصر غلتشی - که به طور کامل توسط خود سیال پمپ شده روغن کاری و خنک می شوند، پشتیبانی می شود. این یاتاقان‌ها معمولاً از کاربید سیلیکون (SiC)، گرافیت کربن یا PEEK پر شده با PTFE ساخته می‌شوند، موادی که به دلیل سختی، مقاومت شیمیایی و ضریب اصطکاک کم در عملیات روانکاری با سیال انتخاب می‌شوند. مسیر گردش سیال که یاتاقان ها را روغن کاری می کند، گرما را از داخل پوسته محفظه دور می کند. به همین دلیل است که پمپ‌های مغناطیسی شیمیایی برای جریان مداوم سیال از پمپ نیاز حیاتی دارند - خشک شدن، حتی برای مدت کوتاهی، یاتاقان‌های آستین روغنکاری و خنک‌کننده را از بین می‌برد و باعث خرابی سریع و فاجعه‌بار یاتاقان در عرض چند ثانیه تا چند دقیقه پس از کار خشک می‌شود.

روتور آهنربای خارجی و کوپلینگ موتور

روتور آهنربای خارجی روی یک هاب کوپلینگ نصب شده است که مستقیماً به شفت موتور استاندارد متصل می شود و به پمپ های مغناطیسی شیمیایی اجازه می دهد تا از موتورهای القایی قاب IEC یا NEMA بدون تغییر استفاده کنند. این قابلیت تعویض یک مزیت تعمیر و نگهداری قابل توجه است - موتور را می توان به طور مستقل از پمپ بدون ایجاد اختلال در انتهای مرطوب یا اتصالات لوله های فرآیند تعویض کرد. محفظه روتور بیرونی معمولاً از فولاد ضد زنگ یا پلیمر مهندسی ساخته می‌شود و آهن‌رباهای دائمی در مواد مقاوم در برابر خوردگی محصور شده‌اند تا از تماس سیال فرآیند در صورت خرابی پوسته محفظه محافظت کنند.

انتخاب مواد برای خدمات شیمیایی مختلف

هیچ ترکیبی از مواد برای همه خدمات شیمیایی مناسب نیست و انتخاب صحیح مواد برای اجزای خیس شده - پوشش، پروانه، پوسته مهار و یاتاقان های آستین - مهم ترین تصمیم مهندسی در مشخصات پمپ مغناطیسی شیمیایی است. جدول زیر پرکاربردترین ترکیبات مواد خیس شده و مناسب بودن خدمات شیمیایی آنها را خلاصه می کند.

محدودیت های عملکرد و محدودیت های عملیاتی

پمپ‌های مغناطیسی شیمیایی در محدوده‌های عملکردی خاصی عمل می‌کنند که با محدودیت‌های فیزیکی مکانیسم جفت مغناطیسی و سیستم بلبرینگ تعریف می‌شوند. درک این محدودیت ها برای جلوگیری از شرایط عملیاتی که منجر به خرابی سریع پمپ یا حوادث ایمنی می شود، ضروری است.

جداسازی: حد بحرانی اضافه بار

کوپلینگ مغناطیسی گشتاور را تنها تا حداکثر تعریف شده منتقل می کند - به نام گشتاور خروجی یا گشتاور جداسازی - که فراتر از آن، قطب های مغناطیسی روتورهای داخلی و خارجی از هماهنگی خارج می شوند و پروانه چرخش را متوقف می کند در حالی که روتور بیرونی به چرخش ادامه می دهد. این رویداد جداسازی بی صدا است و هیچ نشانه خارجی از خرابی پمپ را ارائه نمی دهد، به این معنی که سیستم فرآیند ممکن است در حالی که موتور به طور معمول به کار خود ادامه می دهد، جریان صفر را ببیند. جداسازی زمانی اتفاق می‌افتد که بار هیدرولیکی روی پروانه از ظرفیت گشتاور کوپلینگ تجاوز کند - معمولاً ناشی از پمپاژ سیالی با وزن مخصوص به طور قابل‌توجهی بالاتر از نقطه طراحی، کارکردن پمپ خارج از منحنی عملکرد آن یا افزایش ناگهانی فشار برگشتی سیستم است. عملکرد مداوم در حالت جدا شده به روتور داخلی ثابت اجازه می دهد تا توسط جریان های گردابی از میدان مغناطیسی چرخان بیرونی گرم شود و به طور بالقوه باعث آسیب حرارتی به پوسته محفظه و مواد یاتاقان شود. سیستم‌هایی که سیالات خطرناک را جابجا می‌کنند باید پایش جریان یا پایش توان را برای تشخیص سریع رویدادهای جداسازی ترکیب کنند.

محافظت در برابر دویدن خشک

الفs noted in the bearing section, dry running is the single most common cause of catastrophic failure in chemical magnetic pumps. The sleeve bearings depend entirely on fluid film lubrication — the minimum recommended flow through the bearing flush circuit is typically specified by the pump manufacturer as a function of pump size and bearing material, but even a few seconds of fully dry operation on silicon carbide bearings can cause scoring and cracking that renders the pump unserviceable. Dry running protection measures should be standard in any chemical magnetic pump installation and may include suction pressure switches that shut down the motor when suction pressure falls below the minimum threshold, flow switches in the discharge line, current monitoring relays that detect the characteristic current drop associated with loss of hydraulic load, and level switches in the suction vessel that prevent pump start or trigger pump stop before the vessel empties.

الفdvantages Over Mechanically Sealed Pumps

تصمیم برای مشخص کردن پمپ‌های مغناطیسی شیمیایی بر روی پمپ‌های گریز از مرکز مهر و موم شده معمولی در خدمات شیمیایی، توسط ترکیبی از عوامل ایمنی، محیطی و اقتصادی انجام می‌شود که با افزایش سمیت، اشتعال‌پذیری یا طبقه‌بندی نظارتی سیال فرآیند، به طور فزاینده‌ای قانع‌کننده می‌شوند.

• انتشارات فراری صفر: مهر و موم های مکانیکی ذاتاً مقدار کمی از سیال فرآیند را در طول عملیات عادی به اتمسفر نشت می کنند - معمولاً 0.5 تا 5 میلی لیتر در ساعت برای یک مهر و موم مکانیکی در شرایط خوب. برای سیالات فرآیندی ترکیبات آلی سرطان زا، بسیار سمی یا فرار (VOC)، حتی این میزان نشتی جزئی ممکن است از محدودیت های انتشار مقرراتی فراتر رود یا قرار گرفتن در معرض شغلی غیرقابل قبولی ایجاد کند. پمپ‌های مغناطیسی انتشارات فرار را به طور کامل حذف می‌کنند و انطباق با الزامات مجوزهای زیست محیطی و مقررات قرار گرفتن در معرض محیط کار از جمله OSHA، REACH و استانداردهای محیطی محلی را ساده‌تر می‌کنند.
• کاهش هزینه تعمیر و نگهداری و خرابی: مهر و موم های مکانیکی در خدمات شیمیایی خورنده به طور متوسط هر 6 تا 18 ماه یکبار نیاز به تعویض دارند که شامل خاموش شدن پمپ، قطع اتصال از لوله های فرآیند، جداسازی کامل، تعویض آب بند، مونتاژ مجدد، آزمایش نشت و راه اندازی مجدد می شود. پمپ های مغناطیسی هیچ مهر و مومی برای جایگزینی ندارند - فعالیت های اصلی تعمیر و نگهداری عبارتند از بازرسی دوره ای بلبرینگ و بررسی وضعیت پروانه، معمولاً در فواصل زمانی 2 تا 5 ساله در سرویس تمیز، که به طور قابل توجهی هزینه تعمیر و نگهداری و زمان توقف تولید را کاهش می دهد.
• ایمنی بهبود یافته برای جابجایی مایعات خطرناک: الف failed mechanical seal in a pump handling flammable solvent or concentrated acid creates an immediate fire, explosion, or chemical exposure hazard. The hermetically sealed design of magnetic pumps eliminates the mechanical seal as a failure mode, removing one of the highest-consequence potential failure points in the process fluid containment system.
• بدون نیاز به سیستم پشتیبانی مهر و موم: مهر و موم مکانیکی دوگانه برای سیالات بسیار خطرناک به یک سیستم سیال مانع تحت فشار - از جمله دیگ آب بند، تنظیم کننده فشار، نشانگر سطح و لوله کشی مرتبط - نیاز دارد که هزینه سرمایه را اضافه می کند، نیاز به تعمیر و نگهداری خود دارد و نقاط نشتی بالقوه بیشتری را معرفی می کند. پمپ های مغناطیسی نیازی به سیستم پشتیبانی مهر و موم ندارند، که نصب را ساده می کند و تعداد کلی تجهیزات فرآیند را کاهش می دهد.
• سازگاری با برنامه های کاربردی با خلوص بالا: در کاربردهای نیمه هادی، دارویی و فرآوری مواد غذایی، نشت سیل مکانیکی روان کننده ها، ذرات ساییدگی درزگیر و سیال مانع را وارد جریان فرآیند می کند - منابع آلودگی که می تواند کیفیت محصول یا اعتبار دسته ای را به خطر بیندازد. پمپ‌های مغناطیسی فاقد سیستم روان‌کاری داخلی هستند که با سیال فرآیند تماس پیدا می‌کند و ذاتاً آنها را با الزامات فرآیند با خلوص بالا سازگارتر می‌کند.

محدودیت ها و زمان در نظر گرفتن گزینه های جایگزین

پمپ های مغناطیسی شیمیایی با وجود مزایایی که دارند، برای هر کاربرد پمپاژ شیمیایی مناسب نیستند. چندین ویژگی طراحی درایو مغناطیسی محدودیت هایی را ایجاد می کند که باید در هنگام انتخاب پمپ ارزیابی شوند.

• محدودیت دمای سیال: دمای فرآیند بالا قدرت مغناطیسی آهنرباهای دائمی را کاهش می دهد - بیش از 120 درجه سانتیگراد برای آهنرباهای NdFeB و 250 درجه سانتیگراد برای آهنرباهای SmCo، ظرفیت گشتاور کوپلینگ به طور قابل توجهی کاهش می یابد. برای خدمات شیمیایی با دمای بالا بالاتر از 150 درجه سانتیگراد، طرح‌های پمپ مغناطیسی با دمای بالا با آهن‌رباهای SmCo در دسترس هستند، اما با هزینه‌ای بسیار بالاتر از پمپ‌های استاندارد.
• الفbrasive and slurry services: سیالات حاوی ذرات ساینده - از جمله دوغاب کاتالیزور، محلول های متبلور و مایعات فرآیند با مواد جامد معلق بالای تقریباً 50 ppm - سایش یاتاقان های آستین و سطوح داخلی پمپ را به طور چشمگیری تسریع می کنند. برای خدمات شیمیایی ساینده، یک پمپ آستردار با مهر و موم مکانیکی دوبل و یاتاقان‌های سرامیکی اغلب فواصل سرویس طولانی‌تری را نسبت به پمپ مغناطیسی فراهم می‌کند، علی‌رغم خطر نشت آب‌بند مکانیکی.
• سیالات با ویسکوزیته بسیار بالا: ظرفیت گشتاور کوپلینگ مغناطیسی در طراحی ثابت است و توان هیدرولیکی مورد نیاز برای پمپاژ سیالات با ویسکوزیته بالا به سرعت با ویسکوزیته افزایش می یابد. پمپ های مغناطیسی به طور کلی به سیالاتی با ویسکوزیته دینامیکی کمتر از حدود 200 cP محدود می شوند. بالاتر از این، خطر جدا شدن در حین کارکرد معمولی به طور غیرقابل قبولی بالا می رود مگر اینکه پمپ به میزان قابل توجهی بزرگ باشد.
• آلودگی ذرات فرومغناطیسی: سیالات حاوی ذرات فرومغناطیسی - مقیاس اکسید آهن، براده های فولادی از تجهیزات بالادست، یا ذرات کاتالیزور مغناطیسی - به سطوح روتور آهنربای داخلی در داخل پوسته مهاری جذب شده و بر روی آنها رسوب می کنند، به تدریج کشش را افزایش می دهند، راندمان اتصال را کاهش می دهند و در نهایت باعث خرابی یا انسداد یاتاقان می شوند. در هر سرویسی که امکان آلودگی ذرات فرومغناطیسی وجود دارد، جداکننده ها یا صافی های مغناطیسی باید در بالادست مکش پمپ نصب شوند.

نحوه انتخاب پمپ مغناطیسی شیمیایی مناسب

انتخاب صحیح پمپ مغناطیسی شیمیایی مستلزم ارزیابی سیستماتیک خواص سیال فرآیند، الزامات هیدرولیک سیستم و محیط عملیاتی است. قبل از تعیین مدل پمپ و ترکیب مواد، پارامترهای زیر باید تعریف و مستند شوند.

• ترکیب شیمیایی سیال فرآیند: یک تجزیه و تحلیل شیمیایی کامل از جمله تمام اجزاء حتی جزئی را به سازنده پمپ ارائه دهید. غلظت کمی از یون های خاص - مانند کلرید، فلوراید، یا گونه های اکسید کننده - می تواند باعث خوردگی سریع موادی شود که در غیر این صورت نسبت به جزء اصلی سیال مقاوم هستند. هرگز مواد پمپ را تنها بر اساس مقاومت در برابر جزء سیال اولیه مشخص نکنید.
• محدوده دما و فشار عملیاتی: هم شرایط عملیاتی عادی و هم حداکثر شرایط ناراحتی معتبر - از جمله حداکثر دمای بدست آمده در طول فرآیند و حداکثر فشار تخلیه در شرایط خروجی مسدود - را مشخص کنید تا اطمینان حاصل کنید که پمپ انتخابی و پوسته مهار با حاشیه مناسب برای بدترین سناریوها رتبه بندی می شوند.
• نرخ جریان و کل هد دینامیکی: دبی مورد نیاز سیستم و کل هد دینامیکی (TDH) - مجموع هد استاتیکی، سرعت سرعت و تلفات اصطکاک - را در هر دو شرایط عملکرد عادی و جریان حداقل/حداکثر محاسبه کنید. اینها را روی منحنی عملکرد سازنده پمپ رسم کنید تا بررسی کنید که نقطه کار در منطقه عملیاتی ترجیحی قرار دارد (معمولاً 70٪ تا 110٪ جریان نقطه بازده بهترین) برای اطمینان از راندمان قابل قبول، بار تحمل و پایداری هیدرولیک.
• وزن مخصوص و ویسکوزیته سیال: هر دو پارامتر مستقیماً بر نیاز نیروی هیدرولیکی در نقطه کار تأثیر می گذارند و بنابراین تعیین می کنند که آیا کوپلینگ مغناطیسی انتخاب شده دارای حاشیه گشتاور کافی است یا خیر. برای سیالاتی که به طور قابل توجهی چگال تر یا چسبناک تر از آب هستند، با سازنده بررسی کنید که درجه گشتاور کوپلینگ از مقدار نیروی مورد نیاز شفت محاسبه شده با حداقل ضریب 1.5 بیشتر است تا از جدا شدن در شرایط عملیاتی عادی جلوگیری شود.
• الزامات نظارتی و گواهینامه: برای مناطق طبقه بندی شده ATEX (اتمسفر انفجاری)، تأیید کنید که ترکیب پمپ و موتور دارای دسته گواهینامه ATEX مناسب برای طبقه بندی منطقه در محل نصب است. برای کاربردهای غذایی، دارویی یا نیمه هادی، قبل از نهایی کردن مشخصات، تأیید کنید که مواد خیس شده با خلوص یا استانداردهای مربوط به تماس با غذا - FDA، USP Class VI، یا SEMI F57 در صورت لزوم - مطابقت دارند.