Насосы мембранные химстойкие

Насосы мембранные химстойкие: конструкция, принцип действия и сферы применения

Мембранные химстойкие насосы (диафрагменные насосы) представляют собой класс объемных насосов, в которых перемещение жидкости или агрессивной среды осуществляется за счет возвратно-поступательного движения гибкой мембраны (диафрагмы), приводимой в действие механическим, гидравлическим или пневматическим способом. Ключевая особенность данных насосов — полная изоляция перекачиваемой химически активной, токсичной или абразивной среды от рабочих механизмов и окружающей среды, что обеспечивает высокую надежность и безопасность эксплуатации.

Принцип действия и конструктивные особенности

Работа мембранного насоса основана на цикличном изменении объема рабочих камер. Основные компоненты типового двух-мембранного пневматического насоса, наиболее распространенного в промышленности:

• Две мембраны (диафрагмы): Изготавливаются из эластомеров или термопластов (PTFE, EPDM, NBR, Viton, гипалон). Соединены общим штоком в центральной воздушной камере.
• Воздушный распределительный узел (пилотный клапан): Попеременно подает сжатый воздух в воздушные камеры за мембранами, обеспечивая их возвратно-поступательное движение.
• Рабочие камеры: Полости со стороны перекачиваемой среды, ограниченные мембраной и корпусом.
• Клапанные узлы (входные и выходные): Обычно шариковые или тарельчатые клапаны, обеспечивающие однонаправленный поток среды. Материалы — полипропилен (PP), поливинилденфторид (PVDF), нержавеющая сталь (AISI 316), PTFE.
• Корпус насоса: Выполняется из химически стойких материалов: PP, PVDF, алюминий с покрытием, нержавеющая сталь.

Принцип цикла: сжатый воздух подается за первую мембрану, выталкивая ее и вытесняя среду из рабочей камеры через выходной клапан. Одновременно вторая мембрана, связанная штоком с первой, совершает обратное движение, создавая разрежение в своей рабочей камере и всасывая новую порцию среды. После завершения хода воздушный распределитель переключается, и цикл повторяется для противоположной камеры. Этот процесс обеспечивает плавную, практически пульсационную подачу.

Классификация и технические характеристики

Химстойкие мембранные насосы классифицируются по нескольким ключевым параметрам:

1. По типу привода:

• Пневматические: Наиболее распространены. Привод от сети сжатого воздуха (обычно 2-7 бар). Преимущества: взрывобезопасность, возможность работы «на сухую», регулировка производительности изменением давления воздуха.
• Механические (электроприводные): Мембрана приводится в движение кривошипно-шатунным механизмом от электродвигателя. Часто имеют редуктор. Преимущества: постоянная производительность, не требуют воздушной магистрали.
• Гидравлические: Мембрана приводится в движение гидравлической жидкостью. Используются для особо ответственных применений, обеспечивают высокое и равномерное давление.

2. По материалу контактных частей (wetted parts):

Выбор материала определяет химическую стойкость насоса. Основные варианты представлены в таблице.

Таблица 1. Материалы контактных частей химстойких мембранных насосов

Материал	Тип	Основные стойкие среды	Ограничения	Температурный диапазон
PTFE (политетрафторэтилен, тефлон)	Термопласт	Практически все агрессивные химикаты (кислоты, щелочи, окислители, органические растворители). «Универсальная» химическая стойкость.	Низкая эластичность, требует армирования для мембран. Высокая стоимость.	от -40°C до +130°C
PVDF (поливинилиденфторид)	Термопласт	Галогены, сильные окислители (хлор, бром, фтор), кислоты (кроме конц. серной).	Нестоек к щелочам, некоторым полярным растворителям (ацетон).	от -20°C до +120°C
PP (полипропилен)	Термопласт	Кислоты, щелочи, водные растворы солей.	Нестоек к хлорированным и ароматическим углеводородам, окислителям. Низкая температура применения (хрупкость).	от 0°C до +80°C
EPDM (этиленпропиленовый каучук)	Эластомер	Разбавленные кислоты, щелочи, перекись водорода, горячая вода, пар.	Нестоек к маслам, топливам, большинству органических растворителей.	от -20°C до +120°C
FKM (фторкаучук, Viton®)	Эластомер	Углеводороды, масла, топлива, многие органические растворители, умеренные кислоты.	Нестоек к полярным растворителям (ацетон, метилэтилкетон), концентрированным щелочам, перегретому пару.	от -20°C до +180°C
NBR (нитрильный каучук)	Эластомер	Масла, топлива, вода, гидравлические жидкости.	Нестоек к озону, бензолу, кетонам, сильным кислотам и щелочам.	от -15°C до +100°C

3. По производительности и давлению:

Диапазон производительности промышленных химстойких мембранных насосов широк: от 10-20 л/ч для лабораторных и дозировочных моделей до 100-150 м³/ч для крупнотоннажных перекачек. Рабочее давление для пневматических моделей обычно ограничено давлением питающего воздуха (до 8-10 бар на выходе), для механических может достигать 15-20 бар и более.

Ключевые преимущества и недостатки

Преимущества:

• Абсолютная герметичность: Отсутствие сальниковых уплотнений и торцевых уплотнений вала исключает утечки, что критично для токсичных, летучих или дорогостоящих сред.
• Высокая химическая стойкость: Возможность подбора материалов, контактирующих со средой, под конкретный химикат.
• Самовсасывающая способность: Способны создавать разрежение на всасывании до 8-9 м вод. ст., могут работать с недозаполненной всасывающей линией.
• Сухой ход и способность к остановке под давлением: Насос не выйдет из строя при отсутствии среды. Пневматические модели просто останавливаются.
• Взрывобезопасность (пневмопривод): Отсутствие электрических компонентов и искрообразования.
• Перекачивание сред с высокой вязкостью и содержанием твердых включений: Большие проточные каналы и клапаны позволяют работать с суспензиями, шламами, пастообразными материалами.
• Простота обслуживания: Модульная конструкция, легкая замена мембран и клапанов.

Недостатки:

• Пульсация потока: Характерна для всех объемных насосов. Для ее сглаживания требуются демпферы пульсаций (газонаполненные или мембранные) на напорной линии.
• Ограниченный ресурс мембран: Мембраны являются расходным материалом, их срок службы зависит от давления, температуры, химической и абразивной нагрузки.
• Шумность (пневматические): Шум от выхлопа сжатого воздуха, требует установки глушителей.
• Низкий КПД (пневматические): Зависит от соотношения давлений воздуха и перекачиваемой среды. Энергоэффективность ниже, чем у центробежных насосов.
• Чувствительность к замерзанию конденсата в воздушной системе (пневматические): Требует подготовки воздуха (осушение, смазка).

Области применения в энергетике и смежных отраслях

Химстойкие мембранные насосы находят широкое применение в следующих технологических процессах:

• Водоподготовка и химводоочистка (ХВО) ТЭС и АЭС: Перекачка и дозирование реагентов (коагулянты, флокулянты, растворы гипохлорита натрия, соляной и серной кислоты, щелочи).
• Системы дымоулавливания (десульфуризация, SCR/SNCR): Перекачка суспензий известняка, растворов аммиака, карбамида.
• Очистка сточных вод: Откачка шламов, осадков, дозирование химикатов для нейтрализации и обеззараживания.
• Топливно-энергетический комплекс: Перекачка топочного мазута, химикатов для подготовки буровых растворов, откачка нефтесодержащих отходов.
• Гальваническое производство и травление: Перекачка электролитов, кислотных и щелочных растворов для обработки металлов.
• Химическая и фармацевтическая промышленность: Основное средство для перекачки промежуточных продуктов, растворителей, лаков, красок, клеев.

Критерии выбора и особенности монтажа

При подборе насоса необходимо учитывать:

1. Свойства перекачиваемой среды: Химический состав, концентрация, температура, плотность, вязкость, наличие абразивных частиц (размер, концентрация).
2. Режим работы: Непрерывный или циклический, необходимость регулировки производительности.
3. Параметры системы: Требуемая производительность (л/ч, м³/ч), напор (давление на выходе, бар), высота всасывания, длина трубопровода, диаметры патрубков.
4. Материальная совместимость: Выбор комбинации материалов корпуса, мембраны и клапанов по таблицам химической стойкости.
5. Источник энергии: Наличие и параметры сжатого воздуха (давление, расход, качество) или электрической сети (напряжение, частота).

Особенности монтажа:

• Установка на жесткое, виброизолированное основание.
• Обязательное использование гибких соединений (вибровставки) на входных и выходных патрубках для компенсации вибраций.
• Для пневматических насосов — установка фильтра-влагоотделителя, регулятора давления с манометром и маслораспылителя (если рекомендовано производителем) на воздушной линии. Выхлопной глушитель обязателен.
• На всасывающей линии рекомендуется установка фильтра для защиты клапанов от крупных частиц, на напорной — обратного клапана и демпфера пульсаций.
• При перекачке абразивных сред скорость потока в трубопроводах должна быть минимально необходимой для предотвращения заиливания.

Обслуживание и диагностика неисправностей

Регламентное обслуживание включает визуальный осмотр, проверку крепежа, очистку воздушного фильтра (для пневмопривода). Основные расходные материалы — мембраны и клапанные узлы. Признаки износа мембран: падение производительности, течь среды в воздушный выхлоп, вибрация. Признаки износа клапанов: падение напора, повышенная пульсация, обратный ток при остановке.

Таблица 2. Типовые неисправности и методы их устранения

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как правильно подобрать материал мембраны для конкретной химической среды?

Необходимо руководствоваться таблицами химической стойкости, предоставляемыми производителями эластомеров и насосов. Для сложных сред (смеси, температура, абразив) рекомендуется проводить натурные испытания на образцах материала или консультироваться с техническими специалистами поставщика насосного оборудования. Универсальным, но дорогим решением для большинства агрессивных сред является армированная PTFE мембрана.

Чем отличается мембранный насос от перистальтического (шлангового)?

Оба типа относятся к объемным насосам с изолированной проточной частью. Основное отличие в принципе действия: в перистальтическом насосе среда полностью содержится в гибком шланге, который пережимается роликами. Мембранный насос имеет клапанную систему. Перистальтические насосы часто используются для дозирования, имеют меньшее количество деталей, контактирующих со средой (только шланг), но, как правило, уступают мембранным в давлении, производительности и способности перекачивать среды с высоким содержанием твердых частиц.

Можно ли использовать пневматический мембранный насос для дозирования?

Да, но с ограничениями. Для точного дозирования (погрешность менее 1-2%) пневматические насосы менее пригодны из-за зависимости производительности от противодавления в линии и давления воздуха. Для этих целей применяют специальные дозировочные мембранные насосы с электромеханическим приводом и точной регулировкой длины или частоты хода. Пневматические насосы могут использоваться для грубого дозирования или перекачки, где требуется регулировка производительности в широком диапазоне.

Как рассчитать требуемый расход сжатого воздуха для пневматического насоса?

Расход воздуха (в литрах в минуту при нормальных условиях) примерно в 1.5-2.5 раза превышает производительность насоса по жидкости (в л/мин) при заданном давлении. Точное значение зависит от модели, соотношения давлений и вязкости среды. Необходимые данные указываются в технической документации насоса в виде графиков или таблиц зависимости «расход воздуха – производительность – давление».

Как продлить срок службы мембран и клапанов при перекачке абразивных суспензий?

Рекомендуется: снизить рабочие давление и частоту ходов до минимально необходимых; подобрать специальные материалы мембран (например, PTFE с износостойким наполнителем); использовать шариковые клапаны из износостойких материалов (карбид вольфрама, керамика); установить на всасывающей линии фильтр грубой очистки (с ячейкой больше максимального размера частиц в суспензии, чтобы не нарушать реологию); обеспечить плавный подвод среды к клапанам (правильная конструкция трубопровода).

Требуется ли защита от «сухого хода» для мембранного насоса?

Для пневматических мембранных насосов защита от сухого хода не требуется — при отсутствии среды насос будет продолжать работать без повреждений, хотя возможен ускоренный износ мембран из-за повышенного трения. Для электромеханических мембранных насосов длительная работа без среды нежелательна, так как может привести к перегреву двигателя и повышенным нагрузкам на механические части. В ответственных случаях рекомендуется использование датчиков давления или потока на выходе насоса, отключающих привод.

Заключение

Химстойкие мембранные насосы являются незаменимым техническим решением для безопасной и надежной перекачки агрессивных, токсичных, вязких и абразивных сред в энергетике, химической промышленности и водоочистке. Их выбор требует тщательного анализа условий эксплуатации и свойств перекачиваемой среды, прежде всего, для корректного подбора материалов контактных частей. Понимание принципа работы, преимуществ и ограничений данного типа насосов позволяет эксплуатирующему персоналу обеспечивать их максимальную эффективность, долговечность и безопасность, минимизируя эксплуатационные риски и затраты на обслуживание.