Pompă centrifugă pentru fluide supercritice: proiectare, selecție și aplicații

Fluidele supercritice stau între gaz și lichid, ceea ce creează o problemă practică a pompei. Dioxidul de carbon, de exemplu, atinge punctul critic la aproximativ 31,1°C și 7,38 MPa. Peste aceste valori, nu este un gaz, ci un fluid dens, compresibil. Densitatea este apropiată de un lichid, dar fluidul se comprimă ca un gaz. Acest comportament modifică modul în care selectați o pompă și modul în care preziceți performanța acesteia.

Răspunsul scurt este că o pompă centrifugă poate funcționa bine pentru fluide supercritice atunci când fluidul este dens și raportul de presiune necesar este moderat. Este adesea mai compact și mai eficient decât un compresor în acele condiții. Dar pompa trebuie selectată cu proprietăți reale de fluid, o marjă NPSH puternică și o strategie de etanșare atentă. Ipotezele bazate pe apă se vor termina de obicei cu cavitație sau debit scăzut.

Pompă centrifugă sau compresor? Alegeți pe baza densității fluidului

Compresoarele sunt candidați naturali pentru gaze. Pompele centrifuge sunt candidați naturali pentru lichide. Fluidele supercritice pot face ambele opțiuni discutabile. Decizia se reduce de obicei la densitatea fluidului la admisia pompei și la creșterea totală a presiunii necesară procesului.

Pentru un ciclu CO2 supercritic, pompa preia adesea un flux asemănător unui lichid în apropierea punctului critic și îl ridică la presiunea de funcționare. Densitatea pe partea de aspirație este mare, în timp ce raportul de compresie este relativ scăzut. Acesta este punctul ideal pentru o pompă centrifugă cu mai multe trepte. Un compresor ar avea nevoie de o carcasă mult mai mare și de o putere mai mare pentru a obține același debit de masă. Pompa centrifugă poate produce presiune cu energie cinetică, nu prin reducerea volumului, ceea ce este favorabil în condiții de fază densă.

Pompă chimică standard API 610 pentru service în fază densă Această pompă centrifugă API 610 este potrivită pentru serviciul de CO2 supercritic în fază densă, oferind etanșare statică pentru a minimiza scurgerile și susține procesele chimice de înaltă presiune. Vizualizare produs →

Provocări de proiectare într-o pompă centrifugă pentru serviciu supercritic

Proprietățile reale ale fluidului contează

Nu dimensionați o pompă de fluid supercritic cu proprietăți ale apei. Aproape de punctul critic, densitatea, vâscozitatea și presiunea vaporilor se modifică toate rapid cu mici schimbări de temperatură și presiune. Pentru dioxidul de carbon, schimbările mici de presiune pot provoca schimbări mari de densitate. Utilizați o ecuație de stare a gazului real sau o bază de date de proprietăți fiabilă atunci când calculați înălțimea necesară a pompei și NPSH-ul de aspirație disponibil.

NPSH este primul risc

CO2 supercritic în punctul critic are o presiune de vapori egală cu presiunea critică. Dacă fluidul nu este subrăcit cu mult sub această condiție, o mică pierdere de presiune în conducta de aspirație poate trage lichidul pe linia de saturație și poate provoca intermitent. Acesta este motivul pentru care pompa trebuie să aibă un NPSH scăzut necesar, iar conducta de aspirație trebuie să mențină pierderile de presiune la minimum. Inductorii și aranjamentele verticale în mai multe etape pot ajuta. O cauză comună a eșecului este cavitația cauzată de o marjă slabă a NPSH. Rezultatul poate fi zgomot, vibrații, pitting rotor și pierderea bruscă a capului. Dacă doriți o abordare detaliată de depanare, consultați mecanismele de cavitație descrise în acest ghid .

Proiectare în mai multe etape sau de mare viteză

Când presiunea de refulare necesară este mare, o pompă cu o singură treaptă poate funcționa prea repede sau poate avea o forță radială prea mare. O pompă cu mai multe trepte este adesea o potrivire mai bună, deoarece împarte capul în mai multe rotoare. Acest lucru face pompa mai stabilă și vă permite să mențineți viteza rezonabilă a pompei în funcționarea în fază densă.

Pompă verticală cu mai multe trepte pentru aplicații cu fază densă de înaltă presiune Ideală pentru presiunea de refulare ridicată, această pompă verticală cu mai multe trepte împarte înălțimea în trepte, menținând viteza și stabilitatea rezonabile în operațiunile cu fază densă. Vizualizare produs →

Etanșare și izolare la presiune ridicată

Fluidele supercritice sunt adesea periculoase, toxice sau scumpe. Dioxidul de carbon nu este toxic, dar este asfixiant, iar CO2 supercritic este un solvent bun. Pompa trebuie să evite scurgerile. Etanșările mecanice standard necesită un plan robust de spălare a etanșării și pot încă emite cantități mici. Pentru service continuu, nesupravegheat, există un argument puternic pentru o pompă fără etanșare. Pompele conservate și pompele centrifuge cu antrenare magnetică păstrează fluidul în interiorul pompei fără o etanșare dinamică a arborelui. Acest lucru este important pentru procesele de înaltă presiune, precum și pentru aplicațiile în care contaminarea trebuie evitată.

Pompele de proces de înaltă presiune pentru rafinărie și servicii chimice trebuie să respecte standardele API 610. A pompă chimică magnetică fără scurgeri poate elimina riscul scăpării fluidului prin garnitură.

Pompă conservată fără etanșare pentru fluide de înaltă presiune și temperatură înaltă Proiectată pentru medii chimice de înaltă temperatură și presiune, această pompă conservată folosește un motor ecranat pentru a elimina etanșările dinamice, prevenind scurgerile în procesele supercritice. Vizualizare produs →

Aplicații comune pentru pompe centrifuge pe fluide supercritice

• Extracție cu CO2 supercritic pentru hamei, cafea, uleiuri botanice, arome și ingrediente farmaceutice.
• Cicluri de alimentare cu CO2 supercritic, inclusiv cicluri Brayton în care fluidul de lucru este aproape de punctul critic înainte de comprimare.
• Conducte îmbunătățite de recuperare a petrolului și captare a carbonului, unde CO2 în fază densă trebuie presurizat și transportat.
• Serviciu de etilenă compresibilă în fază densă în fabrici petrochimice, unde o pompă cu mai multe etape poate reduce necesitatea unui sistem de compresor.

Pompele nu sunt o soluție universală. Dacă fluidul la aspirație este foarte asemănător gazului, ar trebui să începeți cu compresoare. Dacă procesul necesită o presiune foarte mare, dar un debit de masă scăzut, o pompă cu piston poate fi mai potrivită. Pompele centrifuge sunt cele mai utile atunci când fluidul este dens, debitul este continuu și raportul de presiune este moderat.

Lista de verificare pentru selecția unei pompe de fluid supercritic

1. Obțineți presiunea vaporilor, densitatea, vâscozitatea și compresibilitatea exacte la temperatura și presiunea de intrare a pompei. Utilizați o ecuație de stare a gazului real pentru CO2 sau o metodă comparabilă pentru alte fluide.
2. Definiți presiunea maximă de refulare, valoarea nominală a carcasei și valoarea nominală a flanșei înainte de a cere unui furnizor să ofere oferte.
3. Calculați NPSH disponibil și păstrați o marjă de cel puțin 0,5 m până la 1 m deasupra NPSH-ului necesar al pompei.
4. Alegeți o pompă cu mai multe trepte sau de mare viteză atunci când înălțimea totală este mare, dar NPSH este limitat.
5. Selectați o strategie de etanșare. Luați în considerare pompele conservate sau cu antrenare magnetică dacă lichidul nu poate fi lăsat să se scurgă.
6. Verificați materialele pentru solubilitate, expansiune și compatibilitate chimică. CO2 supercritic poate acționa ca un solvent și poate modifica elastomerii și acoperirile.
7. Luați în considerare tranzitorii de proces. O pompă care îndeplinește condițiile de echilibru se poate defecta în timpul pornirii, opririi sau schimbărilor de presiune.

Nu este suficient să alegeți o pompă cu cap mare. Curba pompei, viteza rotorului, designul carcasei și marja NPSH trebuie să fie potrivite cu fluidul real. O pompă care funcționează pentru apă va fi adesea alegerea greșită pentru CO2 supercritic. Acesta este un risc comun de achiziție în proiectele de uzine de proces.

De ce este importantă experiența echipamentelor în proiectele supercritice

Procesele cu fluide supercritice sunt încă o provocare pentru multe echipe de inginerie. Comportamentul fluidului nu este același cu cel al apei, iar condițiile de funcționare sunt aproape de granițele fazelor. Un producător de pompe care a construit pompe de proces API 610, pompe conservate de înaltă presiune și pompe verticale cu mai multe trepte are o șansă mai mare de a înțelege detaliile înainte de a comanda. Producătorul trebuie să confirme împreună marja NPSH, selecția hidraulică și metoda de izolare.

Sfat final: oferiți furnizorului pompei debitul de masă, temperatura de intrare, presiunea de aspirație și presiunea de refulare folosind proprietățile reale ale fluidului. Acesta este singurul mod de a obține pompa centrifugă corectă pentru fluide supercritice.