Pompa odśrodkowa do płynów nadkrytycznych: projektowanie, dobór i zastosowania

Płyny nadkrytyczne znajdują się pomiędzy gazem i cieczą, co stwarza praktyczny problem z pompą. Na przykład dwutlenek węgla osiąga punkt krytyczny przy około 31,1°C i 7,38 MPa. Powyżej tych wartości nie jest to gaz, ale gęsty, ściśliwy płyn. Gęstość jest zbliżona do cieczy, a mimo to ciecz kompresuje się jak gaz. To zachowanie zmienia sposób wyboru pompy i przewidywania jej wydajności.

Krótka odpowiedź jest taka, że ​​pompa odśrodkowa może dobrze pracować w przypadku płynów nadkrytycznych, gdy płyn jest gęsty, a wymagany stosunek ciśnień jest umiarkowany. W takich warunkach jest często bardziej kompaktowy i wydajniejszy niż sprężarka. Jednak pompę należy wybrać pod kątem rzeczywistych właściwości cieczy, dużego marginesu NPSH i ostrożnej strategii uszczelniania. Założenia dotyczące wody zwykle kończą się kawitacją lub niskim przepływem.

Pompa odśrodkowa czy sprężarka? Wybierz opcję Na podstawie gęstości płynu

Sprężarki są naturalnymi kandydatami na gazy. Pompy odśrodkowe są naturalnymi kandydatami na ciecze. Płyny nadkrytyczne mogą sprawić, że obie opcje będą wątpliwe. Decyzja zwykle sprowadza się do gęstości płynu na wlocie pompy i całkowitego wzrostu ciśnienia wymaganego w procesie.

W przypadku cyklu nadkrytycznego CO2 pompa często pobiera strumień cieczy w pobliżu punktu krytycznego i podnosi go do ciśnienia roboczego. Gęstość po stronie ssawnej jest wysoka, natomiast stopień sprężania jest stosunkowo niski. To jest idealne miejsce dla wielostopniowej pompy odśrodkowej. Sprężarka potrzebowałaby znacznie większej obudowy i większej mocy, aby osiągnąć ten sam przepływ masowy. Pompa odśrodkowa może wytwarzać ciśnienie za pomocą energii kinetycznej, a nie poprzez zmniejszanie objętości, co jest korzystne w warunkach fazy gęstej.

Standardowa pompa chemiczna API 610 do pracy w fazie gęstej Ta pompa odśrodkowa API 610 jest przeznaczona do pracy w trybie nadkrytycznym CO2 w fazie gęstej, oferując uszczelnienie statyczne w celu zminimalizowania wycieków i wspierając procesy chemiczne pod wysokim ciśnieniem. Zobacz produkt →

Wyzwania projektowe dotyczące pompy odśrodkowej do pracy w warunkach nadkrytycznych

Rzeczywiste właściwości cieczy mają znaczenie

Nie dobieraj pompy do cieczy nadkrytycznej o właściwościach wody. W pobliżu punktu krytycznego gęstość, lepkość i prężność pary zmieniają się szybko przy niewielkich zmianach temperatury i ciśnienia. W przypadku dwutlenku węgla małe zmiany ciśnienia mogą powodować duże zmiany gęstości. Do obliczenia wymaganej wysokości podnoszenia pompy i dostępnego NPSH po stronie ssawnej należy zastosować równanie stanu gazu rzeczywistego lub wiarygodną bazę danych właściwości.

NPSH jest pierwszym ryzykiem

Nadkrytyczny CO2 w punkcie krytycznym ma prężność pary równą ciśnieniu krytycznemu. Jeśli płyn nie zostanie przechłodzony znacznie poniżej tego warunku, niewielka utrata ciśnienia w przewodzie ssącym może wciągnąć płyn do linii nasycenia i spowodować miganie. Z tego powodu pompa musi mieć niski wymagany NPSH, a rurociąg ssawny musi ograniczać straty ciśnienia do minimum. Pomocne mogą być induktory i pionowe układy wielostopniowe. Częstą przyczyną awarii jest kawitacja spowodowana słabym marginesem NPSH. Skutkiem może być hałas, wibracje, wżery na wirniku i nagła utrata ciśnienia. Jeśli potrzebujesz szczegółowego podejścia do rozwiązywania problemów, zobacz mechanizmy kawitacyjne opisane w tym przewodniku .

Projekt wieloetapowy lub szybki

Gdy wymagane ciśnienie tłoczenia jest wysokie, pompa jednostopniowa może pracować zbyt szybko lub mieć zbyt duży ciąg promieniowy. Pompa wielostopniowa jest często lepszym rozwiązaniem, ponieważ dzieli głowicę na kilka wirników. Dzięki temu pompa jest bardziej stabilna i pozwala utrzymać prędkość pompy na rozsądnym poziomie w przypadku pracy w fazie gęstej.

Pionowa pompa wielostopniowa do zastosowań w fazie gęstej pod wysokim ciśnieniem Ta pionowa pompa wielostopniowa, idealna do pracy przy wysokim ciśnieniu tłoczenia, dzieli głowicę na etapy, utrzymując rozsądną prędkość i stabilność w operacjach w fazie gęstej. Zobacz produkt →

Uszczelnienie i zabezpieczenie pod wysokim ciśnieniem

Płyny nadkrytyczne często są niebezpieczne, toksyczne lub drogie. Dwutlenek węgla nie jest toksyczny, ale jest duszący, a nadkrytyczny CO2 jest dobrym rozpuszczalnikiem. Pompa musi unikać wycieków. Standardowe uszczelnienia mechaniczne wymagają solidnego planu płukania uszczelek i nadal mogą emitować niewielkie ilości. W przypadku ciągłej pracy bez nadzoru mocny argument przemawia za pompą bez uszczelnienia. Pompy w obudowach i pompy odśrodkowe z napędem magnetycznym utrzymują płyn wewnątrz pompy bez dynamicznego uszczelnienia wału. Ma to znaczenie w przypadku procesów wysokociśnieniowych, a także zastosowań, w których należy unikać zanieczyszczeń.

Wysokociśnieniowe pompy procesowe dla rafinerii i przemysłu chemicznego powinny spełniać standardy API 610. A magnetyczna pompa chemiczna o zerowym wycieku może wyeliminować ryzyko wycieku płynu przez uszczelkę.

Pompa w puszce bez uszczelnień do płynów o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem Ta pompa w puszce, zaprojektowana do pracy z mediami chemicznymi o wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, wykorzystuje ekranowany silnik, aby wyeliminować uszczelnienia dynamiczne i zapobiec wyciekom w procesach nadkrytycznych. Zobacz produkt →

Typowe zastosowania pomp odśrodkowych do płynów nadkrytycznych

• Ekstrakcja nadkrytycznym CO2 do chmielu, kawy, olejków roślinnych, aromatów i składników farmaceutycznych.
• Cykle zasilania CO2 w stanie nadkrytycznym, w tym cykle Braytona, w których płyn roboczy znajduje się w pobliżu punktu krytycznego przed sprężaniem.
• Ulepszone rurociągi do odzyskiwania ropy naftowej i wychwytywania dwutlenku węgla, w przypadku których CO2 w fazie gęstej musi być sprężany i transportowany.
• Usługa sprężonego etylenu w fazie gęstej w zakładach petrochemicznych, gdzie wielostopniowa pompa może zmniejszyć potrzebę stosowania układu sprężarkowego.

Pompy nie są rozwiązaniem uniwersalnym. Jeśli płyn na zasysaniu ma charakter bardzo gazowy, należy zacząć od sprężarek. Jeśli proces wymaga bardzo wysokiego ciśnienia, ale małego przepływu masowego, bardziej odpowiednia może być pompa nurnikowa. Pompy odśrodkowe są najbardziej przydatne, gdy płyn jest gęsty, przepływ jest ciągły, a stosunek ciśnień jest umiarkowany.

Lista kontrolna wyboru pompy do cieczy nadkrytycznych

1. Uzyskać dokładne ciśnienie pary, gęstość, lepkość i ściśliwość przy temperaturze i ciśnieniu na wlocie pompy. Użyj równania stanu gazu rzeczywistego dla CO2 lub porównywalnej metody dla innych płynów.
2. Zanim poprosisz dostawcę o wycenę, określ maksymalne ciśnienie tłoczenia, parametry obudowy i parametry kołnierza.
3. Oblicz dostępne NPSH i zachowaj margines co najmniej 0,5 m do 1 m powyżej wymaganego NPSH pompy.
4. Wybierz pompę wielostopniową lub szybką, gdy całkowita wysokość podnoszenia jest wysoka, ale NPSH jest ograniczone.
5. Wybierz strategię uszczelniania. Jeśli nie można dopuścić do wycieku płynu, należy rozważyć pompy w puszce lub pompy z napędem magnetycznym.
6. Przejrzyj materiały pod kątem rozpuszczalności, rozszerzalności i zgodności chemicznej. Nadkrytyczny CO2 może działać jako rozpuszczalnik i zmieniać elastomery i powłoki.
7. Weź pod uwagę stany nieustalone procesu. Pompa spełniająca warunki stanu ustalonego może ulec awarii podczas uruchamiania, wyłączania lub wahań ciśnienia.

Nie wystarczy wybrać pompę z dużą wysokością podnoszenia. Krzywa pompy, prędkość wirnika, konstrukcja obudowy i margines NPSH muszą być dopasowane do rzeczywistej cieczy. Pompa przeznaczona do wody będzie często złym wyborem w przypadku CO2 w stanie nadkrytycznym. Jest to powszechne ryzyko związane z zaopatrzeniem w projektach zakładów przetwórczych.

Dlaczego doświadczenie sprzętowe ma znaczenie w projektach nadkrytycznych

Procesy z użyciem płynu nadkrytycznego nadal stanowią wyzwanie dla wielu zespołów inżynierskich. Zachowanie płynu nie jest takie samo jak wody, a warunki pracy znajdują się w pobliżu krawędzi granic faz. Producent pomp, który zbudował pompy procesowe API 610, wysokociśnieniowe pompy puszkowe i pionowe pompy wielostopniowe, ma większą szansę na uchwycenie szczegółów przed złożeniem zamówienia. Producent musi łącznie potwierdzić margines NPSH, dobór układu hydraulicznego i metodę zabezpieczenia.

Końcowa rada: podaj dostawcy pompy przepływ masowy, temperaturę wlotową, ciśnienie ssania i ciśnienie tłoczenia, wykorzystując rzeczywiste właściwości płynu. Tylko w ten sposób można uzyskać odpowiednią pompę odśrodkową do płynów nadkrytycznych.