Odstredivé čerpadlo pre superkritické tekutiny: Dizajn, výber a aplikácie

Nadkritické tekutiny sa nachádzajú medzi plynom a kvapalinou, čo vytvára praktický problém s pumpou. Napríklad oxid uhličitý dosahuje svoj kritický bod pri asi 31,1 °C a 7,38 MPa. Nad týmito hodnotami to nie je plyn, ale hustá, stlačiteľná tekutina. Hustota je blízka kvapaline, napriek tomu sa kvapalina stláča ako plyn. Toto správanie mení spôsob výberu pumpy a spôsob predpovedania jej výkonu.

Krátka odpoveď je, že odstredivé čerpadlo môže dobre fungovať pre superkritické tekutiny, keď je tekutina hustá a požadovaný tlakový pomer je mierny. V takýchto podmienkach je často kompaktnejší a efektívnejší ako kompresor. Čerpadlo však musí byť vybrané so skutočnými vlastnosťami kvapaliny, silnou rezervou NPSH a starostlivou stratégiou tesnenia. Predpoklady založené na vode zvyčajne končia kavitáciou alebo nízkym prietokom.

Odstredivé čerpadlo alebo kompresor? Vyberte na základe hustoty tekutiny

Kompresory sú prirodzenými kandidátmi na plyny. Odstredivé čerpadlá sú prirodzenými kandidátmi na kvapaliny. Superkritické tekutiny môžu spochybniť obe možnosti. Rozhodnutie zvyčajne závisí od hustoty kvapaliny na vstupe čerpadla a celkového nárastu tlaku potrebného pre proces.

V prípade superkritického cyklu CO2 čerpadlo často odoberá prúd podobný kvapaline v blízkosti kritického bodu a zvyšuje ho na prevádzkový tlak. Hustota na sacej strane je vysoká, zatiaľ čo kompresný pomer je relatívne nízky. To je sladká bodka pre viacstupňové odstredivé čerpadlo. Kompresor by potreboval oveľa väčší plášť a vyšší výkon na dosiahnutie rovnakého hmotnostného toku. Odstredivé čerpadlo môže vytvárať tlak s kinetickou energiou, nie znížením objemu, čo je výhodné v podmienkach hustej fázy.

Štandardná chemická pumpa API 610 pre hustú fázovú prevádzku Toto odstredivé čerpadlo API 610 je vhodné pre hustú fázu superkritického CO2, ponúka statické utesnenie na minimalizáciu úniku a podporuje vysokotlakové chemické procesy. Zobraziť produkt →

Dizajnové výzvy v odstredivom čerpadle pre superkritické služby

Skutočné vlastnosti tekutín sú dôležité

Nedimenzujte čerpadlo nadkritickej kvapaliny s vlastnosťami vody. V blízkosti kritického bodu sa hustota, viskozita a tlak pary rýchlo menia s malými zmenami teploty a tlaku. V prípade oxidu uhličitého môžu malé zmeny tlaku spôsobiť veľké posuny hustoty. Pri výpočte požadovanej dopravnej výšky čerpadla a dostupnej NPSH na sacej strane použite stavovú rovnicu skutočného plynu alebo spoľahlivú databázu vlastností.

NPSH je prvé riziko

Nadkritický CO2 v kritickom bode má tlak pár rovný kritickému tlaku. Ak kvapalina nie je podchladená hlboko pod túto podmienku, malá strata tlaku v sacom potrubí môže vytiahnuť kvapalinu do saturačného potrubia a spôsobiť blikanie. Z tohto dôvodu musí mať čerpadlo požadovaný nízky NPSH a sacie potrubie musí udržiavať tlakové straty na minime. Pomôcť môžu induktory a vertikálne viacstupňové usporiadanie. Bežnou príčinou zlyhania je kavitácia spôsobená zlou rezervou NPSH. Výsledkom môže byť hluk, vibrácie, prehĺbenie obežného kolesa a náhla strata hlavy. Ak chcete podrobný postup riešenia problémov, pozrite si časť kavitačné mechanizmy opísané v tejto príručke .

Viacstupňový alebo vysokorýchlostný dizajn

Keď je požadovaný výtlačný tlak vysoký, jednostupňové čerpadlo môže bežať príliš rýchlo alebo mať príliš veľký radiálny ťah. Viacstupňové čerpadlo je často vhodnejšie, pretože rozdeľuje hlavu na niekoľko obežných kolies. Vďaka tomu je čerpadlo stabilnejšie a umožňuje vám udržiavať primeranú rýchlosť čerpadla v prevádzke s hustou fázou.

Vertikálne viacstupňové čerpadlo pre vysokotlakové aplikácie s hustou fázou Toto vertikálne viacstupňové čerpadlo, ktoré je ideálne pre vysoký výtlačný tlak, rozdeľuje hlavu na jednotlivé stupne, pričom zachováva primeranú rýchlosť a stabilitu pri prevádzke s hustou fázou. Zobraziť produkt →

Utesnenie a uzavretie pri vysokom tlaku

Superkritické tekutiny sú často nebezpečné, toxické alebo drahé. Oxid uhličitý nie je toxický, ale je dusivý a superkritický CO2 je dobré rozpúšťadlo. Čerpadlo sa musí vyhýbať netesnostiam. Štandardné mechanické upchávky vyžadujú robustný plán preplachovania tesnenia a môžu stále emitovať malé množstvá. Pre nepretržitú bezobslužnú prevádzku existuje silný argument pre čerpadlo bez tesnenia. Zapuzdrené čerpadlá a odstredivé čerpadlá s magnetickým pohonom udržujú kvapalinu vo vnútri čerpadla bez dynamickej upchávky hriadeľa. To je dôležité pri vysokotlakových procesoch, ako aj pri aplikáciách, kde je potrebné zabrániť kontaminácii.

Vysokotlakové procesné čerpadlá pre rafinérie a chemické služby by mali spĺňať normy API 610. A magnetické chemické čerpadlo s nulovým únikom môže eliminovať riziko úniku tekutiny cez tesnenie.

Pumpa bez tesnenia pre vysokoteplotné vysokotlakové kvapaliny Toto konzervované čerpadlo, navrhnuté pre vysokoteplotné a vysokotlakové chemické médiá, používa tienený motor na elimináciu dynamických tesnení, čím sa bráni úniku v superkritických procesoch. Zobraziť produkt →

Bežné aplikácie pre odstredivé čerpadlá na superkritické tekutiny

• Superkritická extrakcia CO2 pre chmeľ, kávu, rastlinné oleje, príchute a farmaceutické prísady.
• Superkritické cykly CO2, vrátane Braytonových cyklov, kde je pracovná tekutina blízko kritického bodu pred kompresiou.
• Zlepšená ťažba ropy a ropovody na zachytávanie uhlíka, kde sa musí stlačiť a prepravovať hustý fázový CO2.
• Stlačiteľná hustá fáza etylénu v petrochemických závodoch, kde viacstupňové čerpadlo môže znížiť potrebu kompresorového systému.

Čerpadlá nie sú univerzálnym riešením. Ak je kvapalina na nasávaní veľmi podobná plynu, mali by ste začať s kompresormi. Ak proces vyžaduje veľmi vysoký tlak, ale nízky hmotnostný prietok, môže byť vhodnejšie piestové čerpadlo. Odstredivé čerpadlá sú najužitočnejšie, keď je kvapalina hustá, prietok je kontinuálny a pomer tlaku je mierny.

Kontrolný zoznam pre výber pumpy na superkritickú kvapalinu

1. Zistite presný tlak pár, hustotu, viskozitu a stlačiteľnosť pri vstupnej teplote a tlaku čerpadla. Použite stavovú rovnicu skutočného plynu pre CO2 alebo porovnateľnú metódu pre iné kvapaliny.
2. Predtým, ako požiadate dodávateľa o cenovú ponuku, definujte maximálny výtlačný tlak, menovitý výkon plášťa a prírubu.
3. Vypočítajte dostupné NPSH a ponechajte rezervu aspoň 0,5 m až 1 m nad požadovaným NPSH čerpadla.
4. Vyberte si viacstupňové alebo vysokorýchlostné čerpadlo, keď je celková dopravná výška vysoká, ale NPSH je obmedzené.
5. Vyberte stratégiu tesnenia. Ak kvapalina nemôže unikať, zvážte čerpadlá s konzervou alebo magnetickým pohonom.
6. Skontrolujte materiály z hľadiska rozpustnosti, expanzie a chemickej kompatibility. Superkritický CO2 môže pôsobiť ako rozpúšťadlo a meniť elastoméry a povlaky.
7. Zvážte prechodné procesy. Čerpadlo, ktoré vyhovuje podmienkam ustáleného stavu, môže zlyhať počas spúšťania, vypínania alebo kolísania tlaku.

Nestačí si vybrať čerpadlo s vysokou hlavou. Krivka čerpadla, rýchlosť obežného kolesa, konštrukcia plášťa a rezerva NPSH musia zodpovedať skutočnej kvapaline. Čerpadlo, ktoré funguje na vodu, bude často nesprávnou voľbou pre superkritický CO2. Toto je bežné obstarávacie riziko v projektoch procesných závodov.

Prečo je v nadkritických projektoch dôležitá skúsenosť s vybavením

Procesy superkritických tekutín sú pre mnohé inžinierske tímy stále náročné. Chovanie tekutiny nie je rovnaké ako pri vode a prevádzkové podmienky sú blízko okraja fázových hraníc. Výrobca čerpadiel, ktorý postavil procesné čerpadlá API 610, vysokotlakové čerpadlá s nádržou a vertikálne viacstupňové čerpadlá, má väčšiu šancu zachytiť detaily ešte pred objednávkou. Výrobca musí potvrdiť rezervu NPSH, hydraulický výber a metódu zadržania.

Záverečná rada: Poskytnite dodávateľovi čerpadla hmotnostný prietok, vstupnú teplotu, sací tlak a výtlačný tlak pomocou skutočných vlastností kvapaliny. To je jediný spôsob, ako získať správne odstredivé čerpadlo pre superkritické tekutiny.