Odstředivé čerpadlo pro superkritické tekutiny: Návrh, výběr a aplikace

Nadkritické tekutiny se nacházejí mezi plynem a kapalinou, což vytváří praktický problém s čerpadlem. Například oxid uhličitý dosahuje svého kritického bodu při asi 31,1 °C a 7,38 MPa. Nad těmito hodnotami to není plyn, ale hustá, stlačitelná tekutina. Hustota se blíží kapalině, přesto se kapalina stlačuje jako plyn. Toto chování mění způsob výběru čerpadla a způsob předvídání jeho výkonu.

Krátká odpověď je, že odstředivé čerpadlo může dobře fungovat pro superkritické tekutiny, když je tekutina hustá a požadovaný tlakový poměr je mírný. V těchto podmínkách je často kompaktnější a účinnější než kompresor. Čerpadlo však musí být vybráno s ohledem na skutečné vlastnosti kapaliny, silnou rezervu NPSH a pečlivou strategii těsnění. Předpoklady založené na vodě obvykle skončí kavitací nebo nízkým průtokem.

Odstředivé čerpadlo nebo kompresor? Vyberte na základě hustoty tekutiny

Kompresory jsou přirozenými kandidáty na plyny. Odstředivá čerpadla jsou přirozenými kandidáty na kapaliny. Superkritické tekutiny mohou obě možnosti zpochybnit. Rozhodnutí obvykle závisí na hustotě kapaliny na vstupu čerpadla a celkovém nárůstu tlaku potřebného pro proces.

U superkritického cyklu CO2 čerpadlo často odebírá proud podobný kapalině v blízkosti kritického bodu a zvyšuje jej na provozní tlak. Hustota na sací straně je vysoká, zatímco kompresní poměr je relativně nízký. To je ta nejlepší tečka pro vícestupňové odstředivé čerpadlo. Kompresor by potřeboval mnohem větší plášť a vyšší výkon, aby dosáhl stejného hmotnostního průtoku. Odstředivé čerpadlo může vytvářet tlak s kinetickou energií, nikoli snižováním objemu, což je příznivé v podmínkách husté fáze.

Standardní chemické čerpadlo API 610 pro provoz v husté fázi Toto odstředivé čerpadlo API 610 je vhodné pro superkritický CO2 provoz s hustou fází, nabízí statické těsnění pro minimalizaci úniků a podporuje vysokotlaké chemické procesy. Zobrazit produkt →

Návrhové výzvy v odstředivém čerpadle pro superkritické služby

Skutečné vlastnosti kapalin jsou důležité

Nedimenzujte čerpadlo superkritické kapaliny s vlastnostmi vody. V blízkosti kritického bodu se hustota, viskozita a tlak par rychle mění s malými změnami teploty a tlaku. U oxidu uhličitého mohou malé změny tlaku způsobit velké posuny hustoty. Při výpočtu požadované dopravní výšky čerpadla a dostupného NPSH na sací straně použijte stavovou rovnici skutečného plynu nebo spolehlivou databázi vlastností.

NPSH je první riziko

Nadkritický CO2 v kritickém bodě má tlak par rovný kritickému tlaku. Pokud není kapalina podchlazená hluboko pod tuto podmínku, malá tlaková ztráta v sacím potrubí může vytáhnout kapalinu do saturačního potrubí a způsobit blikání. Proto musí mít čerpadlo požadovaný nízký NPSH a sací potrubí musí udržovat tlakové ztráty na minimu. Pomoci mohou induktory a vertikální vícestupňová uspořádání. Častou příčinou selhání je kavitace způsobená špatnou rezervou NPSH. Důsledkem může být hluk, vibrace, prohlubně oběžného kola a náhlá ztráta hlavy. Pokud chcete podrobný přístup k řešení problémů, podívejte se na kavitační mechanismy popsané v této příručce .

Vícestupňový nebo vysokorychlostní design

Když je požadovaný výtlačný tlak vysoký, jednostupňové čerpadlo může běžet příliš rychle nebo mít příliš velký radiální tah. Vícestupňové čerpadlo je často vhodnější, protože rozděluje hlavu na několik oběžných kol. Díky tomu je čerpadlo stabilnější a umožňuje vám udržovat přiměřenou rychlost čerpadla v provozu s hustou fází.

Vertikální vícestupňové čerpadlo pro vysokotlaké aplikace s hustou fází Toto vertikální vícestupňové čerpadlo, ideální pro vysoký výtlačný tlak, rozděluje hlavu na jednotlivé stupně a udržuje přiměřenou rychlost a stabilitu v hustých fázích. Zobrazit produkt →

Utěsnění a uzavření při vysokém tlaku

Superkritické tekutiny jsou často nebezpečné, toxické nebo drahé. Oxid uhličitý není toxický, ale je dusivý a superkritický CO2 je dobré rozpouštědlo. Čerpadlo musí zabránit netěsnostem. Standardní mechanické ucpávky vyžadují robustní plán proplachu ucpávky a přesto mohou emitovat malá množství. Pro nepřetržitý bezobslužný provoz existuje silný argument pro bezucpávkové čerpadlo. Zapouzdřená čerpadla a odstředivá čerpadla s magnetickým pohonem udržují kapalinu uvnitř čerpadla bez dynamické hřídelové ucpávky. To je důležité pro vysokotlaké procesy i pro aplikace, kde je třeba zabránit kontaminaci.

Vysokotlaká procesní čerpadla pro rafinerii a chemický provoz by měla splňovat standardy API 610. A magnetické chemické čerpadlo s nulovým únikem může eliminovat riziko úniku tekutiny přes těsnění.

Čerpadlo bez těsnění pro vysokoteplotní vysokotlaké kapaliny Toto zapouzdřené čerpadlo, navržené pro vysokoteplotní a vysokotlaká chemická média, používá stíněný motor k odstranění dynamických těsnění a zabránění úniku v superkritických procesech. Zobrazit produkt →

Společné aplikace pro odstředivá čerpadla na superkritické kapaliny

• Superkritická extrakce CO2 pro chmel, kávu, rostlinné oleje, příchutě a farmaceutické přísady.
• Superkritické cykly CO2, včetně Braytonových cyklů, kdy je pracovní tekutina před kompresí blízko kritického bodu.
• Zlepšená těžba ropy a potrubí pro zachycování uhlíku, kde je třeba stlačovat a přepravovat hustý fázový CO2.
• Stlačitelný etylen v husté fázi v petrochemických závodech, kde vícestupňové čerpadlo může snížit potřebu kompresorového systému.

Čerpadla nejsou univerzálním řešením. Pokud je kapalina na sání velmi podobná plynu, měli byste začít s kompresory. Pokud proces vyžaduje velmi vysoký tlak, ale nízký hmotnostní průtok, může být vhodnější plunžrové čerpadlo. Odstředivá čerpadla jsou nejužitečnější, když je kapalina hustá, průtok je kontinuální a tlakový poměr je mírný.

Kontrolní seznam pro výběr čerpadla superkritické kapaliny

1. Získejte přesný tlak par, hustotu, viskozitu a stlačitelnost při vstupní teplotě a tlaku čerpadla. Použijte stavovou rovnici reálného plynu pro CO2 nebo srovnatelnou metodu pro jiné kapaliny.
2. Než požádáte dodavatele o cenovou nabídku, definujte maximální výtlačný tlak, jmenovité hodnoty pláště a jmenovité hodnoty příruby.
3. Vypočítejte dostupné NPSH a udržujte rezervu alespoň 0,5 m až 1 m nad požadovanou NPSH čerpadla.
4. Zvolte vícestupňové nebo vysokorychlostní čerpadlo, když je celková dopravní výška vysoká, ale NPSH je omezená.
5. Vyberte strategii těsnění. Pokud kapalina nemůže uniknout, zvažte pumpy s konzervou nebo magnetickým pohonem.
6. Zkontrolujte materiály z hlediska rozpustnosti, expanze a chemické kompatibility. Superkritický CO2 může působit jako rozpouštědlo a měnit elastomery a povlaky.
7. Zvažte přechodné procesy. Čerpadlo, které vyhovuje podmínkám ustáleného stavu, může selhat během spouštění, vypínání nebo kolísání tlaku.

Nestačí vybrat čerpadlo s vysokou hlavou. Křivka čerpadla, otáčky oběžného kola, konstrukce skříně a rezerva NPSH musí odpovídat skutečné kapalině. Čerpadlo, které funguje na vodu, bude často špatnou volbou pro superkritický CO2. Toto je běžné nákupní riziko v projektech procesních závodů.

Proč je u nadkritických projektů důležitá zkušenost s vybavením

Procesy superkritických tekutin jsou pro mnoho inženýrských týmů stále náročné. Chování kapaliny není stejné jako u vody a provozní podmínky jsou blízko okraje fázových hranic. Výrobce čerpadel, který postavil procesní čerpadla API 610, vysokotlaká čerpadla se zásobníkem a vertikální vícestupňová čerpadla, má větší šanci zachytit detaily ještě před objednávkou. Výrobce musí společně potvrdit rezervu NPSH, hydraulický výběr a metodu uzavření.

Závěrečná rada: sdělte dodavateli čerpadla hmotnostní průtok, vstupní teplotu, sací tlak a výtlačný tlak s využitím skutečných vlastností kapaliny. To je jediný způsob, jak získat správné odstředivé čerpadlo pro superkritické tekutiny.