Centrifugalpumpe til superkritiske væsker: design, udvælgelse og anvendelser

Superkritiske væsker sidder mellem gas og væske, og det skaber et praktisk pumpeproblem. Kuldioxid når f.eks. sit kritiske punkt ved ca. 31,1°C og 7,38 MPa. Over disse værdier er det ikke en gas, men en tæt, komprimerbar væske. Densiteten er tæt på en væske, men alligevel komprimeres væsken som en gas. Denne adfærd ændrer, hvordan du vælger en pumpe, og hvordan du forudsiger dens ydeevne.

Det korte svar er, at en centrifugalpumpe kan fungere godt til superkritiske væsker, når væsken er tæt, og det nødvendige trykforhold er moderat. Den er ofte mere kompakt og mere effektiv end en kompressor under disse forhold. Men pumpen skal vælges med reelle væskeegenskaber, en stærk NPSH-margin og en omhyggelig tætningsstrategi. Vandbaserede antagelser vil normalt ende i kavitation eller lavt flow.

Centrifugalpumpe eller kompressor? Vælg baseret på væskedensitet

Kompressorer er naturlige kandidater til gasser. Centrifugalpumper er naturlige kandidater til væsker. Superkritiske væsker kan gøre begge muligheder tvivlsomme. Beslutningen kommer normalt til væskedensiteten ved pumpens indløb og den samlede trykstigning, der er nødvendig for processen.

For en superkritisk CO2-cyklus tager pumpen ofte en væskelignende strøm nær det kritiske punkt og hæver den til driftstrykket. Densiteten på sugesiden er høj, mens kompressionsforholdet er relativt lavt. Det er det søde sted for en flertrins centrifugalpumpe. En kompressor ville have brug for et meget større hus og højere effekt for at opnå det samme masseflow. Centrifugalpumpen kan producere tryk med kinetisk energi, ikke ved at reducere volumen, hvilket er gunstigt under tætfaseforhold.

API 610 standard kemisk pumpe til tætfaseservice Denne API 610 centrifugalpumpe er velegnet til tætfase superkritisk CO2-service og tilbyder statisk forsegling for at minimere lækage og understøtter højtrykskemiske processer. Se produkt →

Designudfordringer i en centrifugalpumpe til superkritisk service

Virkelige væskeegenskaber betyder noget

Dimensionér ikke en superkritisk væskepumpe med vandegenskaber. Nær det kritiske punkt ændres tætheden, viskositeten og damptrykket alle hurtigt med små ændringer i temperatur og tryk. For kuldioxid kan små trykændringer forårsage store tæthedsforskydninger. Brug en tilstandsligning for ægte gas eller en pålidelig egenskabsdatabase, når du beregner det nødvendige pumpehøjde og den tilgængelige NPSH på sugesiden.

NPSH er den første risiko

Superkritisk CO2 på det kritiske punkt har et damptryk svarende til det kritiske tryk. Hvis væsken ikke er underafkølet et godt stykke under denne tilstand, kan et lille tryktab i sugeledningen trække væsken ind på mætningsledningen og forårsage blink. Derfor skal pumpen have en lav NPSH påkrævet, og sugerøret skal holde tryktabet på et minimum. Inducere og vertikale flertrinsarrangementer kan hjælpe. En almindelig årsag til fejl er kavitation forårsaget af dårlig NPSH-margin. Resultatet kan være støj, vibrationer, rotationshuller og pludseligt tab af hoved. Hvis du ønsker en detaljeret fejlfindingstilgang, se kavitationsmekanismer beskrevet i denne vejledning .

Flertrins- eller højhastighedsdesign

Når det krævede afgangstryk er højt, kan en enkelt-trins pumpe køre for hurtigt eller have for meget radial tryk. En flertrinspumpe er ofte en bedre pasform, fordi den deler hovedet over flere pumpehjul. Dette gør pumpen mere stabil og lader dig holde pumpehastigheden rimelig i tætfasedrift.

Lodret flertrinspumpe til højtryks-tætfaseapplikationer Denne vertikale flertrinspumpe, der er ideel til højt afgangstryk, deler hovedet på tværs af trin og bibeholder rimelig hastighed og stabilitet i tætfasedrift. Se produkt →

Forsegling og indeslutning ved højt tryk

Superkritiske væsker er ofte farlige, giftige eller dyre. Kuldioxid er ikke giftigt, men kvæler, og superkritisk CO2 er et godt opløsningsmiddel. Pumpen skal undgå utætheder. Standard mekaniske tætninger kræver en robust tætningsskylplan og kan stadig afgive små mængder. For kontinuerlig, uovervåget service er der et stærkt argument for en tætningsfri pumpe. Dåsepumper og magnetisk drevne centrifugalpumper holder væsken inde i pumpen uden en dynamisk akseltætning. Dette har betydning for højtryksprocesser såvel som for applikationer, hvor kontaminering skal undgås.

Højtryks-procespumper til raffinaderi og kemisk service bør følge API 610-standarder. A nul-lækage magnetisk kemikaliepumpe kan eliminere risikoen for, at væske slipper ud gennem tætningen.

Tætningsfri dåsepumpe til højtemperatur højtryksvæsker Denne dåsepumpe er designet til kemiske medier med høj temperatur og højtryk og bruger en afskærmet motor til at eliminere dynamiske tætninger, hvilket forhindrer lækage i superkritiske processer. Se produkt →

Almindelige anvendelser for centrifugalpumper på superkritiske væsker

• Superkritisk CO2-ekstraktion til humle, kaffe, botaniske olier, smagsstoffer og farmaceutiske ingredienser.
• Superkritiske CO2-strømcyklusser, inklusive Brayton-cyklusser, hvor arbejdsvæsken er nær det kritiske punkt før kompression.
• Forbedret olieindvinding og kulstoffangstrørledninger, hvor tætfase CO2 skal sættes under tryk og transporteres.
• Kompressibel tætfase ethylenservice i petrokemiske anlæg, hvor en flertrinspumpe kan reducere behovet for et kompressorsystem.

Pumper er ikke en universel løsning. Hvis væsken ved suget er meget gasagtig, bør du starte med kompressorer. Hvis processen kræver meget højt tryk, men en lav massestrøm, kan en stempelpumpe være mere passende. Centrifugalpumper er mest nyttige, når væsken er tæt, flowet er kontinuerligt, og trykforholdet er moderat.

Udvælgelsestjekliste for en superkritisk væskepumpe

1. Opnå det nøjagtige damptryk, densitet, viskositet og kompressibilitet ved pumpens indløbstemperatur og -tryk. Brug en tilstandsligning af ægte gas for CO2 eller en sammenlignelig metode for andre væsker.
2. Definer det maksimale afgangstryk, kappeklassificeringen og flangeklassificeringen, før du beder en leverandør om at give et tilbud.
3. Beregn NPSH tilgængeligt og hold en margen på mindst 0,5 m til 1 m over den nødvendige pumpe NPSH.
4. Vælg en flertrins- eller højhastighedspumpe, når den samlede løftehøjde er høj, men NPSH er begrænset.
5. Vælg en tætningsstrategi. Overvej dåse- eller magnetdrevne pumper, hvis væsken ikke kan få lov til at lække.
6. Gennemgå materialer for opløselighed, ekspansion og kemisk kompatibilitet. Superkritisk CO2 kan fungere som opløsningsmiddel og ændre elastomerer og belægninger.
7. Overvej procestransienter. En pumpe, der opfylder steady-state-betingelser, kan svigte under opstart, nedlukning eller trykudsving.

Det er ikke nok at vælge en pumpe med højt løftehøjde. Pumpekurven, pumpehjulshastigheden, husets design og NPSH-marginen skal matches til den faktiske væske. En pumpe, der fungerer til vand, vil ofte være det forkerte valg til superkritisk CO2. Dette er en almindelig indkøbsrisiko i procesanlægsprojekter.

Hvorfor udstyrsoplevelse er vigtig i superkritiske projekter

Superkritiske væskeprocesser er stadig udfordrende for mange ingeniørteams. Væskeadfærden er ikke den samme som vand, og driftsbetingelserne er nær kanten af ​​fasegrænserne. En pumpeproducent, der har bygget API 610 procespumper, højtryks dåsepumper og vertikale flertrinspumper, har en bedre chance for at fange detaljerne, før du bestiller. Producenten skal bekræfte NPSH-marginen, det hydrauliske valg og indeslutningsmetoden sammen.

Afsluttende råd: Giv pumpeleverandøren masseflow, indløbstemperatur, sugetryk og udløbstryk ved at bruge reelle væskeegenskaber. Det er den eneste måde at få den korrekte centrifugalpumpe til superkritiske væsker.