Sentrifugalpumpe for superkritiske væsker: design, utvalg og bruksområder

Superkritiske væsker sitter mellom gass og væske, og det skaper et praktisk pumpeproblem. Karbondioksid når for eksempel sitt kritiske punkt ved ca. 31,1°C og 7,38 MPa. Over disse verdiene er det ikke en gass, men en tett, komprimerbar væske. Tettheten er nær en væske, men væsken komprimeres som en gass. Denne oppførselen endrer hvordan du velger en pumpe og hvordan du forutsier ytelsen.

Det korte svaret er at en sentrifugalpumpe kan fungere godt for superkritiske væsker når væsken er tett og det nødvendige trykkforholdet er moderat. Den er ofte mer kompakt og mer effektiv enn en kompressor under slike forhold. Men pumpen må velges med reelle væskeegenskaper, en sterk NPSH-margin og en nøye tettestrategi. Vannbaserte forutsetninger vil vanligvis ende i kavitasjon eller lav flyt.

Sentrifugalpumpe eller kompressor? Velg basert på væsketetthet

Kompressorer er naturlige kandidater for gasser. Sentrifugalpumper er naturlige kandidater for væsker. Superkritiske væsker kan gjøre begge alternativene tvilsomme. Beslutningen kommer vanligvis ned til væsketettheten ved pumpens innløp og den totale trykkøkningen som trengs for prosessen.

For en superkritisk CO2-syklus tar pumpen ofte en væskelignende strøm nær det kritiske punktet og hever den til driftstrykket. Tettheten på sugesiden er høy, mens kompresjonsforholdet er relativt lavt. Det er sweet spot for en flertrinns sentrifugalpumpe. En kompressor vil trenge et mye større foringsrør og høyere effekt for å oppnå samme massestrøm. Sentrifugalpumpen kan produsere trykk med kinetisk energi, ikke ved å redusere volum, noe som er gunstig i tettfaseforhold.

API 610 standard kjemisk pumpe for tettfaseservice Denne API 610 sentrifugalpumpen er egnet for tettfase superkritisk CO2-tjeneste, og tilbyr statisk forsegling for å minimere lekkasje og støtter kjemiske prosesser under høyt trykk. Se produkt →

Designutfordringer i en sentrifugalpumpe for superkritisk service

Virkelige væskeegenskaper betyr noe

Ikke dimensjoner en superkritisk væskepumpe med vannegenskaper. Nær det kritiske punktet endres tettheten, viskositeten og damptrykket raskt med små endringer i temperatur og trykk. For karbondioksid kan små trykkendringer forårsake store tetthetsforskyvninger. Bruk en tilstandsligning for ekte gass eller en pålitelig egenskapsdatabase når du beregner nødvendig pumpehode og tilgjengelig NPSH på sugesiden.

NPSH er den første risikoen

Superkritisk CO2 på det kritiske punktet har et damptrykk lik det kritiske trykket. Hvis væsken ikke er underkjølt godt under denne tilstanden, kan et lite trykktap i sugeledningen trekke væsken inn på metningsledningen og forårsake blinking. Dette er grunnen til at pumpen må ha en lav NPSH nødvendig, og sugerøret må holde trykktapet på et minimum. Induktorer og vertikale flertrinnsarrangementer kan hjelpe. En vanlig årsak til svikt er kavitasjon forårsaket av dårlig NPSH-margin. Resultatet kan være støy, vibrasjoner, rotasjonshull og plutselig tap av hode. Hvis du vil ha en detaljert feilsøkingsmetode, se kavitasjonsmekanismer beskrevet i denne veiledningen .

Flertrinns- eller høyhastighetsdesign

Når det nødvendige utløpstrykket er høyt, kan en ett-trinns pumpe gå for fort eller ha for mye radiell skyvekraft. En flertrinnspumpe passer ofte bedre fordi den deler hodet på flere impellere. Dette gjør pumpen mer stabil og lar deg holde pumpehastigheten rimelig i tettfasedrift.

Vertikal flertrinnspumpe for høytrykks tettfaseapplikasjoner Denne vertikale flertrinnspumpen er ideell for høyt utløpstrykk, og deler hodet på tvers av trinn, og opprettholder rimelig hastighet og stabilitet i tettfaseoperasjoner. Se produkt →

Forsegling og inneslutning ved høyt trykk

Superkritiske væsker er ofte farlige, giftige eller dyre. Karbondioksid er ikke giftig, men kveler, og superkritisk CO2 er et godt løsemiddel. Pumpen må unngå lekkasjer. Standard mekaniske tetninger krever en robust tetningsskylleplan og kan fortsatt avgi små mengder. For kontinuerlig, uovervåket service er det et sterkt argument for en tetningsløs pumpe. Hermetiske pumper og magnetisk drevne sentrifugalpumper holder væsken inne i pumpen uten en dynamisk akseltetning. Dette har betydning for høytrykksprosesser så vel som for applikasjoner hvor forurensning må unngås.

Høytrykksprosesspumper for raffinerier og kjemiske tjenester bør følge API 610-standarder. A nulllekkasje magnetisk kjemikaliepumpe kan eliminere risikoen for at væske slipper ut gjennom tetningen.

Forseglingsfri hermetisk pumpe for høytemperatur høytrykksvæsker Designet for kjemiske medier med høy temperatur og høyt trykk, bruker denne hermetiske pumpen en skjermet motor for å eliminere dynamiske tetninger, og forhindrer lekkasje i superkritiske prosesser. Se produkt →

Vanlige bruksområder for sentrifugalpumper på superkritiske væsker

• Superkritisk CO2-ekstraksjon for humle, kaffe, botaniske oljer, smaker og farmasøytiske ingredienser.
• Superkritiske CO2-strømsykluser, inkludert Brayton-sykluser der arbeidsvæsken er nær det kritiske punktet før kompresjon.
• Forbedret oljeutvinning og karbonfangstrørledninger hvor tettfase CO2 må settes under trykk og transporteres.
• Komprimerbar tettfase etylentjeneste i petrokjemiske anlegg, hvor en flertrinnspumpe kan redusere behovet for et kompressorsystem.

Pumper er ikke en universalløsning. Hvis væsken ved sug er veldig gasslignende, bør du begynne med kompressorer. Hvis prosessen krever svært høyt trykk, men lav massestrøm, kan en stempelpumpe være mer hensiktsmessig. Sentrifugalpumper er mest nyttige når væsken er tett, strømmen er kontinuerlig og trykkforholdet er moderat.

Utvalgssjekkliste for en superkritisk væskepumpe

1. Oppnå nøyaktig damptrykk, tetthet, viskositet og komprimerbarhet ved pumpens innløpstemperatur og trykk. Bruk en tilstandsligning for ekte gass for CO2 eller en sammenlignbar metode for andre væsker.
2. Definer maksimalt utløpstrykk, foringsrørklassifisering og flensklassifisering før du ber en leverandør om å gi tilbud.
3. Beregn tilgjengelig NPSH og hold en margin på minst 0,5 m til 1 m over den nødvendige pumpens NPSH.
4. Velg en flertrinns- eller høyhastighetspumpe når den totale løftehøyden er høy, men NPSH er begrenset.
5. Velg en forseglingsstrategi. Vurder hermetiske eller magnetiske pumper hvis væsken ikke kan lekke.
6. Gjennomgå materialer for løselighet, ekspansjon og kjemisk kompatibilitet. Superkritisk CO2 kan fungere som løsemiddel og endre elastomerer og belegg.
7. Vurder prosesstransienter. En pumpe som tilfredsstiller steady-state forhold kan svikte under oppstart, avstengning eller trykksvingninger.

Det er ikke nok å velge en pumpe med høyt trykk. Pumpekurven, impellerhastigheten, husets design og NPSH-marginen må tilpasses den faktiske væsken. En pumpe som fungerer for vann vil ofte være feil valg for superkritisk CO2. Dette er en vanlig anskaffelsesrisiko i prosessanleggsprosjekter.

Hvorfor utstyrserfaring er viktig i superkritiske prosjekter

Superkritiske væskeprosesser er fortsatt utfordrende for mange ingeniørteam. Væskeoppførselen er ikke den samme som vann, og driftsforholdene er nær kanten av fasegrensene. En pumpeprodusent som har bygget API 610 prosesspumper, høytrykks hermetiske pumper og vertikale flertrinnspumper har større sjanse til å fange detaljene før du bestiller. Produsenten må bekrefte NPSH-marginen, det hydrauliske valget og inneslutningsmetoden sammen.

Siste råd: gi pumpeleverandøren massestrøm, innløpstemperatur, sugetrykk og utløpstrykk ved å bruke reelle væskeegenskaper. Det er den eneste måten å få riktig sentrifugalpumpe for superkritiske væsker.