Centrifugalpump för superkritiska vätskor: design, urval och tillämpningar

Superkritiska vätskor sitter mellan gas och vätska, och det skapar ett praktiskt pumpproblem. Koldioxid når till exempel sin kritiska punkt vid cirka 31,1°C och 7,38 MPa. Över dessa värden är det inte en gas utan en tät, komprimerbar vätska. Densiteten är nära en vätska, men vätskan komprimeras som en gas. Detta beteende ändrar hur du väljer en pump och hur du förutsäger dess prestanda.

Det korta svaret är att en centrifugalpump kan fungera bra för superkritiska vätskor när vätskan är tät och det erforderliga tryckförhållandet är måttligt. Den är ofta mer kompakt och effektivare än en kompressor under dessa förhållanden. Men pumpen måste väljas med riktiga vätskeegenskaper, en stark NPSH-marginal och en noggrann tätningsstrategi. Vattenbaserade antaganden kommer vanligtvis att sluta i kavitation eller lågt flöde.

Centrifugalpump eller kompressor? Välj Baserat på vätskedensitet

Kompressorer är naturliga kandidater för gaser. Centrifugalpumpar är naturliga kandidater för vätskor. Superkritiska vätskor kan göra båda alternativen tveksamma. Beslutet beror vanligtvis på vätskedensiteten vid pumpens inlopp och den totala tryckökningen som behövs för processen.

För en superkritisk CO2-cykel tar pumpen ofta en vätskeliknande ström nära den kritiska punkten och höjer den till arbetstrycket. Densiteten på sugsidan är hög, medan kompressionsförhållandet är relativt lågt. Det är det bästa stället för en flerstegs centrifugalpump. En kompressor skulle behöva ett mycket större hölje och högre effekt för att uppnå samma massflöde. Centrifugalpumpen kan producera tryck med kinetisk energi, inte genom att minska volymen, vilket är gynnsamt i täta faser.

API 610 standard kemisk pump för tätfasservice Denna API 610 centrifugalpump är lämpad för tätfas superkritisk CO2-service, erbjuder statisk tätning för att minimera läckage och stöder kemiska processer under högt tryck. Visa produkt →

Designutmaningar i en centrifugalpump för superkritisk service

Verkliga vätskeegenskaper är viktiga

Dimensionera inte en superkritisk vätskepump med vattenegenskaper. Nära den kritiska punkten förändras densiteten, viskositeten och ångtrycket snabbt med små förändringar i temperatur och tryck. För koldioxid kan små tryckförändringar orsaka stora densitetsförskjutningar. Använd en tillståndsekvation för verklig gas eller en tillförlitlig egenskapsdatabas när du beräknar det erforderliga pumptrycket och tillgängligt NPSH på sugsidan.

NPSH är den första risken

Superkritisk CO2 vid den kritiska punkten har ett ångtryck som är lika med det kritiska trycket. Om vätskan inte är underkyld långt under detta tillstånd, kan en liten tryckförlust i sugledningen dra vätskan till mättnadsledningen och orsaka blinkande. Detta är anledningen till att pumpen måste ha en låg NPSH som krävs, och sugrören måste hålla tryckförlusterna till ett minimum. Inducerare och vertikala flerstegsarrangemang kan hjälpa. En vanlig orsak till fel är kavitation orsakad av dålig NPSH-marginal. Resultatet kan vara buller, vibrationer, pumphjulsgropar och plötslig förlust av huvud. Om du vill ha en detaljerad felsökningsmetod, se kavitationsmekanismer som beskrivs i denna guide .

Flerstegs- eller höghastighetsdesign

När det erforderliga utloppstrycket är högt kan en enstegspump gå för snabbt eller ha för mycket radiell dragkraft. En flerstegspump passar ofta bättre eftersom den delar upp huvudet över flera pumphjul. Detta gör pumpen mer stabil och låter dig hålla pumphastigheten rimlig vid tätfasdrift.

Vertikal flerstegspump för högtrycks tätfasapplikationer Idealisk för högt utloppstryck, den här vertikala flerstegspumpen delar upp huvudet över stegen och bibehåller rimlig hastighet och stabilitet vid tätfasdrift. Visa produkt →

Tätning och inneslutning vid högt tryck

Superkritiska vätskor är ofta farliga, giftiga eller dyra. Koldioxid är inte giftigt men kvävande, och superkritisk CO2 är ett bra lösningsmedel. Pumpen måste undvika läckor. Standard mekaniska tätningar kräver en robust tätningsspolningsplan och kan fortfarande avge små mängder. För kontinuerlig, obevakad service finns det ett starkt argument för en tätningsfri pump. Konserverade pumpar och magnetdrivna centrifugalpumpar håller vätskan inne i pumpen utan en dynamisk axeltätning. Detta har betydelse för högtrycksprocesser såväl som för applikationer där kontaminering måste undvikas.

Högtrycksprocesspumpar för raffinaderi och kemisk service bör följa API 610-standarder. A nollläckage magnetisk kemikaliepump kan eliminera risken för att vätska läcker ut genom tätningen.

Tätningslös konserverad pump för högtemperaturvätskor med högt tryck Designad för kemiska medier med hög temperatur och högt tryck, använder denna konserverade pump en skärmad motor för att eliminera dynamiska tätningar, vilket förhindrar läckage i superkritiska processer. Visa produkt →

Vanliga tillämpningar för centrifugalpumpar på superkritiska vätskor

• Superkritisk CO2-extraktion för humle, kaffe, botaniska oljor, smaker och farmaceutiska ingredienser.
• Superkritiska CO2-effektcykler, inklusive Brayton-cykler där arbetsvätskan är nära den kritiska punkten före kompression.
• Förbättrad oljeutvinning och kolavskiljande pipelines där tätfas CO2 måste trycksättas och transporteras.
• Kompressibel tätfas etenservice i petrokemiska anläggningar, där en flerstegspump kan minska behovet av ett kompressorsystem.

Pumpar är ingen universallösning. Om vätskan vid sug är mycket gasliknande bör du börja med kompressorer. Om processen kräver mycket högt tryck men ett lågt massflöde, kan en kolvpump vara lämpligare. Centrifugalpumpar är mest användbara när vätskan är tät, flödet är kontinuerligt och tryckförhållandet är måttligt.

Urvalschecklista för en superkritisk vätskepump

1. Erhåll exakt ångtryck, densitet, viskositet och kompressibilitet vid pumpens inloppstemperatur och tryck. Använd en tillståndsekvation för verklig gas för CO2 eller en jämförbar metod för andra vätskor.
2. Definiera maximalt utloppstryck, höljesklassificering och flänsklassificering innan du ber en leverantör att lämna offert.
3. Beräkna NPSH tillgängligt och håll en marginal på minst 0,5 m till 1 m över pumpens NPSH som krävs.
4. Välj en flerstegs- eller höghastighetspump när den totala tryckhöjden är hög men NPSH är begränsad.
5. Välj en tätningsstrategi. Överväg burk- eller magnetdrivna pumpar om vätskan inte kan tillåtas läcka.
6. Granska material för löslighet, expansion och kemisk kompatibilitet. Superkritisk CO2 kan fungera som lösningsmedel och förändra elastomerer och beläggningar.
7. Tänk på processtransienter. En pump som uppfyller stationära förhållanden kan misslyckas under start, avstängning eller trycksvängningar.

Det räcker inte att välja en pump med högt tryck. Pumpkurvan, pumphjulets hastighet, höljesdesign och NPSH-marginal måste matchas med den faktiska vätskan. En pump som fungerar för vatten är ofta fel val för superkritisk CO2. Detta är en vanlig upphandlingsrisk i processanläggningsprojekt.

Varför utrustningserfarenhet är viktig i superkritiska projekt

Superkritiska vätskeprocesser är fortfarande utmanande för många ingenjörsteam. Vätskebeteendet är inte detsamma som vatten, och driftsförhållandena är nära kanten av fasgränserna. En pumptillverkare som har byggt API 610-processpumpar, högtrycksburkpumpar och vertikala flerstegspumpar har större chans att fånga detaljerna innan du beställer. Tillverkaren måste bekräfta NPSH-marginalen, det hydrauliska valet och inneslutningsmetoden tillsammans.

Avslutande råd: ge pumpleverantören massflöde, inloppstemperatur, sugtryck och utloppstryck med hjälp av verkliga vätskeegenskaper. Det är det enda sättet att få rätt centrifugalpump för superkritiska vätskor.