Centrifugaalpomp voor superkritische vloeistoffen: ontwerp, selectie en toepassingen

Superkritische vloeistoffen bevinden zich tussen gas en vloeistof, en dat zorgt voor een praktisch pompprobleem. Kooldioxide bereikt bijvoorbeeld zijn kritische punt bij ongeveer 31,1°C en 7,38 MPa. Boven deze waarden is het geen gas maar een dichte, samendrukbare vloeistof. De dichtheid ligt dicht bij die van een vloeistof, maar toch wordt de vloeistof samengedrukt als een gas. Dit gedrag verandert de manier waarop u een pomp selecteert en hoe u de prestaties ervan voorspelt.

Het korte antwoord is dat een centrifugaalpomp goed kan werken voor superkritische vloeistoffen wanneer de vloeistof een hoge dichtheid heeft en de vereiste drukverhouding gematigd is. Onder die omstandigheden is hij vaak compacter en efficiënter dan een compressor. Maar de pomp moet worden geselecteerd met echte vloeistofeigenschappen, een sterke NPSH-marge en een zorgvuldige afdichtingsstrategie. Op water gebaseerde aannames eindigen meestal in cavitatie of lage stroming.

Centrifugaalpomp of compressor? Kies op basis van vloeistofdichtheid

Compressoren zijn natuurlijke kandidaten voor gassen. Centrifugaalpompen zijn natuurlijke kandidaten voor vloeistoffen. Superkritische vloeistoffen kunnen beide opties twijfelachtig maken. De beslissing komt meestal neer op de vloeistofdichtheid bij de pompinlaat en de totale drukstijging die nodig is voor het proces.

Voor een superkritische CO2-cyclus neemt de pomp vaak een vloeistofachtige stroom nabij het kritieke punt en verhoogt deze tot de bedrijfsdruk. De dichtheid aan de zuigzijde is hoog, terwijl de compressieverhouding relatief laag is. Dat is de goede plek voor een meertrapscentrifugaalpomp. Een compressor zou een veel grotere behuizing en een hoger vermogen nodig hebben om dezelfde massastroom te bereiken. De centrifugaalpomp kan druk produceren met kinetische energie, niet door het volume te verminderen, wat gunstig is in dichte-faseomstandigheden.

API 610 standaard chemische pomp voor Dense-Phase-service Deze API 610-centrifugaalpomp is geschikt voor superkritische CO2-toepassingen in de dichte fase, biedt statische afdichting om lekkage te minimaliseren en ondersteunt chemische processen onder hoge druk. Bekijk Product →

Ontwerpuitdagingen in een centrifugaalpomp voor superkritisch gebruik

Echte vloeistofeigenschappen zijn belangrijk

Gebruik geen afmetingen voor een superkritische vloeistofpomp met watereigenschappen. Dichtbij het kritieke punt veranderen de dichtheid, viscositeit en dampdruk allemaal snel met kleine veranderingen in temperatuur en druk. Voor kooldioxide kunnen kleine drukveranderingen grote dichtheidsverschuivingen veroorzaken. Gebruik een reële gastoestandsvergelijking of een betrouwbare eigenschappendatabase wanneer u de vereiste pompopvoerhoogte en de beschikbare NPSH aan de zuigzijde berekent.

NPSH is het eerste risico

Superkritisch CO2 heeft op het kritische punt een dampspanning die gelijk is aan de kritische druk. Als de vloeistof niet ver onder deze voorwaarde wordt onderkoeld, kan een klein drukverlies in de zuigleiding de vloeistof naar de verzadigingsleiding trekken en flitsen veroorzaken. Daarom moet de pomp een lage NPSH hebben en moeten de aanzuigleidingen het drukverlies tot een minimum beperken. Inductoren en verticale meertrapsopstellingen kunnen helpen. Een veel voorkomende oorzaak van falen is cavitatie veroorzaakt door een slechte NPSH-marge. Het resultaat kan lawaai, trillingen, putjes in de waaier en plotseling drukverlies zijn. Als u een gedetailleerde aanpak voor het oplossen van problemen wilt, raadpleegt u de cavitatiemechanismen die in deze handleiding worden beschreven .

Meertraps- of snelontwerp

Wanneer de vereiste persdruk hoog is, kan een eentrapspomp te snel draaien of te veel radiale stuwkracht hebben. Vaak past een meertrapspomp beter omdat deze de opvoerhoogte over meerdere waaiers verdeelt. Hierdoor wordt de pomp stabieler en kunt u de pompsnelheid redelijk houden bij gebruik in dichte fase.

Verticale meertrapspomp voor hogedruk-dense-phase-toepassingen Deze verticale meertrapspomp is ideaal voor hoge persdruk en verdeelt de opvoerhoogte over fasen, waardoor een redelijke snelheid en stabiliteit behouden blijft bij gebruik met hoge fasedruk. Bekijk Product →

Afdichting en insluiting bij hoge druk

Superkritische vloeistoffen zijn vaak gevaarlijk, giftig of duur. Kooldioxide is niet giftig, maar verstikkend, en superkritisch CO2 is een goed oplosmiddel. De pomp moet lekkages voorkomen. Standaard mechanische afdichtingen vereisen een robuust spoelplan voor de afdichtingen en kunnen nog steeds kleine hoeveelheden uitstoten. Voor continu, onbeheerd onderhoud is er een sterk argument voor een pomp zonder afdichting. Ingeblikte pompen en centrifugaalpompen met magnetische aandrijving houden de vloeistof in de pomp zonder dynamische asafdichting. Dit is van belang voor hogedrukprocessen en voor toepassingen waarbij verontreiniging moet worden vermeden.

Hogedrukprocespompen voor raffinaderijen en chemische diensten moeten voldoen aan de API 610-normen. EEN magnetische chemische pomp zonder lekkage kan het risico elimineren dat vloeistof door de afdichting ontsnapt.

Afdichtingsloze ingeblikte pomp voor vloeistoffen onder hoge temperatuur en hoge druk Deze ingeblikte pomp is ontworpen voor chemische media met hoge temperaturen en hoge druk en maakt gebruik van een afgeschermde motor om dynamische afdichtingen te elimineren, waardoor lekkage in superkritische processen wordt voorkomen. Bekijk Product →

Veel voorkomende toepassingen voor centrifugaalpompen op superkritische vloeistoffen

• Superkritische CO2-extractie voor hop, koffie, botanische oliën, smaakstoffen en farmaceutische ingrediënten.
• Superkritische CO2-vermogenscycli, inclusief Brayton-cycli waarbij de werkvloeistof zich dichtbij het kritieke punt vóór compressie bevindt.
• Verbeterde oliewinning en koolstofafvangpijpleidingen waar CO2 in de dichte fase onder druk moet worden gezet en getransporteerd.
• Samendrukbare dichte-fase-ethyleentoepassingen in petrochemische fabrieken, waar een meertrapspomp de behoefte aan een compressorsysteem kan verminderen.

Pompen zijn geen universele oplossing. Als de aanzuigvloeistof erg gasachtig is, moet u beginnen met compressoren. Als het proces een zeer hoge druk maar een lage massastroom vereist, kan een plunjerpomp geschikter zijn. Centrifugaalpompen zijn het nuttigst als de vloeistof dicht is, de stroom continu is en de drukverhouding gematigd is.

Selectiechecklist voor een superkritische vloeistofpomp

1. Verkrijg de nauwkeurige dampdruk, dichtheid, viscositeit en samendrukbaarheid bij de pompinlaattemperatuur en -druk. Gebruik een reële gastoestandsvergelijking voor CO2 of een vergelijkbare methode voor andere vloeistoffen.
2. Definieer de maximale persdruk, de behuizingswaarde en de flenswaarde voordat u een leverancier om een ​​offerte vraagt.
3. Bereken de beschikbare NPSH en houd een marge aan van minimaal 0,5 m tot 1 m boven de benodigde pomp-NPSH.
4. Kies een meertraps- of hogesnelheidspomp als de totale opvoerhoogte hoog is maar de NPSH beperkt is.
5. Selecteer een afdichtingsstrategie. Overweeg pompen met ingeblikte of magnetische aandrijving als de vloeistof niet mag lekken.
6. Controleer materialen op oplosbaarheid, uitzetting en chemische compatibiliteit. Superkritisch CO2 kan als oplosmiddel werken en elastomeren en coatings veranderen.
7. Houd rekening met procestransiënten. Een pomp die aan stabiele omstandigheden voldoet, kan defect raken tijdens het opstarten, uitschakelen of drukschommelingen.

Het is niet voldoende om een ​​pomp met een hoge opvoerhoogte te kiezen. De pompcurve, het rotortoerental, het ontwerp van de behuizing en de NPSH-marge moeten worden afgestemd op de daadwerkelijke vloeistof. Een pomp die werkt voor water zal voor superkritisch CO2 vaak de verkeerde keuze zijn. Dit is een veelvoorkomend inkooprisico bij procesinstallatieprojecten.

Waarom apparatuurervaring belangrijk is bij superkritische projecten

Superkritische vloeistofprocessen vormen nog steeds een uitdaging voor veel technische teams. Het vloeistofgedrag is niet hetzelfde als dat van water, en de bedrijfsomstandigheden bevinden zich nabij de rand van fasegrenzen. Een pompfabrikant die API 610-procespompen, hogedrukpompen en verticale meertrapspompen heeft gebouwd, heeft een grotere kans om de details te begrijpen voordat u bestelt. De fabrikant moet de NPSH-marge, de hydraulische selectie en de insluitingsmethode samen bevestigen.

Laatste advies: geef de pompleverancier het massadebiet, de inlaattemperatuur, de zuigdruk en de persdruk op basis van echte vloeistofeigenschappen. Dat is de enige manier om de juiste centrifugaalpomp voor superkritische vloeistoffen te krijgen.