Pompa centrifuga per fluidi supercritici: progettazione, selezione e applicazioni

I fluidi supercritici si trovano tra gas e liquido e ciò crea un problema pratico con la pompa. L’anidride carbonica, ad esempio, raggiunge il suo punto critico a circa 31,1°C e 7,38 MPa. Al di sopra di questi valori non è un gas ma un fluido denso e comprimibile. La densità è vicina a quella di un liquido, ma il fluido si comprime come un gas. Questo comportamento cambia il modo in cui si seleziona una pompa e il modo in cui si prevedono le sue prestazioni.

La risposta breve è che una pompa centrifuga può funzionare bene per fluidi supercritici quando il fluido è denso e il rapporto di pressione richiesto è moderato. In queste condizioni spesso è più compatto e più efficiente di un compressore. Ma la pompa deve essere selezionata con proprietà reali del fluido, un forte margine NPSH e un'attenta strategia di tenuta. Le ipotesi basate sull'acqua di solito finiscono con la cavitazione o il flusso basso.

Pompa centrifuga o compressore? Scegli in base alla densità del fluido

I compressori sono candidati naturali per i gas. Le pompe centrifughe sono candidati naturali per i liquidi. I fluidi supercritici possono rendere discutibili entrambe le opzioni. La decisione solitamente dipende dalla densità del fluido all'ingresso della pompa e dall'aumento di pressione totale necessario per il processo.

Per un ciclo di CO2 supercritico, la pompa spesso prende un flusso simile a un liquido vicino al punto critico e lo solleva alla pressione di esercizio. La densità sul lato di aspirazione è elevata, mentre il rapporto di compressione è relativamente basso. Questo è il punto ideale per una pompa centrifuga multistadio. Un compressore avrebbe bisogno di un involucro molto più grande e di una potenza maggiore per ottenere lo stesso flusso di massa. La pompa centrifuga può produrre pressione con energia cinetica, non riducendo il volume, il che è favorevole in condizioni di fase densa.

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Sfide di progettazione in una pompa centrifuga per servizio supercritico

Le proprietà reali dei fluidi contano

Non dimensionare una pompa per fluidi supercritici con proprietà dell'acqua. Vicino al punto critico, la densità, la viscosità e la pressione del vapore cambiano rapidamente con piccoli cambiamenti di temperatura e pressione. Per l’anidride carbonica, piccoli cambiamenti di pressione possono causare grandi spostamenti di densità. Utilizzare un'equazione di stato del gas reale o un database di proprietà affidabile quando si calcola la prevalenza della pompa richiesta e l'NPSH disponibile sul lato di aspirazione.

L’NPSH è il primo rischio

La CO2 supercritica nel punto critico ha una tensione di vapore uguale alla pressione critica. Se il fluido non viene sottoraffreddato ben al di sotto di tale condizione, una piccola perdita di pressione nella linea di aspirazione può trascinare il fluido sulla linea di saturazione e causare lampeggiamenti. Questo è il motivo per cui la pompa deve avere un NPSH basso richiesto e la tubazione di aspirazione deve mantenere le perdite di pressione al minimo. Gli induttori e le disposizioni multistadio verticali possono aiutare. Una causa comune di fallimento è la cavitazione causata da uno scarso margine NPSH. Il risultato può essere rumore, vibrazioni, vaiolatura della girante e improvvisa perdita di prevalenza. Se desideri un approccio dettagliato alla risoluzione dei problemi, consulta il meccanismi di cavitazione descritti in questa guida .

Design multistadio o ad alta velocità

Quando la pressione di scarico richiesta è elevata, una pompa monostadio potrebbe funzionare troppo velocemente o avere una spinta radiale eccessiva. Una pompa multistadio è spesso la soluzione migliore perché divide la testa su più giranti. Ciò rende la pompa più stabile e consente di mantenere una velocità della pompa ragionevole nel servizio in fase densa.

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Sigillatura e contenimento ad alta pressione

I fluidi supercritici sono spesso pericolosi, tossici o costosi. L’anidride carbonica non è tossica ma è asfissiante e la CO2 supercritica è un buon solvente. La pompa deve evitare perdite. Le tenute meccaniche standard richiedono un robusto piano di lavaggio delle tenute e possono comunque emettere piccole quantità. Per un servizio continuo e non presidiato vi è una forte argomentazione a favore di una pompa senza guarnizioni. Le pompe inscatolate e le pompe centrifughe a trascinamento magnetico mantengono il fluido all'interno della pompa senza una tenuta meccanica dinamica. Ciò è importante sia per i processi ad alta pressione che per le applicazioni in cui è necessario evitare la contaminazione.

Le pompe di processo ad alta pressione per raffinerie e servizi chimici dovrebbero seguire gli standard API 610. A pompa chimica magnetica a perdita zero può eliminare il rischio di fuoriuscita di fluido attraverso la guarnizione.

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Applicazioni comuni per pompe centrifughe su fluidi supercritici

• Estrazione supercritica con CO2 per luppolo, caffè, oli vegetali, aromi e ingredienti farmaceutici.
• Cicli energetici a CO2 supercritici, compresi i cicli Brayton in cui il fluido di lavoro è vicino al punto critico prima della compressione.
• Condutture migliorate per il recupero del petrolio e la cattura del carbonio in cui la CO2 in fase densa deve essere pressurizzata e trasportata.
• Servizio di etilene comprimibile in fase densa negli impianti petrolchimici, dove una pompa multistadio può ridurre la necessità di un sistema di compressione.

Le pompe non sono una soluzione universale. Se il fluido in aspirazione è molto simile al gas, dovresti iniziare con i compressori. Se il processo richiede una pressione molto elevata ma un flusso di massa basso, una pompa a stantuffo potrebbe essere più appropriata. Le pompe centrifughe sono particolarmente utili quando il fluido è denso, il flusso è continuo e il rapporto di pressione è moderato.

Lista di controllo per la selezione di una pompa per fluidi supercritici

1. Ottenere valori precisi di pressione del vapore, densità, viscosità e comprimibilità alla temperatura e pressione di ingresso della pompa. Utilizzare un'equazione di stato del gas reale per la CO2 o un metodo comparabile per altri fluidi.
2. Definire la pressione di scarico massima, il valore nominale dell'involucro e il valore nominale della flangia prima di chiedere un preventivo a un fornitore.
3. Calcolare l'NPSH disponibile e mantenere un margine compreso tra almeno 0,5 ma 1 m sopra l'NPSH richiesto dalla pompa.
4. Scegliere una pompa multistadio o ad alta velocità quando la prevalenza totale è elevata ma l'NPSH è limitato.
5. Seleziona una strategia di sigillatura. Considerare pompe in scatola o a trascinamento magnetico se non è possibile consentire la fuoriuscita del fluido.
6. Esaminare i materiali per verificarne la solubilità, l'espansione e la compatibilità chimica. La CO2 supercritica può agire come solvente e alterare elastomeri e rivestimenti.
7. Considera i transitori del processo. Una pompa che soddisfa le condizioni di stato stazionario potrebbe guastarsi durante l'avvio, l'arresto o le oscillazioni di pressione.

Non basta scegliere una pompa ad alta prevalenza. La curva della pompa, la velocità della girante, il design del corpo e il margine NPSH devono corrispondere al fluido effettivo. Una pompa che funziona per l’acqua sarà spesso la scelta sbagliata per la CO2 supercritica. Questo è un rischio di approvvigionamento comune nei progetti di impianti di processo.

Perché l'esperienza delle apparecchiature è importante nei progetti supercritici

I processi con fluidi supercritici rappresentano ancora una sfida per molti team di ingegneri. Il comportamento del fluido non è lo stesso dell'acqua e le condizioni operative sono vicine al limite dei confini di fase. Un produttore di pompe che ha costruito pompe di processo API 610, pompe inscatolate ad alta pressione e pompe multistadio verticali ha maggiori possibilità di cogliere i dettagli prima dell'ordine. Il produttore deve confermare insieme il margine NPSH, la selezione idraulica e il metodo di contenimento.

Consiglio finale: fornire al fornitore della pompa la portata massica, la temperatura di ingresso, la pressione di aspirazione e la pressione di scarico utilizzando le proprietà reali del fluido. Questo è l'unico modo per ottenere la pompa centrifuga corretta per fluidi supercritici.