Bơm ly tâm cho chất lỏng siêu tới hạn: Thiết kế, lựa chọn và ứng dụng

Chất lỏng siêu tới hạn nằm giữa khí và chất lỏng, và điều đó gây ra vấn đề thực tế cho máy bơm. Ví dụ, carbon dioxide đạt đến điểm tới hạn ở khoảng 31,1°C và 7,38 MPa. Trên những giá trị đó, nó không phải là chất khí mà là chất lỏng đậm đặc, có thể nén được. Mật độ gần bằng chất lỏng, nhưng chất lỏng nén như chất khí. Hành vi này thay đổi cách bạn chọn máy bơm và cách bạn dự đoán hiệu suất của nó.

Câu trả lời ngắn gọn là máy bơm ly tâm có thể hoạt động tốt đối với chất lỏng siêu tới hạn khi chất lỏng đậm đặc và tỷ lệ áp suất yêu cầu ở mức vừa phải. Nó thường nhỏ gọn hơn và hiệu quả hơn máy nén trong những điều kiện đó. Nhưng máy bơm phải được chọn có đặc tính chất lỏng thực, biên NPSH mạnh và chiến lược bịt kín cẩn thận. Các giả định dựa trên nước thường sẽ kết thúc bằng hiện tượng xâm thực hoặc dòng chảy thấp.

Bơm ly tâm hay máy nén? Chọn dựa trên mật độ chất lỏng

Máy nén là ứng cử viên tự nhiên cho khí. Máy bơm ly tâm là ứng cử viên đương nhiên cho chất lỏng. Chất lỏng siêu tới hạn có thể khiến cả hai lựa chọn trở nên đáng nghi ngờ. Quyết định thường phụ thuộc vào mật độ chất lỏng ở đầu vào máy bơm và tổng mức tăng áp suất cần thiết cho quá trình.

Đối với chu trình CO2 siêu tới hạn, máy bơm thường lấy dòng chất lỏng gần điểm tới hạn và nâng nó lên áp suất vận hành. Mật độ ở phía hút cao, trong khi tỷ số nén tương đối thấp. Đó là điểm lý tưởng cho máy bơm ly tâm nhiều tầng. Một máy nén sẽ cần vỏ lớn hơn nhiều và công suất cao hơn để đạt được cùng một lưu lượng. Bơm ly tâm có thể tạo ra áp suất bằng động năng chứ không phải bằng cách giảm thể tích, điều này thuận lợi trong điều kiện pha đậm đặc.

Bơm hóa chất tiêu chuẩn API 610 cho dịch vụ pha dày đặc Máy bơm ly tâm API 610 này phù hợp với dịch vụ CO2 siêu tới hạn pha đậm đặc, cung cấp khả năng bịt kín tĩnh để giảm thiểu rò rỉ và hỗ trợ các quá trình hóa học áp suất cao. Xem sản phẩm →

Những thách thức trong thiết kế máy bơm ly tâm cho dịch vụ siêu tới hạn

Chất lỏng thực sự có vấn đề

Không kích thước máy bơm chất lỏng siêu tới hạn có đặc tính nước. Gần điểm tới hạn, mật độ, độ nhớt và áp suất hơi đều thay đổi nhanh chóng với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ và áp suất. Đối với carbon dioxide, những thay đổi nhỏ về áp suất có thể gây ra sự thay đổi mật độ lớn. Sử dụng phương trình trạng thái khí thực hoặc cơ sở dữ liệu đặc tính đáng tin cậy khi bạn tính toán cột áp bơm cần thiết và NPSH phía hút có sẵn.

NPSH là rủi ro đầu tiên

CO2 siêu tới hạn tại điểm tới hạn có áp suất hơi bằng áp suất tới hạn. Nếu chất lỏng không được làm mát tốt dưới tình trạng đó, một sự mất áp suất nhỏ trong đường hút có thể kéo chất lỏng lên đường bão hòa và gây ra hiện tượng nhấp nháy. Đây là lý do tại sao máy bơm phải có NPSH yêu cầu thấp và đường ống hút phải giữ tổn thất áp suất ở mức tối thiểu. Cảm ứng và sắp xếp nhiều tầng theo chiều dọc có thể giúp ích. Nguyên nhân phổ biến dẫn đến hư hỏng là hiện tượng tạo bọt do biên NPSH kém. Kết quả có thể là tiếng ồn, rung động, rỗ cánh quạt và mất đầu đột ngột. Nếu bạn muốn có cách tiếp cận khắc phục sự cố chi tiết, hãy xem cơ chế xâm thực được mô tả trong hướng dẫn này .

Thiết kế đa tầng hoặc tốc độ cao

Khi áp suất xả yêu cầu cao, máy bơm một cấp có thể chạy quá nhanh hoặc có lực đẩy hướng tâm quá lớn. Máy bơm nhiều tầng thường phù hợp hơn vì nó chia đầu ra thành nhiều cánh quạt. Điều này giúp máy bơm ổn định hơn và cho phép bạn duy trì tốc độ máy bơm hợp lý trong dịch vụ pha dày đặc.

Bơm đa tầng trục đứng cho các ứng dụng pha dày đặc áp suất cao Lý tưởng cho áp suất xả cao, máy bơm nhiều tầng trục đứng này chia cột áp thành các giai đoạn, duy trì tốc độ hợp lý và ổn định trong các hoạt động có pha dày đặc. Xem sản phẩm →

Niêm phong và ngăn chặn ở áp suất cao

Chất lỏng siêu tới hạn thường nguy hiểm, độc hại hoặc đắt tiền. Carbon dioxide không độc hại nhưng gây ngạt thở và CO2 siêu tới hạn là một dung môi tốt. Máy bơm phải tránh rò rỉ. Các cụm làm kín cơ khí tiêu chuẩn yêu cầu một kế hoạch xả cụm làm kín chắc chắn và vẫn có thể phát ra một lượng nhỏ. Đối với dịch vụ liên tục, không cần giám sát, có một lập luận mạnh mẽ về máy bơm không có phớt chặn. Máy bơm đóng hộp và máy bơm ly tâm dẫn động từ tính giữ chất lỏng bên trong máy bơm mà không có phốt trục động. Điều này quan trọng đối với các quy trình áp suất cao cũng như đối với các ứng dụng cần tránh ô nhiễm.

Máy bơm xử lý áp suất cao cho nhà máy lọc dầu và dịch vụ hóa chất phải tuân theo tiêu chuẩn API 610. A bơm hóa chất từ tính không rò rỉ có thể loại bỏ nguy cơ chất lỏng thoát ra qua vòng đệm.

Máy bơm đóng hộp không kín cho chất lỏng áp suất cao nhiệt độ cao Được thiết kế cho môi trường hóa chất có nhiệt độ và áp suất cao, máy bơm đóng hộp này sử dụng động cơ được bảo vệ để loại bỏ các vòng đệm động, ngăn ngừa rò rỉ trong các quy trình siêu tới hạn. Xem sản phẩm →

Các ứng dụng phổ biến của máy bơm ly tâm trên chất lỏng siêu tới hạn

• Chiết xuất CO2 siêu tới hạn cho hoa bia, cà phê, dầu thực vật, hương liệu và thành phần dược phẩm.
• Chu trình năng lượng CO2 siêu tới hạn, bao gồm chu trình Brayton trong đó chất lỏng làm việc ở gần điểm tới hạn trước khi nén.
• Tăng cường đường ống thu hồi dầu và thu hồi carbon, nơi CO2 pha đậm đặc phải được điều áp và vận chuyển.
• Dịch vụ ethylene pha đậm đặc nén trong các nhà máy hóa dầu, nơi máy bơm nhiều tầng có thể làm giảm nhu cầu về hệ thống máy nén.

Máy bơm không phải là một giải pháp phổ quát. Nếu chất lỏng khi hút rất giống khí, bạn nên bắt đầu với máy nén. Nếu quá trình này đòi hỏi áp suất rất cao nhưng lưu lượng khối lượng thấp thì bơm pít tông có thể phù hợp hơn. Bơm ly tâm hữu ích nhất khi chất lỏng đậm đặc, dòng chảy liên tục và tỷ lệ áp suất vừa phải.

Danh sách kiểm tra lựa chọn cho máy bơm chất lỏng siêu tới hạn

1. Có được áp suất hơi, mật độ, độ nhớt và độ nén chính xác ở nhiệt độ và áp suất đầu vào của máy bơm. Sử dụng phương trình trạng thái khí thực cho CO2 hoặc phương pháp so sánh cho các chất lỏng khác.
2. Xác định áp suất xả tối đa, định mức vỏ và định mức mặt bích trước khi bạn yêu cầu nhà cung cấp báo giá.
3. Tính toán NPSH sẵn có và giữ mức chênh lệch ít nhất từ ​​0,5 m đến 1 m so với NPSH yêu cầu của máy bơm.
4. Chọn máy bơm nhiều tầng hoặc tốc độ cao khi tổng cột áp cao nhưng NPSH bị hạn chế.
5. Chọn một chiến lược niêm phong. Hãy cân nhắc sử dụng máy bơm đóng hộp hoặc máy bơm dẫn động từ nếu chất lỏng không được phép rò rỉ.
6. Xem xét các vật liệu về độ hòa tan, độ giãn nở và khả năng tương thích hóa học. CO2 siêu tới hạn có thể hoạt động như một dung môi và làm thay đổi chất đàn hồi và lớp phủ.
7. Hãy xem xét quá trình quá độ. Một máy bơm thỏa mãn các điều kiện ở trạng thái ổn định có thể bị hỏng trong quá trình khởi động, tắt máy hoặc thay đổi áp suất.

Chọn máy bơm có cột áp cao là chưa đủ. Đường cong bơm, tốc độ cánh quạt, thiết kế vỏ và biên NPSH phải phù hợp với chất lỏng thực tế. Một máy bơm hoạt động với nước thường sẽ là lựa chọn sai lầm đối với CO2 siêu tới hạn. Đây là rủi ro mua sắm phổ biến trong các dự án nhà máy chế biến.

Tại sao trải nghiệm thiết bị lại quan trọng trong các dự án siêu tới hạn

Các quy trình xử lý chất lỏng siêu tới hạn vẫn là thách thức đối với nhiều nhóm kỹ thuật. Hành vi của chất lỏng không giống như nước và các điều kiện hoạt động nằm gần rìa ranh giới pha. Một nhà sản xuất máy bơm đã chế tạo máy bơm quy trình API 610, máy bơm đóng hộp áp suất cao và máy bơm đa tầng trục đứng có cơ hội nắm bắt thông tin chi tiết tốt hơn trước khi bạn đặt hàng. Nhà sản xuất phải xác nhận giới hạn NPSH, lựa chọn thủy lực và phương pháp ngăn chặn cùng nhau.

Lời khuyên cuối cùng: cung cấp cho nhà cung cấp máy bơm lưu lượng khối, nhiệt độ đầu vào, áp suất hút và áp suất xả bằng cách sử dụng các đặc tính thực của chất lỏng. Đó là cách duy nhất để có được máy bơm ly tâm phù hợp cho chất lỏng siêu tới hạn.