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Überkritische Flüssigkeiten liegen zwischen Gas und Flüssigkeit, was ein praktisches Pumpenproblem darstellt. Kohlendioxid beispielsweise erreicht seinen kritischen Punkt bei etwa 31,1 °C und 7,38 MPa. Oberhalb dieser Werte handelt es sich nicht um ein Gas, sondern um eine dichte, komprimierbare Flüssigkeit. Die Dichte kommt der einer Flüssigkeit nahe, die Flüssigkeit komprimiert sich jedoch wie ein Gas. Dieses Verhalten verändert die Art und Weise, wie Sie eine Pumpe auswählen und ihre Leistung vorhersagen.
Die kurze Antwort lautet: Eine Kreiselpumpe eignet sich gut für überkritische Flüssigkeiten, wenn die Flüssigkeit dicht ist und das erforderliche Druckverhältnis moderat ist. Unter diesen Bedingungen ist er oft kompakter und effizienter als ein Kompressor. Die Pumpe muss jedoch mit realen Flüssigkeitseigenschaften, einer starken NPSH-Marge und einer sorgfältigen Dichtungsstrategie ausgewählt werden. Wasserbasierte Annahmen führen normalerweise zu Kavitation oder geringem Durchfluss.
Kreiselpumpe oder Kompressor? Wählen Sie „Basierend auf Flüssigkeitsdichte“.
Kompressoren sind natürliche Kandidaten für Gase. Kreiselpumpen sind natürliche Kandidaten für Flüssigkeiten. Überkritische Flüssigkeiten können beide Optionen fraglich machen. Die Entscheidung hängt in der Regel von der Flüssigkeitsdichte am Pumpeneinlass und dem für den Prozess erforderlichen Gesamtdruckanstieg ab.
| Attribut | Kreiselpumpe | Kompressor |
|---|---|---|
| Einlassflüssigkeitsphase | Dichte Flüssigkeit ähnlich | Gasartig oder nahezu kritisch |
| Typisches Druckverhältnis | Niedrig bis mäßig | Mäßig bis hoch |
| Fußabdruck | Kompakt, insbesondere mehrstufig | Größer mit Ladeluftkühlung |
| Effizienz | Gut in der dichten Phase | Besser bei höheren Druckverhältnissen |
| Kavitationsgefahr | Hoch ohne NPSH-Marge | Niedrig |
Bei einem überkritischen CO2-Kreislauf nimmt die Pumpe häufig einen flüssigkeitsähnlichen Strom in der Nähe des kritischen Punktes auf und erhöht ihn auf den Betriebsdruck. Die Dichte auf der Saugseite ist hoch, während das Verdichtungsverhältnis relativ niedrig ist. Das ist der optimale Punkt für eine mehrstufige Kreiselpumpe. Um den gleichen Massenstrom zu erreichen, bräuchte ein Kompressor ein deutlich größeres Gehäuse und eine höhere Leistung. Die Kreiselpumpe kann Druck mit kinetischer Energie erzeugen, nicht durch Volumenreduzierung, was bei Dichtphasenbedingungen günstig ist.
API 610 Standard-Chemiepumpe für den Dichtphasenbetrieb Diese API 610-Kreiselpumpe eignet sich für den Einsatz von überkritischem CO2 in dichter Phase, bietet statische Abdichtung zur Minimierung von Leckagen und unterstützt chemische Hochdruckprozesse. Produkt anzeigen → Designherausforderungen bei einer Kreiselpumpe für den überkritischen Betrieb
Echte Flüssigkeitseigenschaften sind wichtig
Bemessen Sie eine Pumpe für überkritische Flüssigkeiten nicht nach Wassereigenschaften. In der Nähe des kritischen Punktes ändern sich Dichte, Viskosität und Dampfdruck bei kleinen Temperatur- und Druckänderungen schnell. Bei Kohlendioxid können kleine Druckänderungen große Dichteverschiebungen verursachen. Verwenden Sie eine Zustandsgleichung für reale Gase oder eine zuverlässige Eigenschaftsdatenbank, wenn Sie die erforderliche Pumpenförderhöhe und den verfügbaren saugseitigen NPSH-Wert berechnen.
NPSH ist das erste Risiko
Überkritisches CO2 hat am kritischen Punkt einen Dampfdruck, der dem kritischen Druck entspricht. Wenn die Flüssigkeit nicht weit unter diesen Wert unterkühlt wird, kann ein geringer Druckverlust in der Saugleitung die Flüssigkeit in die Sättigungslinie ziehen und zu Verdampfen führen. Aus diesem Grund muss die Pumpe einen niedrigen NPSH-Wert aufweisen und die Saugleitungen müssen die Druckverluste auf ein Minimum beschränken. Induktoren und vertikale mehrstufige Anordnungen können helfen. Eine häufige Fehlerursache ist Kavitation, die durch eine schlechte NPSH-Marge verursacht wird. Die Folge können Geräusche, Vibrationen, Lochfraß im Laufrad und plötzlicher Druckverlust sein. Wenn Sie einen detaillierten Ansatz zur Fehlerbehebung wünschen, lesen Sie die Kavitationsmechanismen, die in diesem Handbuch beschrieben werden .
Mehrstufiges oder Hochgeschwindigkeitsdesign
Wenn der erforderliche Förderdruck hoch ist, läuft eine einstufige Pumpe möglicherweise zu schnell oder hat einen zu großen Radialschub. Eine mehrstufige Pumpe ist oft besser geeignet, da sie die Förderhöhe auf mehrere Laufräder verteilt. Dadurch wird die Pumpe stabiler und Sie können die Pumpengeschwindigkeit im Dichtstrombetrieb angemessen halten.
Vertikale mehrstufige Pumpe für Hochdruck-Dichtphasenanwendungen Diese vertikale mehrstufige Pumpe ist ideal für hohe Förderdrücke und teilt die Förderhöhe auf mehrere Stufen auf, um eine angemessene Geschwindigkeit und Stabilität im Dichtstrombetrieb aufrechtzuerhalten. Produkt anzeigen → Abdichtung und Eindämmung bei hohem Druck
Überkritische Flüssigkeiten sind oft gefährlich, giftig oder teuer. Kohlendioxid ist nicht giftig, aber erstickend, und überkritisches CO2 ist ein gutes Lösungsmittel. Die Pumpe muss Leckagen vermeiden. Standard-Gleitringdichtungen erfordern einen robusten Dichtungsspülplan und können dennoch kleine Mengen ausstoßen. Für einen kontinuierlichen, unbeaufsichtigten Betrieb gibt es ein starkes Argument für eine dichtungslose Pumpe. Spaltrohrpumpen und Kreiselpumpen mit Magnetantrieb halten die Flüssigkeit ohne dynamische Wellendichtung in der Pumpe. Dies gilt sowohl für Hochdruckprozesse als auch für Anwendungen, bei denen Kontaminationen vermieden werden müssen.
Hochdruck-Prozesspumpen für Raffinerie- und Chemiedienste sollten den API 610-Standards entsprechen. A Leckagefreie magnetische Chemiepumpe kann das Risiko eines Flüssigkeitsaustritts durch die Dichtung eliminiert werden.
Dichtungslose Spaltrohrpumpe für Flüssigkeiten mit hoher Temperatur und hohem Druck Diese Spaltrohrpumpe wurde für chemische Medien mit hoher Temperatur und hohem Druck entwickelt und verwendet einen abgeschirmten Motor, um dynamische Dichtungen zu eliminieren und Leckagen in überkritischen Prozessen zu verhindern. Produkt anzeigen → Häufige Anwendungen für Kreiselpumpen für überkritische Flüssigkeiten
- Überkritische CO2-Extraktion für Hopfen, Kaffee, Pflanzenöle, Aromen und pharmazeutische Inhaltsstoffe.
- Überkritische CO2-Kraftprozesse, einschließlich Brayton-Zyklen, bei denen sich das Arbeitsmedium vor der Kompression nahe dem kritischen Punkt befindet.
- Verbesserte Ölgewinnungs- und Kohlenstoffabscheidungspipelines, bei denen CO2 in dichter Phase unter Druck gesetzt und transportiert werden muss.
- Komprimierbarer Einsatz von dichtphasigem Ethylen in petrochemischen Anlagen, wo eine mehrstufige Pumpe den Bedarf an einem Kompressorsystem reduzieren kann.
Pumpen sind keine Universallösung. Wenn die angesaugte Flüssigkeit sehr gasartig ist, sollten Sie mit Kompressoren beginnen. Wenn der Prozess einen sehr hohen Druck, aber einen geringen Massenstrom erfordert, ist eine Kolbenpumpe möglicherweise besser geeignet. Kreiselpumpen sind am nützlichsten, wenn die Flüssigkeit dicht ist, der Fluss kontinuierlich ist und das Druckverhältnis moderat ist.
Auswahl-Checkliste für eine Pumpe für überkritische Flüssigkeiten
- Erhalten Sie den genauen Dampfdruck, die Dichte, die Viskosität und die Kompressibilität bei der Pumpeneinlasstemperatur und dem Pumpeneinlassdruck. Verwenden Sie für CO2 eine Realgas-Zustandsgleichung oder für andere Flüssigkeiten eine vergleichbare Methode.
- Definieren Sie den maximalen Förderdruck, die Gehäuseleistung und die Flanschleistung, bevor Sie einen Lieferanten um ein Angebot bitten.
- Berechnen Sie den verfügbaren NPSH-Wert und halten Sie einen Abstand von mindestens 0,5 m bis 1 m über dem erforderlichen NPSH-Wert der Pumpe ein.
- Wählen Sie eine mehrstufige oder Hochgeschwindigkeitspumpe, wenn die Gesamtförderhöhe hoch, der NPSH-Wert jedoch begrenzt ist.
- Wählen Sie eine Versiegelungsstrategie. Erwägen Sie Spaltrohr- oder Magnetpumpen, wenn die Flüssigkeit nicht austreten darf.
- Überprüfen Sie Materialien auf Löslichkeit, Ausdehnung und chemische Verträglichkeit. Überkritisches CO2 kann als Lösungsmittel wirken und Elastomere und Beschichtungen verändern.
- Berücksichtigen Sie Prozesstransienten. Eine Pumpe, die stationäre Bedingungen erfüllt, kann beim Starten, Herunterfahren oder bei Druckschwankungen ausfallen.
Es reicht nicht aus, eine Pumpe mit hoher Förderhöhe zu wählen. Die Pumpenkennlinie, die Laufradgeschwindigkeit, das Gehäusedesign und der NPSH-Bereich müssen auf die tatsächliche Flüssigkeit abgestimmt sein. Eine Pumpe, die für Wasser funktioniert, ist für überkritisches CO2 oft die falsche Wahl. Dies ist ein häufiges Beschaffungsrisiko bei Prozessanlagenprojekten.
Warum Geräteerfahrung bei überkritischen Projekten wichtig ist
Überkritische Fluidprozesse stellen für viele Ingenieurteams immer noch eine Herausforderung dar. Das Flüssigkeitsverhalten ist nicht dasselbe wie das von Wasser und die Betriebsbedingungen liegen nahe am Rand der Phasengrenzen. Ein Pumpenhersteller, der API 610-Prozesspumpen, Hochdruck-Spaltrohrpumpen und vertikale mehrstufige Pumpen gebaut hat, hat eine bessere Chance, die Details zu erfassen, bevor Sie eine Bestellung aufgeben. Der Hersteller muss die NPSH-Marge, die hydraulische Auswahl und die Eindämmungsmethode gemeinsam bestätigen.
Abschließender Rat: Teilen Sie dem Pumpenlieferanten den Massenstrom, die Einlasstemperatur, den Saugdruck und den Auslassdruck unter Verwendung realer Flüssigkeitseigenschaften mit. Nur so erhalten Sie die richtige Kreiselpumpe für überkritische Flüssigkeiten.
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