超臨界流体用遠心ポンプ：設計・選定・用途

超臨界流体は気体と液体の間に存在するため、実際のポンプの問題が発生します。たとえば、二酸化炭素は約 31.1℃、7.38 MPa で臨界点に達します。これらの値を超えると、それは気体ではなく、高密度の圧縮性流体になります。密度は液体に近いですが、流体は気体のように圧縮されます。この動作により、ポンプの選択方法とそのパフォーマンスの予測方法が変わります。

簡単に言うと、遠心ポンプは、流体の密度が高く、必要な圧力比が中程度の場合、超臨界流体に対して適切に機能するということです。多くの場合、そのような条件ではコンプレッサーよりもコンパクトで効率的です。ただし、ポンプは実際の流体特性、強力な NPSH マージン、および慎重なシール戦略を備えて選択する必要があります。水ベースの仮定では、通常、キャビテーションまたは低流量が発生します。

遠心ポンプまたはコンプレッサー?流体の密度に基づいて選択してください

コンプレッサーはガスの当然の候補です。遠心ポンプは液体用の自然な候補です。超臨界流体では、両方の選択肢が疑問視される可能性があります。通常、決定はポンプ入口の流体密度とプロセスに必要な総圧力上昇によって決まります。

超臨界 CO2 サイクルの場合、ポンプは多くの場合、臨界点付近で液体状の流れを取り込み、それを動作圧力まで上昇させます。吸入側の密度は高く、圧縮比は比較的低くなります。それが多段遠心ポンプのスイートスポットです。コンプレッサーは、同じ質量流量を達成するには、はるかに大きなケーシングとより高い出力を必要とします。遠心ポンプは、体積を減らすのではなく、運動エネルギーによって圧力を生成できるため、濃密相条件では有利です。

API 610 濃密相サービス用標準ケミカルポンプ この API 610 遠心ポンプは、濃相超臨界 CO2 サービスに適しており、漏れを最小限に抑える静的シールを提供し、高圧化学プロセスをサポートします。 製品を見る→

超臨界用途向けの遠心ポンプの設計上の課題

実際の流体特性が重要

超臨界流体ポンプのサイズを水の特性に合わせて変更しないでください。臨界点付近では、温度と圧力がわずかに変化すると、密度、粘度、蒸気圧がすべて急速に変化します。二酸化炭素の場合、小さな圧力変化が大きな密度変化を引き起こす可能性があります。必要なポンプ ヘッドと利用可能な吸込側 NPSH を計算するときは、実ガスの状態方程式または信頼できる特性データベースを使用します。

NPSH は最初のリスクです

臨界点における超臨界 CO2 は臨界圧力と等しい蒸気圧を持ちます。流体がその条件よりも十分に過冷却されていない場合、吸引ライン内のわずかな圧力損失により流体が飽和ラインに引き込まれ、フラッシングが発生する可能性があります。このため、ポンプには低い NPSH が必要であり、吸入配管では圧力損失を最小限に抑える必要があります。インデューサーと垂直多段配置が役立ちます。故障の一般的な原因は、不十分な NPSH マージンによって引き起こされるキャビテーションです。その結果、騒音、振動、インペラのピッチング、突然のヘッドの損失が発生する可能性があります。詳細なトラブルシューティング方法が必要な場合は、 このガイドで説明されているキャビテーションのメカニズム .

多段または高速設計

必要な吐出圧力が高い場合、単段ポンプの動作が速すぎるか、ラジアル推力が大きすぎる可能性があります。多くの場合、多段ポンプの方が適しています。これは、ヘッドが複数のインペラに分割されているためです。これによりポンプがより安定し、濃厚相使用時にポンプ速度を適切に保つことができます。

高圧濃相用途向けの立型多段ポンプ 高い吐出圧力に最適なこの垂直多段ポンプは、ヘッドを複数の段に分割し、濃厚相操作でも適度な速度と安定性を維持します。 製品を見る→

高圧でのシールと封じ込め

超臨界流体は、多くの場合、危険、有毒、または高価です。二酸化炭素は毒性はありませんが窒息性があり、超臨界 CO2 は優れた溶媒です。ポンプは漏れを防止する必要があります。標準的なメカニカル シールには、堅牢なシール フラッシュ プランが必要ですが、それでも少量の排出が発生する可能性があります。継続的な無人サービスのためには、シールレスポンプを支持する強い主張があります。キャンドポンプと磁気駆動遠心ポンプは、ダイナミックシャフトシールなしで流体をポンプ内に保持します。これは、高圧プロセスや汚染を避けなければならない用途にとって重要です。

製油所および化学サービス用の高圧プロセス ポンプは、API 610 規格に準拠する必要があります。あ ゼロリーク磁気ケミカルポンプ シールを通って流体が漏れるリスクを排除できます。

高温高圧流体用シールレスキャンドポンプ 高温高圧の化学媒体用に設計されたこのキャンドポンプは、シールドモーターを使用して動的シールを排除し、超臨界プロセスでの漏れを防ぎます。 製品を見る→

超臨界流体における遠心ポンプの一般的な用途

• ホップ、コーヒー、植物油、香料、医薬品原料の超臨界 CO2 抽出。
• 超臨界 CO2 パワー サイクル (作動流体が圧縮前の臨界点近くにあるブレイトン サイクルを含む)。
• 濃厚相 CO2 を加圧して輸送する必要がある石油回収および炭素回収パイプラインの強化。
• 石油化学プラントにおける圧縮可能な濃相エチレンのサービス。多段ポンプによりコンプレッサー システムの必要性が軽減されます。

ポンプは万能な解決策ではありません。吸引時の流体が非常に気体状である場合は、コンプレッサーから始める必要があります。プロセスに非常に高い圧力が必要だが、質量流量が低い場合は、プランジャー ポンプの方が適切な場合があります。遠心ポンプは、流体の密度が高く、流れが連続的で、圧力比が中程度の場合に最も役立ちます。

超臨界流体ポンプ選定チェックリスト

1. ポンプ入口温度と圧力における正確な蒸気圧、密度、粘度、圧縮率を取得します。 CO2 には実気体の状態方程式を使用するか、他の流体には同等の方法を使用します。
2. サプライヤーに見積もりを依頼する前に、最大吐出圧力、ケーシング定格、およびフランジ定格を定義してください。
3. 利用可能な NPSH を計算し、必要なポンプ NPSH より少なくとも 0.5 m ～ 1 m 上のマージンを確保します。
4. 全揚程は高くても NPSH が制限されている場合は、多段ポンプまたは高速ポンプを選択してください。
5. シーリング戦略を選択します。液体の漏れが許されない場合は、缶入りポンプまたは磁気駆動ポンプを検討してください。
6. 溶解性、膨張性、化学的適合性について材料を確認してください。超臨界 CO2 は溶媒として作用し、エラストマーやコーティングを変化させる可能性があります。
7. プロセスの過渡現象を考慮してください。定常状態条件を満たしているポンプでも、起動時、停止時、または圧力変動中に故障する可能性があります。

高揚程のポンプを選択するだけでは十分ではありません。ポンプ曲線、インペラ速度、ケーシング設計、NPSH マージンは実際の流体と一致する必要があります。水に使用できるポンプは、超臨界 CO2 に対しては不適切な選択となることがよくあります。これは、プロセス プラント プロジェクトにおける一般的な調達リスクです。

超臨界プロジェクトで機器の経験が重要な理由

超臨界流体プロセスは、多くのエンジニアリング チームにとって依然として課題です。流体の挙動は水と同じではなく、動作条件は相境界の端近くになります。 API 610 プロセス ポンプ、高圧缶ポンプ、垂直多段ポンプを製造しているポンプ メーカーは、注文前に詳細を把握できる可能性が高くなります。メーカーは、NPSH マージン、油圧の選択、封じ込め方法を合わせて確認する必要があります。

最後のアドバイス: 実際の流体特性を使用して、質量流量、入口温度、吸入圧力、吐出圧力をポンプのサプライヤーに提供してください。それが、超臨界流体用の適切な遠心ポンプを入手する唯一の方法です。