Pompe centrifuge pour fluides supercritiques : conception, sélection et applications

Les fluides supercritiques se situent entre le gaz et le liquide, ce qui crée un problème pratique de pompe. Le dioxyde de carbone, par exemple, atteint son point critique à environ 31,1°C et 7,38 MPa. Au-delà de ces valeurs, ce n’est pas un gaz mais un fluide dense et compressible. La densité est proche d'un liquide, mais le fluide se comprime comme un gaz. Ce comportement modifie la façon dont vous sélectionnez une pompe et dont vous prédisez ses performances.

La réponse courte est qu'une pompe centrifuge peut bien fonctionner pour les fluides supercritiques lorsque le fluide est dense et que le rapport de pression requis est modéré. Il est souvent plus compact et plus efficace qu’un compresseur dans ces conditions. Mais la pompe doit être sélectionnée avec de réelles propriétés de fluide, une forte marge NPSH et une stratégie d'étanchéité minutieuse. Les hypothèses basées sur l’eau aboutiront généralement à une cavitation ou à un faible débit.

Pompe centrifuge ou compresseur ? Choisissez en fonction de la densité du fluide

Les compresseurs sont des candidats naturels pour les gaz. Les pompes centrifuges sont des candidates naturelles pour les liquides. Les fluides supercritiques peuvent rendre les deux options discutables. La décision dépend généralement de la densité du fluide à l’entrée de la pompe et de l’augmentation totale de la pression nécessaire au processus.

Pour un cycle de CO2 supercritique, la pompe prélève souvent un flux liquide près du point critique et l'élève jusqu'à la pression de fonctionnement. La densité côté aspiration est élevée, tandis que le taux de compression est relativement faible. C’est l’endroit idéal pour une pompe centrifuge multicellulaire. Un compresseur aurait besoin d’un boîtier beaucoup plus grand et d’une puissance plus élevée pour atteindre le même débit massique. La pompe centrifuge peut produire une pression avec de l'énergie cinétique, sans réduire le volume, ce qui est favorable dans des conditions de phase dense.

Pompe chimique standard API 610 pour service en phase dense Cette pompe centrifuge API 610 est adaptée au service de CO2 supercritique en phase dense, offrant une étanchéité statique pour minimiser les fuites et prenant en charge les processus chimiques à haute pression. Voir le produit →

Défis de conception dans une pompe centrifuge pour service supercritique

Les véritables propriétés des fluides sont importantes

Ne dimensionnez pas une pompe à fluide supercritique ayant des propriétés aqueuses. Près du point critique, la densité, la viscosité et la pression de vapeur changent toutes rapidement avec de petits changements de température et de pression. Pour le dioxyde de carbone, de petits changements de pression peuvent entraîner d’importants changements de densité. Utilisez une équation d'état du gaz réel ou une base de données de propriétés fiable lorsque vous calculez la hauteur de pompe requise et le NPSH côté aspiration disponible.

NPSH est le premier risque

Le CO2 supercritique au point critique a une pression de vapeur égale à la pression critique. Si le fluide n'est pas sous-refroidi bien en dessous de cette condition, une petite perte de pression dans la conduite d'aspiration peut attirer le fluide vers la conduite de saturation et provoquer un clignotement. C'est pourquoi la pompe doit avoir un faible NPSH requis et la tuyauterie d'aspiration doit maintenir les pertes de charge au minimum. Les inducteurs et les arrangements verticaux à plusieurs étages peuvent aider. Une cause fréquente de défaillance est la cavitation provoquée par une mauvaise marge NPSH. Le résultat peut être du bruit, des vibrations, des piqûres de la turbine et une perte soudaine de charge. Si vous souhaitez une approche de dépannage détaillée, consultez le mécanismes de cavitation décrits dans ce guide .

Conception à plusieurs étages ou à grande vitesse

Lorsque la pression de refoulement requise est élevée, une pompe à un étage peut fonctionner trop vite ou avoir une poussée radiale trop importante. Une pompe à plusieurs étages est souvent mieux adaptée car elle divise la tête sur plusieurs roues. Cela rend la pompe plus stable et vous permet de maintenir une vitesse de pompe raisonnable en service en phase dense.

Pompe multicellulaire verticale pour applications en phase dense haute pression Idéale pour les pressions de refoulement élevées, cette pompe multicellulaire verticale divise la tête entre les étages, maintenant une vitesse et une stabilité raisonnables dans les opérations en phase dense. Voir le produit →

Étanchéité et confinement à haute pression

Les fluides supercritiques sont souvent dangereux, toxiques ou coûteux. Le dioxyde de carbone n'est pas toxique mais asphyxiant, et le CO2 supercritique est un bon solvant. La pompe doit éviter les fuites. Les garnitures mécaniques standard nécessitent un plan de rinçage robuste et peuvent encore émettre de petites quantités. Pour un service continu et sans surveillance, il existe de solides arguments en faveur d'une pompe sans joint. Les pompes en conserve et les pompes centrifuges à entraînement magnétique maintiennent le fluide à l'intérieur de la pompe sans joint d'arbre dynamique. Ceci est important pour les processus à haute pression ainsi que pour les applications où la contamination doit être évitée.

Les pompes de procédé haute pression destinées aux raffineries et aux services chimiques doivent respecter les normes API 610. Un pompe chimique magnétique sans fuite peut éliminer le risque de fuite de liquide à travers le joint.

Pompe en conserve sans joint pour fluides haute pression à haute température Conçue pour les fluides chimiques à haute température et haute pression, cette pompe en conserve utilise un moteur blindé pour éliminer les joints dynamiques, empêchant ainsi les fuites dans les processus supercritiques. Voir le produit →

Applications courantes des pompes centrifuges sur fluides supercritiques

• Extraction au CO2 supercritique pour le houblon, le café, les huiles botaniques, les arômes et les ingrédients pharmaceutiques.
• Cycles de puissance au CO2 supercritique, y compris les cycles de Brayton où le fluide de travail est proche du point critique avant compression.
• Pipelines améliorés de récupération du pétrole et de captage du carbone où le CO2 en phase dense doit être pressurisé et transporté.
• Service d'éthylène en phase dense compressible dans les usines pétrochimiques, où une pompe à plusieurs étages peut réduire le besoin d'un système de compresseur.

Les pompes ne sont pas une solution universelle. Si le fluide aspiré ressemble beaucoup à du gaz, vous devriez commencer par des compresseurs. Si le procédé nécessite une pression très élevée mais un faible débit massique, une pompe à piston peut être plus appropriée. Les pompes centrifuges sont plus utiles lorsque le fluide est dense, le débit est continu et le rapport de pression est modéré.

Liste de contrôle de sélection pour une pompe à fluide supercritique

1. Obtenez la pression de vapeur, la densité, la viscosité et la compressibilité précises à la température et à la pression d'entrée de la pompe. Utilisez une équation d’état de gaz réel pour le CO2 ou une méthode comparable pour d’autres fluides.
2. Définissez la pression de refoulement maximale, la valeur nominale du boîtier et la valeur nominale de la bride avant de demander un devis à un fournisseur.
3. Calculer le NPSH disponible et conserver une marge d'au moins 0,5 m à 1 m au dessus du NPSH de la pompe requis.
4. Choisissez une pompe multicellulaire ou à grande vitesse lorsque la hauteur totale est élevée mais que le NPSH est limité.
5. Sélectionnez une stratégie d’étanchéité. Envisagez des pompes en conserve ou à entraînement magnétique si le fluide ne peut pas fuir.
6. Examinez les matériaux pour vérifier leur solubilité, leur expansion et leur compatibilité chimique. Le CO2 supercritique peut agir comme solvant et altérer les élastomères et les revêtements.
7. Tenez compte des transitoires de processus. Une pompe qui satisfait aux conditions d'état stable peut tomber en panne lors du démarrage, de l'arrêt ou des variations de pression.

Il ne suffit pas de choisir une pompe à hauteur de refoulement élevée. La courbe de la pompe, la vitesse de la roue, la conception du corps et la marge NPSH doivent correspondre au fluide réel. Une pompe fonctionnant à l’eau sera souvent un mauvais choix pour le CO2 supercritique. Il s’agit d’un risque d’approvisionnement courant dans les projets d’usines de transformation.

Pourquoi l'expérience en matière d'équipement est importante dans les projets supercritiques

Les processus fluides supercritiques restent un défi pour de nombreuses équipes d’ingénierie. Le comportement du fluide n'est pas le même que celui de l'eau et les conditions de fonctionnement sont proches des limites des limites de phases. Un fabricant de pompes qui a construit des pompes de procédé API 610, des pompes en conserve haute pression et des pompes multicellulaires verticales a de meilleures chances de comprendre les détails avant de passer commande. Le fabricant doit confirmer ensemble la marge NPSH, la sélection hydraulique et la méthode de confinement.

Dernier conseil : indiquez au fournisseur de pompes le débit massique, la température d'entrée, la pression d'aspiration et la pression de refoulement en utilisant les propriétés réelles du fluide. C'est la seule façon d'obtenir la bonne pompe centrifuge pour les fluides supercritiques.