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Los fluidos supercríticos se encuentran entre el gas y el líquido, lo que crea un problema práctico en la bomba. El dióxido de carbono, por ejemplo, alcanza su punto crítico a unos 31,1°C y 7,38 MPa. Por encima de esos valores, no es un gas sino un fluido denso y comprimible. La densidad es cercana a la de un líquido, pero el fluido se comprime como un gas. Este comportamiento cambia la forma en que selecciona una bomba y cómo predice su rendimiento.
La respuesta corta es que una bomba centrífuga puede funcionar bien para fluidos supercríticos cuando el fluido es denso y la relación de presión requerida es moderada. Suele ser más compacto y más eficiente que un compresor en esas condiciones. Pero la bomba debe seleccionarse con propiedades de fluido reales, un margen de NPSH fuerte y una estrategia de sellado cuidadosa. Los supuestos basados en el agua normalmente terminarán en cavitación o flujo bajo.
¿Bomba centrífuga o compresor? Elija según la densidad del fluido
Los compresores son candidatos naturales para los gases. Las bombas centrífugas son candidatas naturales para líquidos. Los fluidos supercríticos pueden hacer que ambas opciones sean cuestionables. La decisión generalmente se reduce a la densidad del fluido en la entrada de la bomba y al aumento de presión total necesario para el proceso.
| Atributo | bomba centrífuga | Compresor |
|---|---|---|
| Fase de fluido de entrada | Líquido denso | Similar al gas o casi crítico |
| Relación de presión típica | Bajo a moderado | Moderado a alto |
| Huella | Compacto, especialmente multietapa | Más grande con intercooler |
| Eficiencia | Bueno en fase densa | Mejor en relaciones de presión más altas |
| Riesgo de cavitación | Alto sin margen NPSH | Bajo |
Para un ciclo de CO2 supercrítico, la bomba a menudo toma una corriente similar a un líquido cerca del punto crítico y la eleva a la presión de funcionamiento. La densidad en el lado de succión es alta, mientras que la relación de compresión es relativamente baja. Ese es el punto ideal para una bomba centrífuga multietapa. Un compresor necesitaría una carcasa mucho más grande y mayor potencia para lograr el mismo flujo másico. La bomba centrífuga puede producir presión con energía cinética, no reduciendo el volumen, lo cual es favorable en condiciones de fase densa.
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Las propiedades reales de los fluidos importan
No dimensione una bomba de fluido supercrítico con propiedades de agua. Cerca del punto crítico, la densidad, la viscosidad y la presión de vapor cambian rápidamente con pequeños cambios de temperatura y presión. En el caso del dióxido de carbono, pequeños cambios de presión pueden provocar grandes cambios de densidad. Utilice una ecuación de estado de gas real o una base de datos de propiedades confiable cuando calcule la altura de bomba requerida y el NPSH disponible en el lado de succión.
NPSH es el primer riesgo
El CO2 supercrítico en el punto crítico tiene una presión de vapor igual a la presión crítica. Si el fluido no se subenfría muy por debajo de esa condición, una pequeña pérdida de presión en la línea de succión puede empujar el fluido hacia la línea de saturación y provocar destellos. Es por esto que la bomba debe tener un NPSH bajo requerido y la tubería de succión debe mantener las pérdidas de presión al mínimo. Los inductores y las disposiciones verticales de varias etapas pueden ayudar. Una causa común de falla es la cavitación causada por un margen deficiente de NPSH. El resultado puede ser ruido, vibración, picaduras en el impulsor y pérdida repentina de carga. Si desea un enfoque detallado para la solución de problemas, consulte la Mecanismos de cavitación descritos en esta guía. .
Diseño multietapa o de alta velocidad
Cuando la presión de descarga requerida es alta, una bomba de una sola etapa puede funcionar demasiado rápido o tener demasiado empuje radial. Una bomba multietapa suele ser mejor porque divide la cabeza en varios impulsores. Esto hace que la bomba sea más estable y le permite mantener la velocidad de la bomba razonable en servicio de fase densa.
Bomba vertical multietapa para aplicaciones de fase densa de alta presión Ideal para alta presión de descarga, esta bomba vertical multietapa divide la cabeza en etapas, manteniendo una velocidad y estabilidad razonables en operaciones de fase densa. Ver producto → Sellado y contención a alta presión
Los fluidos supercríticos suelen ser peligrosos, tóxicos o caros. El dióxido de carbono no es tóxico pero sí asfixiante y el CO2 supercrítico es un buen disolvente. La bomba debe evitar fugas. Los sellos mecánicos estándar requieren un plan de lavado de sellos sólido y aún pueden emitir pequeñas cantidades. Para un servicio continuo y desatendido existe un fuerte argumento a favor de una bomba sin sello. Las bombas encapsuladas y las bombas centrífugas de accionamiento magnético mantienen el fluido dentro de la bomba sin un sello de eje dinámico. Esto es importante tanto para procesos de alta presión como para aplicaciones en las que se debe evitar la contaminación.
Las bombas de proceso de alta presión para refinerías y servicios químicos deben seguir los estándares API 610. un bomba química magnética sin fugas puede eliminar el riesgo de que el líquido se escape a través del sello.
Bomba encapsulada sin sello para fluidos a alta temperatura y alta presión Diseñada para medios químicos de alta temperatura y alta presión, esta bomba encapsulada utiliza un motor blindado para eliminar los sellos dinámicos, evitando fugas en procesos supercríticos. Ver producto → Aplicaciones comunes de bombas centrífugas en fluidos supercríticos
- Extracción de CO2 supercrítico para lúpulo, café, aceites botánicos, aromas e ingredientes farmacéuticos.
- Ciclos de potencia de CO2 supercrítico, incluidos los ciclos de Brayton donde el fluido de trabajo está cerca del punto crítico antes de la compresión.
- Tuberías mejoradas de recuperación de petróleo y captura de carbono donde se debe presurizar y transportar CO2 en fase densa.
- Servicio de etileno compresible de fase densa en plantas petroquímicas, donde una bomba multietapa puede reducir la necesidad de un sistema compresor.
Las bombas no son una solución universal. Si el fluido de succión es muy parecido a un gas, debe comenzar con los compresores. Si el proceso requiere una presión muy alta pero un flujo másico bajo, una bomba de émbolo puede ser más apropiada. Las bombas centrífugas son más útiles cuando el fluido es denso, el flujo es continuo y la relación de presión es moderada.
Lista de verificación de selección para una bomba de fluido supercrítico
- Obtenga la presión de vapor, densidad, viscosidad y compresibilidad precisas a la temperatura y presión de entrada de la bomba. Utilice una ecuación de estado de gas real para el CO2 o un método comparable para otros fluidos.
- Defina la presión máxima de descarga, la clasificación de la carcasa y la clasificación de la brida antes de solicitar una cotización a un proveedor.
- Calcule el NPSH disponible y mantenga un margen de al menos 0,5 ma 1 m por encima del NPSH requerido de la bomba.
- Elija una bomba multietapa o de alta velocidad cuando la altura total sea alta pero el NPSH sea limitado.
- Seleccione una estrategia de sellado. Considere bombas enlatadas o de accionamiento magnético si no se puede permitir que el líquido se escape.
- Revise los materiales para determinar su solubilidad, expansión y compatibilidad química. El CO2 supercrítico puede actuar como disolvente y alterar elastómeros y revestimientos.
- Considere los transitorios del proceso. Una bomba que satisface condiciones de estado estable puede fallar durante el arranque, el paro o los cambios de presión.
No basta con elegir una bomba con altura alta. La curva de la bomba, la velocidad del impulsor, el diseño de la carcasa y el margen NPSH deben coincidir con el fluido real. Una bomba que funcione para agua a menudo será la elección equivocada para CO2 supercrítico. Este es un riesgo de adquisición común en proyectos de plantas de proceso.
Por qué es importante la experiencia en equipos en proyectos supercríticos
Los procesos de fluidos supercríticos siguen siendo un desafío para muchos equipos de ingeniería. El comportamiento del fluido no es el mismo que el del agua y las condiciones de operación están cerca del borde de los límites de fase. Un fabricante de bombas que haya construido bombas de proceso API 610, bombas encapsuladas de alta presión y bombas verticales multietapa tiene más posibilidades de conocer los detalles antes de realizar el pedido. El fabricante debe confirmar juntos el margen NPSH, la selección hidráulica y el método de contención.
Consejo final: proporcione al proveedor de la bomba el flujo másico, la temperatura de entrada, la presión de succión y la presión de descarga utilizando propiedades reales del fluido. Esa es la única manera de conseguir la bomba centrífuga correcta para fluidos supercríticos.
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