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초임계 유체는 가스와 액체 사이에 존재하며 이로 인해 실제적인 펌프 문제가 발생합니다. 예를 들어, 이산화탄소는 약 31.1°C 및 7.38MPa에서 임계점에 도달합니다. 이 값 이상에서는 가스가 아니라 밀도가 높고 압축 가능한 유체입니다. 밀도는 액체에 가깝지만 유체는 가스처럼 압축됩니다. 이 동작은 펌프 선택 방법과 성능 예측 방법을 변경합니다.
짧은 대답은 원심 펌프가 유체의 밀도가 높고 필요한 압력 비율이 적당할 때 초임계 유체에 대해 잘 작동할 수 있다는 것입니다. 이러한 조건에서는 압축기보다 더 컴팩트하고 효율적인 경우가 많습니다. 그러나 실제 유체 특성, 강력한 NPSH 마진 및 신중한 밀봉 전략을 갖춘 펌프를 선택해야 합니다. 물 기반 가정은 일반적으로 캐비테이션 또는 저유량으로 끝납니다.
원심 펌프 또는 압축기? 유체 밀도를 기준으로 선택
압축기는 가스의 자연스러운 후보입니다. 원심 펌프는 액체에 대한 자연스러운 후보입니다. 초임계 유체는 두 가지 옵션을 모두 의심스럽게 만들 수 있습니다. 일반적으로 결정은 펌프 입구의 유체 밀도와 공정에 필요한 전체 압력 상승에 따라 결정됩니다.
| 속성 | 원심펌프 | 압축기 |
|---|---|---|
| 입구 유체 상 | 밀도가 높은 액체형 | 가스와 유사하거나 거의 임계 수준 |
| 일반적인 압력 비율 | 낮음~보통 | 보통에서 높음 |
| 발자국 | 소형, 특히 다단계 | 인터쿨링으로 더 커짐 |
| 효율성 | 조밀한 단계에서 좋음 | 더 높은 압력 비율에서 더 좋음 |
| 캐비테이션 위험 | NPSH 마진 없이 높음 | 낮음 |
초임계 CO2 사이클의 경우 펌프는 종종 임계점 근처에서 액체와 같은 흐름을 가져와 이를 작동 압력까지 높입니다. 흡입측 밀도는 높은 반면 압축비는 상대적으로 낮습니다. 이것이 다단식 원심 펌프의 최적 지점입니다. 압축기는 동일한 질량 흐름을 달성하기 위해 훨씬 더 큰 케이싱과 더 높은 전력이 필요합니다. 원심 펌프는 부피를 줄이는 것이 아니라 운동 에너지로 압력을 생성할 수 있으며 이는 밀집 상태 조건에 유리합니다.
API 610 고밀도 서비스용 표준 화학 펌프 이 API 610 원심 펌프는 밀집상 초임계 CO2 서비스에 적합하며 정적 밀봉 기능을 제공하여 누출을 최소화하고 고압 화학 공정을 지원합니다. 제품보기 → 초임계 서비스용 원심 펌프의 설계 과제
실제 유체 특성이 중요합니다
물 특성을 지닌 초임계 유체 펌프의 크기를 조정하지 마십시오. 임계점 근처에서는 온도와 압력의 작은 변화에도 밀도, 점도 및 증기압이 모두 빠르게 변합니다. 이산화탄소의 경우 작은 압력 변화로 인해 큰 밀도 변화가 발생할 수 있습니다. 필요한 펌프 헤드와 사용 가능한 흡입측 NPSH를 계산할 때 실제 가스 상태 방정식 또는 신뢰할 수 있는 속성 데이터베이스를 사용하십시오.
NPSH가 첫 번째 위험입니다
임계점의 초임계 CO2는 임계압력과 동일한 증기압을 갖습니다. 유체가 해당 조건 이하로 충분히 과냉각되지 않으면 흡입 라인의 작은 압력 손실로 인해 유체가 포화 라인으로 당겨져 플래싱이 발생할 수 있습니다. 이것이 바로 펌프에 필요한 NPSH가 낮아야 하고 흡입 배관의 압력 손실을 최소한으로 유지해야 하는 이유입니다. 유도 장치와 수직 다단계 배열이 도움이 될 수 있습니다. 실패의 일반적인 원인은 열악한 NPSH 마진으로 인한 캐비테이션입니다. 그 결과 소음, 진동, 임펠러 구멍 및 갑작스러운 양정 손실이 발생할 수 있습니다. 자세한 문제 해결 방법을 원할 경우 다음을 참조하세요. 이 가이드에 설명된 캐비테이션 메커니즘 .
다단계 또는 고속 설계
필요한 토출 압력이 높으면 단일 스테이지 펌프가 너무 빠르게 작동하거나 방사형 추력이 너무 커질 수 있습니다. 다단 펌프는 헤드를 여러 임펠러로 나누기 때문에 더 적합할 때가 많습니다. 이는 펌프를 더욱 안정적으로 만들고 밀집 단계 서비스에서 펌프 속도를 합리적으로 유지할 수 있게 해줍니다.
고압 밀도상 응용분야를 위한 수직형 다단 펌프 높은 토출 압력에 이상적인 이 수직 다단 펌프는 헤드를 여러 단계로 나누어 밀도가 높은 단계 작동에서 합리적인 속도와 안정성을 유지합니다. 제품보기 → 고압에서의 밀봉 및 봉쇄
초임계 유체는 위험하거나 독성이 있거나 비용이 많이 드는 경우가 많습니다. 이산화탄소는 독성은 없지만 질식성이 있으며, 초임계 CO2는 좋은 용매입니다. 펌프는 누출을 피해야 합니다. 표준 기계식 씰에는 견고한 씰 플러시 계획이 필요하며 여전히 소량을 방출할 수 있습니다. 지속적인 무인 서비스를 위해서는 씰이 없는 펌프가 필요하다는 강력한 주장이 있습니다. 캔 펌프와 자기 구동 원심 펌프는 동적 샤프트 씰 없이 펌프 내부의 유체를 유지합니다. 이는 고압 공정뿐만 아니라 오염을 피해야 하는 응용 분야에도 중요합니다.
정유 및 화학 서비스용 고압 공정 펌프는 API 610 표준을 따라야 합니다. 에이 누출이 없는 자기 화학 펌프 씰을 통해 유체가 누출되는 위험을 제거할 수 있습니다.
고온 고압 유체용 씰이 없는 캔 펌프 고온 및 고압 화학 매체용으로 설계된 이 캔 펌프는 차폐 모터를 사용하여 동적 밀봉을 제거하고 초임계 공정에서 누출을 방지합니다. 제품보기 → 초임계 유체 원심 펌프의 일반적인 응용 분야
- 홉, 커피, 식물성 오일, 향료 및 제약 성분을 위한 초임계 CO2 추출.
- 작동 유체가 압축 전 임계점 근처에 있는 Brayton 사이클을 포함한 초임계 CO2 전력 사이클.
- 밀도가 높은 CO2를 가압하고 운송해야 하는 향상된 오일 회수 및 탄소 포집 파이프라인.
- 다단계 펌프로 압축기 시스템의 필요성을 줄일 수 있는 석유화학 플랜트의 압축성 조밀상 에틸렌 서비스입니다.
펌프는 보편적인 솔루션이 아닙니다. 흡입 시 유체가 가스와 매우 유사한 경우 압축기부터 시작해야 합니다. 공정에 매우 높은 압력이 필요하지만 질량 유량이 낮은 경우 플런저 펌프가 더 적합할 수 있습니다. 원심 펌프는 유체의 밀도가 높고 흐름이 연속적이며 압력 비율이 적당할 때 가장 유용합니다.
초임계 유체 펌프 선택 체크리스트
- 펌프 입구 온도 및 압력에서 정확한 증기압, 밀도, 점도 및 압축성을 얻습니다. CO2에 대한 실제 가스 상태 방정식을 사용하거나 다른 유체에 대해 유사한 방법을 사용합니다.
- 공급업체에 견적을 요청하기 전에 최대 토출 압력, 케이싱 등급 및 플랜지 등급을 정의하십시오.
- 사용 가능한 NPSH를 계산하고 필요한 펌프 NPSH보다 최소 0.5m~1m의 여유를 유지하십시오.
- 총 양정이 높지만 NPSH가 제한되는 경우 다단 또는 고속 펌프를 선택하십시오.
- 봉인 전략을 선택합니다. 유체가 누출될 수 없는 경우 캔형 펌프 또는 자기 구동 펌프를 고려하십시오.
- 용해도, 팽창 및 화학적 호환성에 대해 재료를 검토합니다. 초임계 CO2는 용매로 작용하여 엘라스토머와 코팅을 변경할 수 있습니다.
- 프로세스 과도 현상을 고려하십시오. 정상 상태 조건을 충족하는 펌프는 시동, 정지 또는 압력 변동 중에 고장날 수 있습니다.
양정이 높은 펌프를 선택하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 펌프 곡선, 임펠러 속도, 케이싱 설계 및 NPSH 마진은 실제 유체와 일치해야 합니다. 초임계 CO2에는 물에 작동하는 펌프가 잘못된 선택인 경우가 많습니다. 이는 공정 플랜트 프로젝트에서 흔히 발생하는 조달 위험입니다.
초임계 프로젝트에서 장비 경험이 중요한 이유
초임계 유체 공정은 여전히 많은 엔지니어링 팀에게 어려운 과제입니다. 유체 거동은 물과 동일하지 않으며 작동 조건은 상 경계 가장자리 근처에 있습니다. API 610 프로세스 펌프, 고압 캔 펌프 및 수직 다단계 펌프를 제작한 펌프 제조업체는 주문하기 전에 세부 사항을 파악할 가능성이 더 높습니다. 제조업체는 NPSH 마진, 유압 선택 및 봉쇄 방법을 함께 확인해야 합니다.
최종 조언: 실제 유체 특성을 사용하여 펌프 공급업체에 질량 흐름, 입구 온도, 흡입 압력 및 토출 압력을 제공합니다. 이것이 초임계 유체에 적합한 원심 펌프를 얻는 유일한 방법입니다.
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