Bomba Centrífuga para Fluidos Supercríticos: Projeto, Seleção e Aplicações

Os fluidos supercríticos ficam entre o gás e o líquido, e isso cria um problema prático de bomba. O dióxido de carbono, por exemplo, atinge o seu ponto crítico a cerca de 31,1°C e 7,38 MPa. Acima desses valores, não é um gás, mas um fluido denso e compressível. A densidade é próxima à de um líquido, mas o fluido se comprime como um gás. Esse comportamento altera a forma como você seleciona uma bomba e como prevê seu desempenho.

A resposta curta é que uma bomba centrífuga pode funcionar bem para fluidos supercríticos quando o fluido é denso e a relação de pressão necessária é moderada. Muitas vezes é mais compacto e mais eficiente do que um compressor nessas condições. Mas a bomba deve ser selecionada com propriedades de fluido reais, uma margem NPSH forte e uma estratégia de vedação cuidadosa. As suposições baseadas na água geralmente terminarão em cavitação ou baixo fluxo.

Bomba centrífuga ou compressor? Escolha com base na densidade do fluido

Os compressores são candidatos naturais a gases. As bombas centrífugas são candidatas naturais para líquidos. Fluidos supercríticos podem tornar ambas as opções questionáveis. A decisão geralmente se resume à densidade do fluido na entrada da bomba e ao aumento de pressão total necessário para o processo.

Para um ciclo de CO2 supercrítico, a bomba geralmente pega um fluxo semelhante a um líquido próximo ao ponto crítico e o eleva até a pressão operacional. A densidade no lado de sucção é alta, enquanto a taxa de compressão é relativamente baixa. Esse é o ponto ideal para uma bomba centrífuga multiestágio. Um compressor precisaria de um invólucro muito maior e de maior potência para atingir o mesmo fluxo de massa. A bomba centrífuga pode produzir pressão com energia cinética, e não reduzindo o volume, o que é favorável em condições de fase densa.

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Desafios de projeto em uma bomba centrífuga para serviços supercríticos

As propriedades reais dos fluidos são importantes

Não dimensione uma bomba de fluido supercrítico com propriedades de água. Perto do ponto crítico, a densidade, a viscosidade e a pressão de vapor mudam rapidamente com pequenas mudanças na temperatura e na pressão. Para o dióxido de carbono, pequenas alterações de pressão podem causar grandes alterações de densidade. Use uma equação de estado de gás real ou um banco de dados de propriedades confiável ao calcular a altura manométrica necessária da bomba e o NPSH disponível no lado da sucção.

NPSH é o primeiro risco

O CO2 supercrítico no ponto crítico tem uma pressão de vapor igual à pressão crítica. Se o fluido não for sub-resfriado bem abaixo dessa condição, uma pequena perda de pressão na linha de sucção pode puxar o fluido para a linha de saturação e causar flashing. É por isso que a bomba deve ter um NPSH baixo e a tubulação de sucção deve manter as perdas de pressão no mínimo. Indutores e arranjos verticais de múltiplos estágios podem ajudar. Uma causa comum de falha é a cavitação causada por uma margem NPSH deficiente. O resultado pode ser ruído, vibração, corrosão do impulsor e perda repentina de carga. Se você quiser uma abordagem detalhada para solução de problemas, consulte o mecanismos de cavitação descritos neste guia .

Projeto de vários estágios ou de alta velocidade

Quando a pressão de descarga necessária é alta, uma bomba monofásica pode funcionar muito rápido ou ter muito empuxo radial. Uma bomba multiestágio geralmente é mais adequada porque divide a altura manométrica em vários impulsores. Isso torna a bomba mais estável e permite manter a velocidade da bomba razoável em serviço em fase densa.

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Vedação e Contenção em Alta Pressão

Os fluidos supercríticos geralmente são perigosos, tóxicos ou caros. O dióxido de carbono não é tóxico, mas é asfixiante, e o CO2 supercrítico é um bom solvente. A bomba deve evitar vazamentos. Os selos mecânicos padrão exigem um plano de descarga de vedação robusto e ainda podem emitir pequenas quantidades. Para um serviço contínuo e sem supervisão, há um forte argumento em favor de uma bomba sem vedação. Bombas enlatadas e bombas centrífugas de acionamento magnético mantêm o fluido dentro da bomba sem uma vedação dinâmica do eixo. Isto é importante para processos de alta pressão, bem como para aplicações onde a contaminação deve ser evitada.

As bombas de processo de alta pressão para refinarias e serviços químicos devem seguir os padrões API 610. Um bomba química magnética com vazamento zero pode eliminar o risco de vazamento de fluido pela vedação.

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Aplicações comuns para bombas centrífugas em fluidos supercríticos

• Extração supercrítica de CO2 para lúpulo, café, óleos botânicos, sabores e ingredientes farmacêuticos.
• Ciclos de potência de CO2 supercrítico, incluindo ciclos Brayton onde o fluido de trabalho está próximo do ponto crítico antes da compressão.
• Recuperação aprimorada de petróleo e oleodutos de captura de carbono onde o CO2 de fase densa deve ser pressurizado e transportado.
• Serviço de etileno compressível de fase densa em plantas petroquímicas, onde uma bomba multiestágio pode reduzir a necessidade de um sistema de compressor.

As bombas não são uma solução universal. Se o fluido na sucção for muito gasoso, você deve começar com compressores. Se o processo exigir pressão muito alta, mas fluxo de massa baixo, uma bomba de êmbolo pode ser mais apropriada. As bombas centrífugas são mais úteis quando o fluido é denso, o fluxo é contínuo e a relação de pressão é moderada.

Lista de verificação de seleção para uma bomba de fluido supercrítico

1. Obtenha a pressão de vapor, densidade, viscosidade e compressibilidade precisas na temperatura e pressão de entrada da bomba. Use uma equação de estado de gás real para CO2 ou um método comparável para outros fluidos.
2. Defina a pressão máxima de descarga, a classificação do revestimento e a classificação do flange antes de solicitar um orçamento ao fornecedor.
3. Calcule o NPSH disponível e mantenha uma margem de pelo menos 0,5 m a 1 m acima do NPSH necessário para a bomba.
4. Escolha uma bomba multiestágio ou de alta velocidade quando a altura manométrica total for alta, mas o NPSH for limitado.
5. Selecione uma estratégia de vedação. Considere bombas enlatadas ou de acionamento magnético se o fluido não puder vazar.
6. Revise os materiais quanto à solubilidade, expansão e compatibilidade química. O CO2 supercrítico pode atuar como solvente e alterar elastômeros e revestimentos.
7. Considere os transientes do processo. Uma bomba que satisfaça condições de estado estacionário pode falhar durante a partida, desligamento ou oscilações de pressão.

Não basta escolher uma bomba com altura manométrica elevada. A curva da bomba, a velocidade do impulsor, o design da carcaça e a margem NPSH devem corresponder ao fluido real. Uma bomba que funcione para água será muitas vezes a escolha errada para CO2 supercrítico. Este é um risco comum de aquisição em projetos de plantas de processo.

Por que a experiência do equipamento é importante em projetos supercríticos

Os processos com fluidos supercríticos ainda são um desafio para muitas equipes de engenharia. O comportamento do fluido não é o mesmo da água e as condições operacionais estão próximas dos limites das fases. Um fabricante de bombas que construiu bombas de processo API 610, bombas enlatadas de alta pressão e bombas verticais multiestágios tem mais chances de obter os detalhes antes de fazer o pedido. O fabricante deve confirmar a margem NPSH, a seleção hidráulica e o método de contenção em conjunto.

Conselho final: forneça ao fornecedor da bomba o fluxo de massa, a temperatura de entrada, a pressão de sucção e a pressão de descarga usando propriedades reais do fluido. Essa é a única maneira de obter a bomba centrífuga correta para fluidos supercríticos.