Насосы и компрессоры для перекачки углекислоты CO2

Насос-компрессоры для подачи углекислого газа - применение

1. Сжижение давлением.

Газовые компрессоры и насос-компрессоры успешно применяются для сжижения CO2 в докритической области для рекуперации отработанного газа после реактора.

Также физически возможен дожим остатков углекислого газа из опустошенного баллона в заполненный с целью экономии газа, но экономически это не оправдано - стоимость эксплуатации компрессора превысит выгоду от экономии остатков газа СО2 с учетом его рыночной стоимости.

Жидкостные плунжерные насосы для этой задачи категорически не подходят.

2. Экструзия пенополистирола.

Насос-компрессоры HII применяются для повышения располагаемого кавитационного запаса перед дозирующим трехплунжерным насосом для питания экструдера.

Оптимальным решением является применение насос-компрессора в исполнении, стойком к взрывной декомпрессии.

Также допускается применение газового компрессора в исполнении, стойком к взрывной декомпрессии.

Газ подается от 20-кубового танка при температуре -19С, давлении 20 бар, где находится в жидкой фазе.

В процессе транспортировки по трубе СO2 от танка к насос-компрессору флюид нагревается и часть жидкой фазы вскипает, на всасывание приходит кипящая смесь фаз в примерном соотношении 50% х 50%.

При сжатии углекислоты в рабочей камере компрессора газовая фаза сжижается давлением, повышается располагаемый кавитационный запас на входе в дозирующий трехплунжерный насос, что обеспечивает его стабильную работу.

Применение плунжерных насосов для решения этой задачи теоретически возможно, но практически требуется установка холодильника или компрессора непосредственно на входе насоса. В противном случае в рабочей камере плунжерного насоса формируется газовая подушка, которую плунжер не способен прокачать.

Практика показывает, что экономический эффект от примениня насоса вместо компрессора для этой задачи полностью нивелируется решением проблем вскипания жидкой фазы.

Углекислота в этом значительно отличается от фреонов, проблем с которыми нет по причине более высоких температур кипения и большей стабильности газов.

3. Докритическая и сверхкритическая экстракция CO2 растительного сырья

При сверхкритической экстракции рекомендуется применение газовых компрессоров. Защита от взрывной декомпрессии не требуется при условии, что на всех стадиях работы оборудования не будет фазовых переходов газ-жидкость-газ.

При докритической экстракции могут применяться жидкостные насосы - они практически не подвержены взрывной декомпрессии. Также возможно применение насос-компрессоров и газовых компрессоров в исполнении, стойком к взрывной декомпрессии.

4. Заправка модулей углекислотного пожаротушения

Компрессоры и насос-компрессоры ускорят подачу углекислоты в модуль и позволят дозаправить по массе заряженный азотом модуль при утечке СО2.

Явление взрывной декомпрессии при работе с диоксидом углерода и методы борьбы.

Диоксид углерода при вскипании обладает отличными вспенивающими свойствами.

Это замечательное свойство диоксида углерода нашло широкое применение в линиях экструзии, заменив фреоны и другие дорогостоящие вспенивающие газы.

Аналогично вспениванию полистирола диоксида углерода успешно вспенивает уплотнения поршня и штока компрессора, превращая их в губку.

Описание процесса взрывной декомпрессии:

В жидкой фазе, обладая отличной проникающей способностью, CO2 проникает в поры уплотнений.

При относительно быстром вскипании происходит резкое расширение CO2 в порах уплотнения, вспенивание уплотнения.

Выход уплотнений из строя происходит мнгновенно.

Для борьбы со взрывной декомпрессией производители применяют специальные уплотнения, стойкие к углекислоте. Однако применение специальных уплотнений не гарантирует 100% защиту от взрывной декомпрессии.

Необходимо обеспечить правильный режим сброса давления из системы.

Критическая точка CO2, состояние вещества и подбор перекачивающего оборудования

Из справочной литературы известно, что критическая точка для диоксида углерода соответствует температуре 31,1 C (304,2 K); 73,8 бар изб.

В этой точке плотность среды в жидкой и газовой фазах становятся равны, поверхостное натяжение жидкой фазы становится равным нулю, исчезает граница раздела между жидкой фазой и газовой фазой (парами вещества).

Состояние вещества определяет именно температура, а никак не давление.

Примером сверхкритических сред являются воздух, азот, кислород при нормальных условиях - в бытовом представлении это газы, которые невозможно перевести в жидкую фазу никаким давлением. С точки зрения термодинамики это сверхкритические флюиды.

Рассмотрим различные случаи.

Случай 1: температура 31,1 С и выше, давление ниже 73,8 бар.

Температура углекислого газа в этом случае находится в сверхкритической области, давление ниже критической области.

Фазовое состояние: газ

Состояние вещества: сверхкритический флюид

При снижении давления снижается плотность вещества и она становится ниже той, которая была бы, если бы вещество находилось в жидком состоянии при том же давлении.

Бытовой пример: плотность пара воды в сауне при атмосферном давлении гораздо ниже плотности кипящей воды в чайнике.

Случай 2: температура 31,1 С и выше, давление равно или выше 73,8 бар.

Фазовое состояние: газ

Состояние вещества: сверхкритический флюид

Обратите внимание: до какого бы давления вы не сжимали углекислый газ при температуре выше 31,1 С, получить жидкую фазу невозможно.

Плотность газовой фазы равно плотности мнимой жидкой фазы при том же давлении во всем диапазоне давлений и температур.

Случай 3: температура диоксида углерода от -56,6 до С +31,1 С.

Состояние вещества: докритический флюид

Фазовое состояние: определяется кривой кипения CO2.

Случай 3.1. Температура флюида определяет точку кипения CO2, давление равно давлению кипения.

Фазовое состояние: жидкость с парами газовой фазы.

Это самый распространенный случай - углекислота находится в жидком состоянии и постоянно "кипит", давление в емкости поддерживается парами углекислоты и является неизменным при данной температуре.

При изменении температуры соответственно изменяется и давление в емкости.

Стравливание газа из емкости приводит к термодинамическому охлаждению и соответственному падению давления.

Граница раздела фаз соответствует уровню давления насыщенных паров и является нулевой отметкой при определении кавитационного запаса.

Располагаемый кавитационный запас измеряется в метрах столба жидкости и откладывается вниз от границы раздела фаз до патрубка жидкостного насоса.

Чем выше численное значение кавитационного запаса, тем стабильнее работает жидкостной насос.

Для газовых компрессоров это не актуально.

Случай 3.2. Температура флюида определяет точку кипения CO2, давление ниже давления кипения.

Фазовое состояние: газ

Случай соответствует пустому баллону (емкости) с остатками газа.

В докритической области газовая фаза может быть сжижена давлением с помощью компрессора. Следует помнить, что при сжатии газа и сжижении выделяется значительное количество тепла, которое сдвигает точку кипения в сторону больших давлений и приближает к критической точке +31,1 C - сверхкритической области.

Тепло необходимо отводить в процессе сжижения газа.

Случай 3.3. Температура флюида определяет точку кипения CO2, давление выше давления кипения.

Фазовое состояние: жидкость

Случай соответствует заряженному пожаротушащему модулю с азотной подушкой или сосуду, например химическому реактору, полностью заполненному жидкой углекислотой, гидравлически сжатой с помощью насоса высокого давления.

Повышение или понижение давления путем прямого закачивания жидкой фазы CO2 без фазового перехода происходит при крайне незначительном повышении или понижении температуры углекислоты.