Насосы плунжерные для углекислоты
Насосы плунжерные для углекислоты: конструкция, применение и особенности эксплуатации
Плунжерные насосы для углекислоты (диоксида углерода, CO2) представляют собой специализированное объемное оборудование, предназначенное для перекачки, дозирования и повышения давления жидкой или сжиженной углекислоты. Их работа основана на принципе вытеснения жидкости герметично уплотненным плунжером (цилиндрическим штоком), совершающим возвратно-поступательное движение в рабочей камере. Ключевая задача таких насосов – обеспечить подачу CO2 в жидкой фазе без газообразования и гидравлических ударов, что требует точного поддержания температурно-давленческого режима.
Принцип действия и ключевые конструктивные особенности
Принцип действия основан на циклическом изменении объема рабочей камеры. При движении плунжера назад (ход всасывания) объем камеры увеличивается, давление падает, всасывающий клапан открывается, и жидкая углекислота поступает из подающей магистрали или ресивера. При движении плунжера вперед (ход нагнетания) объем уменьшается, давление возрастает, всасывающий клапан закрывается, нагнетательный клапан открывается, и жидкость выталкивается в напорную линию. Для сглаживания пульсаций давления, неизбежных при работе поршневых и плунжерных насосов, на линии нагнетания (а иногда и всасывания) устанавливаются демпферы пульсаций (газонаполненные или мембранные).
Конструкция насоса адаптирована под специфические свойства CO2:
- Криогенный/низкотемпературный режим: Подача жидкой углекислоты обычно осуществляется при температурах от -30°C до -10°C. Узлы насоса, контактирующие с продуктом (гильза цилиндра, клапаны, плунжер), изготавливаются из хладостойких материалов (аустенитные нержавеющие стали, например, 12Х18Н10Т).
- Высокое конечное давление: Насосы способны создавать давление нагнетания до 300-350 бар и выше, что необходимо для процессов карбонизации, подачи в установки сверкритического флюидного экстрагирования (СКФЭ) или в системы пожаротушения. Это требует применения усиленной конструкции кривошипно-шатунного механизма и высокопрочных уплотнений.
- Герметичность и сухое уплотнение: Наиболее критичный узел – уплотнение плунжера (сальниковый узел). Для предотвращения утечек CO2 и попадания атмосферной влаги (что приводит к обмерзанию) применяются торцевые механические уплотнения двойного действия с системой барьерной жидкости или многоступенчатые сальниковые набивки из специальных материалов (например, графита, PTFE). Часто используется система «сухого уплотнения» с отводом возможных протечек в замкнутую систему.
- Предотвращение кавитации и «газового пробка»: Для обеспечения бескавитационной работы необходим значительный кавитационный запас. На линии всасывания обязательна установка ресивера-испарителя (аккумулятора) жидкой углекислоты, который поддерживает постоянное подпорное давление (обычно 15-25 бар), исключающее вскипание CO2 на входе в насос.
- Пищевая и безалкогольная промышленность: Транспортировка жидкой углекислоты к установкам карбонизации воды, сиропов, танков для газирования напитков. Требуется точное дозирование и поддержание стабильного давления.
- Химическая и нефтехимическая промышленность: Подача CO2 в реакторы синтеза (например, мочевины), для нейтрализации щелочных сред, в процессы очистки. В установках сверхкритической флюидной экстракции (СКФЭ) насосы используются для создания давления выше критического (73.8 бар).
- Сварочное производство: Подача жидкой углекислоты на испарители для получения газообразного CO2, используемого в качестве защитной среды при сварке (смеси Ar+CO2).
- Системы пожаротушения: Заполнение модулей газового пожаротушения высокого давления.
- Криогенная техника и металлургия: Транспортировка и перелив сжиженной углекислоты в хранилищах, использование в процессах криогенного бластинга или охлаждения.
- Емкость хранения (танк): Криогенная или изотермическая емкость с поддержанием давления.
- Линия всасывания: Теплоизолированный трубопровод от танка к ресиверу-испарителю.
- Ресивер-испаритель (аккумулятор): Вертикальный сосуд, обеспечивающий постоянный подпор (NPSH) на входе в насос и испарение паровой фазы.
- Плунжерный насосный агрегат: Состоит из привода (электродвигатель, часто с частотным преобразователем), редуктора/кривошипной камеры и гидравлической головки (гильза, плунжер, клапаны).
- Система уплотнения: Может включать блок барьерной жидкости для механических уплотнений.
- Демпферы пульсаций: Установлены на линии нагнетания для сглаживания пульсаций потока и давления.
- Линия нагнетания: Теплоизолированный трубопровод высокого давления к потребителю.
- Система безопасности: Предохранительные клапаны на линии всасывания и нагнетания, датчики давления и температуры, сбросные линии.
- Производительность (подача): Определяется в литрах в час (л/ч) или килограммах в час (кг/ч) жидкой фазы. Зависит от диаметра плунжера, длины хода и числа ходов (частоты вращения).
- Давление нагнетания: Максимальное рабочее давление, которое способен создать насос. Должно с запасом перекрывать требуемое технологическое давление с учетом потерь в трубопроводе.
- Материалы гидравлической части: Нержавеющая сталь марки AISI 316/316L является стандартом для контактных частей. Уплотнения – из PTFE, PEEK, графита или специальных эластомеров для низких температур.
- Тип привода и регулирование: Возможность регулирования производительности путем изменения частоты вращения (частотный преобразователь) или использования насоса с регулируемой длиной хода плунжера.
- Требования к взрывозащите: Для помещений с наличием взрывоопасных зон требуется приводной двигатель во взрывозащищенном исполнении (например, Ex d, Ex e).
- Уровень шума и вибрации: Определяется качеством балансировки механизма и наличием демпферов. Может требовать установки на виброизолирующее основание.
- Ежесменную проверку на предмет утечек и состояния уплотнений.
- Периодическую замену уплотнительных колец, сальниковых набивок или пар трения механических уплотнений.
- Контроль и обслуживание системы барьерной жидкости (при наличии).
- Проверку и настройку предохранительных и обратных клапанов.
- Замену смазки в кривошипной камере.
- Kз. Расход CO2 определяется рецептурой (например, 6 г CO2 на 1 л напитка) и плановой производительностью линии в литрах в час. Важно согласовать производительность насоса с возможностями испарителя и регулировать ее, например, частотным преобразователем, под реальную нагрузку.
Области применения плунжерных насосов для CO2
Сравнительная таблица: особенности применения в зависимости от отрасли
Схема типовой насосной установки для перекачки жидкой углекислоты
Критерии выбора плунжерного насоса для CO2
Эксплуатация, техническое обслуживание и устранение типовых неисправностей
Правильный запуск насоса включает обязательную предварительную продувку всасывающей линии и гидравлической головки углекислотой для вытеснения воздуха и влаги, что предотвращает обмерзание и коррозию. В процессе работы необходимо контролировать температуру гидравлической головки и сальникового узла, давление на всасывании и нагнетании, отсутствие посторонних шумов и вибраций.
Техническое обслуживание регламентировано производителем и включает:
Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)
Почему для углекислоты используются именно плунжерные, а не центробежные насосы?
Центробежные насосы неэффективны для перекачки жидкостей с низкой температурой кипения и склонных к кавитации. Плунжерные насосы, будучи объемными, обеспечивают стабильную подачу высоковязких или легкокипящих жидкостей независимо от давления на выходе, и способны создавать крайне высокое давление, необходимое для многих технологических процессов с CO2.
Как предотвратить обмерзание сальникового узла и гидравлической головки?
Обмерзание возникает из-за утечек жидкой или сжиженной углекислоты через уплотнение и ее резкого расширения. Меры предотвращения: использование высококачественных многоступенчатых уплотнений; обеспечение правильного подпора на всасывании для подачи жидкости, а не парогазовой смеси; применение системы сухого уплотнения с отводом протечек; в некоторых случаях – организация внешнего обогрева узла уплотнения слабым тепловым потоком для предотвращения конденсации влаги.
Что такое «газовый пробок» и как с ним бороться?
«Газовый пробок» – это попадание паровой фазы CO2 в рабочую камеру насоса, что приводит к резкому падению производительности и подаче неравномерного, пульсирующего потока. Причины: недостаточный подпор на всасывании, нагрев жидкости во всасывающем трубопроводе, неисправность клапанов. Борьба: установка и поддержание ресивера-испарителя достаточного объема как можно ближе к всасывающему патрубку насоса; качественная теплоизоляция всасывающей линии; проверка и притирка всасывающих клапанов.
Какие требования к трубопроводной обвязке насоса?
Трубопроводы должны быть выполнены из нержавеющей стали, рассчитаны на рабочее давление с запасом. Всасывающая линия – максимально короткая, с уклоном к ресиверу, теплоизолированная. Обязательна установка фильтра-грязеуловителя на всасывании для защиты клапанов. Нагнетательная линия оснащается демпфером пульсаций, предохранительным клапаном, настроенным на давление не выше паспортного для насоса, и обратным клапаном. Все соединения – фланцевые с паронитными или спирально-навитыми прокладками.
Как правильно подобрать производительность насоса для системы карбонизации?
Производительность насоса (Q) в кг/ч рассчитывается исходя из максимального расхода CO2 на карбонизацию (G, кг/ч) и коэффициента запаса (Kз = 1.2-1.3). Q = G
Заключение
Плунжерные насосы для углекислоты являются высокоспециализированным, технологически сложным оборудованием, надежная работа которого определяет эффективность и безопасность всего производственного цикла, связанного с использованием жидкого CO2. Правильный выбор, монтаж с учетом требований к подпору и пульсациям, а также строгое соблюдение регламентов технического обслуживания и контроль за состоянием уплотнительных узлов являются обязательными условиями их длительной и безотказной эксплуатации. Понимание физико-химических свойств углекислоты и их влияния на работу объемного насоса позволяет инженерно-техническому персоналу грамотно эксплуатировать установки и оперативно устранять возникающие нештатные ситуации.