Selezione delle Pompe Criogeniche: Centrifughe contro Alternative

La selezione della pompa criogenica parte da una domanda: serve portata o serve pressione. Le pompe centrifughe muovono alta portata a pressione di mandata moderata e sono adatte al trasferimento in massa e allo scarico delle autocisterne. Le pompe alternative erogano alta pressione a portata più bassa e sono adatte al riempimento bombole. NPSH, raffreddamento e ciclo di lavoro decidono poi i dettagli.

Molte installazioni criogeniche non necessitano di alcuna pompa. La sola pressione del serbatoio può muovere il liquido quando la pressione di consegna richiesta è modesta e la distanza è breve, ed è di solito la soluzione più semplice ed economica.

Questa guida spiega quando una pompa diventa necessaria, come differiscono le due famiglie di pompe, perché la cavitazione si comporta diversamente nel servizio criogenico, e cosa specificare affinché un fornitore possa proporre la macchina giusta.

Avete davvero bisogno di una pompa criogenica?

Un serbatoio criogenico può spingere fuori il liquido usando la propria pressione di vapore. Il circuito di pressurizzazione preleva liquido dal fondo del serbatoio, lo vaporizza e restituisce il gas allo spazio vapore, aumentando la pressione del serbatoio in modo che il liquido esca sotto il proprio battente. Il limite è che la pressione del serbatoio non può superare il MAWP del recipiente, quindi la pressione di consegna disponibile è limitata dalla classe di pressione, e aumentare la pressione del serbatoio riscalda il liquido e consuma prodotto.

Il trasferimento a pressione è di solito sufficiente quando la pressione di consegna richiesta è ben al di sotto del MAWP del serbatoio, la domanda di portata è moderata e intermittente, le perdite di linea sono contenute, e il recipiente ricevente si trova a una pressione inferiore rispetto al serbatoio di alimentazione.

Una pompa diventa necessaria quando

• La pressione di mandata richiesta supera quella che la classe di pressione del serbatoio può fornire
• State riempiendo bombole o pacchi bombole ad alta pressione
• Serve alta portata in una finestra temporale breve, come lo scarico di un autotreno secondo un orario
• State alimentando un vaporizzatore ad alta pressione per fornitura gas a pressione elevata
• La pressurizzazione ripetuta consumerebbe troppo prodotto
• Il recipiente ricevente si trova a pressione simile o superiore rispetto al serbatoio di alimentazione

Se il vincolo è la classe di pressione del serbatoio piuttosto che la portata, verificatelo prima di specificare una pompa. La nostra guida su MAWP e classe di pressione dei serbatoi criogenici spiega come viene stabilita la pressione di consegna al serbatoio.

Qual è la differenza tra pompe criogeniche centrifughe e alternative?

Una pompa centrifuga utilizza una girante rotante per aggiungere energia cinetica al liquido, che diventa pressione alla mandata. Una pompa alternativa utilizza un pistone o uno stantuffo per spostare un volume fisso a ogni corsa contro qualsiasi pressione presente alla mandata. Questa differenza guida tutto il resto.

Pompe criogeniche centrifughe

• Adatte ad alta portata con pressione di mandata moderata, con flusso continuo e regolare e bassa pulsazione
• Impieghi tipici: trasferimento in massa, scarico di autocisterne e container ISO, trasferimento serbatoio a serbatoio, alimentazione di vaporizzatori a bassa e media pressione
• La portata varia con la resistenza del sistema, e le configurazioni multistadio aumentano la prevalenza dove uno stadio singolo non basta
• Generalmente più semplici meccanicamente, con meno parti soggette a usura nel percorso del liquido

Pompe criogeniche alternative

• Adatte ad alta pressione di mandata con portata più bassa, con flusso pulsante che il progetto delle tubazioni deve assorbire
• A spostamento positivo, quindi la portata è determinata dalla corsa e dalla velocità piuttosto che dalla pressione di mandata
• Impieghi tipici: riempimento bombole e pacchi bombole, fornitura gas ad alta pressione tramite un vaporizzatore, riempimento tube trailer
• Richiedono un dispositivo di sicurezza sulla mandata, poiché una pompa a spostamento positivo contro una valvola chiusa continua ad aumentare la pressione
• Più parti soggette a usura, quindi la manutenzione di tenute e premistoppa fa parte del piano operativo

Alcune stazioni utilizzano entrambe, perché una singola macchina costretta a coprire entrambi gli impieghi di solito non svolge bene nessuno dei due.

Cosa determina la selezione della pompa criogenica per un determinato impiego?

La selezione è una conversazione sul punto di lavoro, non sulla pompa. Definite cosa deve fare il sistema e la macchina ne consegue. I parametri seguenti sono quelli che un fornitore vi chiederà.

• Fluido di servizio: LIN, LOX, LAR, LNG o LCO2, poiché proprietà e requisiti dei materiali differiscono
• Portata richiesta, media e di picco, e se il flusso è continuo o a lotti
• Pressione di mandata richiesta nel punto di utilizzo, non alla pompa
• Condizioni di aspirazione: pressione del serbatoio, intervallo del livello di liquido e geometria della linea di aspirazione
• Ciclo di lavoro: funzionamento continuo, avviamenti frequenti oppure uso occasionale, e il margine di raffreddamento che potete accettare
• Configurazione dell'azionamento, alimentazione elettrica e classificazione delle aree pericolose del sito

Due di questi meritano attenzione. La portata di picco, non quella media, dimensiona la macchina, e la pressione necessaria nel punto di utilizzo, una volta contate le perdite di linea e del vaporizzatore, determina la prevalenza richiesta. Il servizio ossigeno aggiunge le proprie regole: le parti bagnate devono essere compatibili con l'ossigeno e pulite per l'ossigeno, con solo lubrificanti e guarnizioni approvati, come spiega la nostra guida alla sicurezza e alla selezione dei serbatoi di ossigeno liquido.

Cos'è l'NPSH e perché la cavitazione conta nel servizio criogenico?

NPSH sta per prevalenza netta positiva all'aspirazione, il margine tra la pressione del liquido in arrivo all'aspirazione della pompa e la tensione di vapore di quel liquido alla sua temperatura. Se il margine si annulla, il liquido bolle all'interno della pompa, e le bolle di vapore che si formano e collassano disturbano il flusso. Questa è la cavitazione, e danneggia le prestazioni e la macchina.

Il servizio criogenico rende questo aspetto più critico rispetto al servizio con acqua per una ragione: il liquido nel serbatoio si trova a, o vicino a, il proprio punto di ebollizione per la pressione del serbatoio. È già saturo, quindi qualsiasi piccolo apporto di calore o caduta di pressione lungo il percorso verso la pompa può innescare la vaporizzazione nella linea di aspirazione. I segnali di allarme in esercizio sono rumore e vibrazione alla pompa, pressione di mandata instabile o in calo, e portata che diminuisce senza alcuna variazione della domanda.

• L'NPSH disponibile è determinato dal sistema: pressione del serbatoio, altezza del liquido sopra la pompa e perdite della linea di aspirazione
• L'NPSH richiesto è determinato dalla pompa e viene fornito dal costruttore per la macchina e la velocità selezionate
• L'NPSH disponibile deve superare l'NPSH richiesto con un margine in tutto il campo di funzionamento
• Montate la pompa sotto il livello del liquido del serbatoio ove possibile, così la prevalenza statica gioca a vostro favore
• Mantenete la linea di aspirazione corta, diritta, ampiamente dimensionata e a intercapedine sottovuoto
• Prevedete una linea di sfiato o di ritorno affinché il vapore nella linea di aspirazione possa tornare al serbatoio
• Verificate il caso peggiore, di solito il livello più basso del serbatoio con la portata più alta

Vale la pena segnalare una tensione progettuale: aumentare la pressione del serbatoio aumenta l'NPSH disponibile, ma aumenta anche la temperatura di saturazione, e il liquido più caldo vaporizza più facilmente. La risposta è un sistema di aspirazione correttamente progettato, non semplicemente più pressione nel serbatoio.

Perché una pompa criogenica ha bisogno di raffreddamento prima dell'avviamento?

Una pompa criogenica a temperatura ambiente farebbe bollire istantaneamente il primo liquido che la raggiunge, quindi la macchina movimenterebbe vapore invece di liquido, non produrrebbe alcun flusso utile e potrebbe danneggiarsi. Il raffreddamento porta la pompa e la sua linea di aspirazione alla temperatura del liquido prima dell'avviamento, e protegge anche la macchina meccanicamente, poiché i componenti criogenici si contraggono raffreddandosi e i giochi sono progettati per la condizione fredda.

• Aprite la valvola di aspirazione e lasciate scorrere il liquido attraverso la pompa con la linea di sfiato o di ritorno aperta
• Lasciate sfiatare al serbatoio il vapore generato durante il raffreddamento, non nella linea di mandata
• Attendete che nel ritorno passi liquido, non vapore, a indicare che il corpo pompa è freddo
• Solo allora avviate l'azionamento, rispettando il tempo di raffreddamento indicato dal costruttore

Il tempo di raffreddamento è un costo operativo reale. In una stazione con trasferimenti brevi e frequenti, il ri-raffreddamento prima di ogni avvio riduce la produttività, il che spesso spinge un progetto verso il mantenimento della pompa fredda o la suddivisione dell'impiego. Lo stesso principio si applica al serbatoio durante il primo riempimento, trattato nella nostra guida alla messa in servizio dei serbatoi criogenici.

Quali impieghi svolgono le pompe nelle stazioni di riempimento e scarico?

Scarico di autocisterne e container ISO

Lo scarico è un impiego ad alta portata e pressione moderata con un vincolo temporale, poiché il veicolo è in attesa. Alcune autocisterne stradali trasportano una propria pompa, nel qual caso il sito ricevente potrebbe non averne bisogno, quindi verificate in anticipo se il veicolo di consegna pompa o si affida al trasferimento a pressione. Dove il sito fornisce la pompa, una macchina centrifuga è la scelta abituale, come spiega la nostra panoramica sui container cisterna ISO per il trasporto criogenico.

Riempimento bombole e pacchi bombole

Il riempimento di bombole ad alta pressione è l'impiego classico della pompa alternativa. La pompa aumenta la pressione del liquido, un vaporizzatore ad alta pressione lo converte in gas, e il gas riempie le bombole. La portata è moderata, la pressione è alta e l'impiego è ripetitivo, quindi la protezione con dispositivo di sicurezza sulla mandata è essenziale.

Stazioni LNG e fornitura di processo

Le stazioni LNG variano ampiamente. Alcune si affidano alla pressione del serbatoio e a un vaporizzatore senza alcuna pompa, mentre altre utilizzano una pompa per l'erogazione o per alimentare uno skid di rigassificazione ad alta pressione, con la classificazione delle aree pericolose applicata all'attrezzatura. La nostra checklist per l'attrezzatura delle stazioni satellite LNG ne definisce l'intero perimetro.

Cos'altro dovrebbe essere specificato attorno alla pompa?

Una pompa è un componente di un sistema. La maggior parte dei problemi di pompa segnalati sui siti criogenici si riconduce alla linea di aspirazione, ai controlli o alla procedura operativa piuttosto che alla macchina stessa.

• Tubazione di aspirazione a intercapedine sottovuoto o ben isolata, ampiamente dimensionata e mantenuta corta
• Linea di sfiato o di ritorno verso il serbatoio per il raffreddamento e il rilascio del vapore
• Dispositivo di sicurezza sulla mandata, obbligatorio sulle pompe a spostamento positivo
• Protezione con dispositivo di sicurezza su qualsiasi tratto di linea isolabile a entrambe le estremità, poiché il liquido criogenico intrappolato si riscalda e si espande
• Valvole di isolamento che consentano la manutenzione senza svuotare il serbatoio
• Strumentazione per la pressione di aspirazione e mandata, e controllo di velocità dove serva portata variabile

Includete la pompa nel piano di manutenzione del sito anziché trattarla separatamente. Il nostro programma di manutenzione dei serbatoi criogenici tratta gli intervalli per l'attrezzatura circostante, inclusa la raccomandazione di rilevare il vuoto ogni 6-12 mesi.

Come supporta KAF Cryogenics la selezione delle pompe criogeniche?

KAF Cryogenics fornisce l'attrezzatura attorno alla pompa: serbatoi di stoccaggio per LIN, LOX, LAR, LNG, LCO2 e LPG, vaporizzatori ad aria ambiente e attrezzature di processo, serbatoi MicroBulk e attrezzature di trasporto. Questo conta per la selezione della pompa criogenica perché la classe di pressione del serbatoio, la configurazione di aspirazione e l'impiego del vaporizzatore determinano in primo luogo il requisito della pompa. Ottenere questi elementi correttamente spesso riduce l'impiego della pompa, e talvolta elimina del tutto la necessità di averne una.

• Classe di pressione del serbatoio selezionata in base alla pressione di consegna realmente richiesta dal vostro processo
• Capacità del vaporizzatore dimensionata sulla domanda di gas e sulle condizioni ambientali del vostro sito
• Layout del serbatoio e posizione degli attacchi che consentano una linea di aspirazione corta e a basse perdite
• Attrezzatura nuova su specifica, oppure unità usate certificate che sono ispezionate, sottoposte a controlli non distruttivi, a prova del vuoto e di pressione, con fascicolo documentale e garanzia scritta
• Certificazione adeguata al mercato di destinazione: PED 2014/68/EU con EN 13458, oppure ASME dove si applica il codice statunitense
• Consegna da magazzino in poche settimane sulle unità usate certificate, contro i mesi di una nuova costruzione

Inviateci l'impiego: fluido, portata, pressione nel punto di utilizzo e ciò che la stazione deve fare. Vi diremo come dovrebbe presentarsi il lato serbatoio e vaporizzatore e dove una pompa merita davvero un posto.

Domande frequenti

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