Углекислый газ (CO₂, диоксид углерода, углекислота) широко применяется в пищевой, химической, нефтегазовой промышленности, производстве сухого льда, системах рекуперации и улавливания углерода (CCUS).
Несмотря на широкое распространение, CO₂ относится к газам, требующим особого подхода при проектировании компрессорных установок.
Компрессор для СО2 (углекислоты)
Во многих случаях компрессор, успешно работающий с воздухом, азотом или природным газом, не может быть использован для сжатия углекислого газа без серьезной переработки конструкции.
Причина №1 — CO₂ легко переходит в жидкое состояние при определенных параметрах.
Главная особенность углекислого газа — его фазовое поведение.
При температуре около 31°C и давлении примерно 73,8 бар CO₂ достигает критической точки. В этой области даже небольшое изменение температуры или давления может привести к переходу газа в жидкое или сверхкритическое состояние.
Если при проектировании компрессора не учитывать эти особенности, возможно образование жидкой фазы в цилиндрах, клапанах или трубопроводах.
Попадание жидкости в компрессор может привести к:
- резкому увеличению нагрузок;
- повреждению клапанов;
- гидравлическим ударам;
- снижению производительности;
- аварийной остановке оборудования.
Именно поэтому при проектировании компрессоров для CO₂ особое внимание уделяется выбору количества ступеней сжатия, промежуточному охлаждению и расчету рабочих температур.
Причина №2 — высокая плотность газа.
По сравнению с воздухом углекислый газ обладает значительно большей плотностью.
При одинаковом объемном расходе масса CO₂ существенно выше, что приводит к увеличению нагрузок на:
- поршневую группу;
- клапаны;
- шатунно-кривошипный механизм;
- подшипники;
- привод компрессора.
Поэтому компрессоры для углекислого газа имеют конструктивные особенности, отличающие их от воздушных компрессоров.
Причина №3 — высокие температуры при сжатии.
Любое сжатие газа сопровождается повышением температуры.
Для CO₂ правильный расчет температурного режима особенно важен, поскольку температура влияет не только на ресурс оборудования, но и на фазовое состояние газа.
Для обеспечения надежной работы применяются:
- многоступенчатое сжатие;
- промежуточные охладители;
- водяное или воздушное охлаждение;
- расчет оптимального отношения давлений между ступенями.
Причина №4 — чистота газа.
Во многих отраслях используется пищевой или высокочистый углекислый газ.
Даже незначительное загрязнение маслами или продуктами износа может привести к ухудшению качества готовой продукции.
По этой причине широко применяются:
- безмасляные поршневые компрессоры;
- мембранные компрессоры, полностью исключающие контакт газа с механизмом компрессора.
Выбор типа компрессора зависит от требуемой чистоты газа, давления и производительности.
Подробнее можно почитать тут Мембранный vs Поршневой. Какой компрессор выбрать?
Причина №5 — разнообразие технологических процессов.
Условия работы с CO₂ могут значительно отличаться в зависимости от отрасли.
Например:
- рекуперация углекислого газа после брожения;
- производство безалкогольных напитков;
- пивоварение;
- винодельческая промышленность;
- производство сухого льда;
- химические процессы;
- установки Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS);
- лабораторные и исследовательские установки.
Каждое из этих применений предъявляет собственные требования к давлению, температуре, составу газа, режиму работы и степени автоматизации.
Поэтому большинство промышленных компрессоров для CO₂ проектируются индивидуально под конкретную технологическую задачу.
Почему нельзя использовать обычный воздушный компрессор?
Иногда возникает вопрос, можно ли использовать стандартный воздушный компрессор для сжатия углекислого газа.
На практике такой подход редко оказывается удачным.
При проектировании газовых компрессоров учитываются:
- фазовые переходы CO₂;
- свойства материалов при работе с углекислым газом;
- особенности охлаждения;
- требования к герметичности;
- допустимые температуры сжатия;
- характеристики клапанов и уплотнений.
Поэтому компрессор для воздуха и компрессор для углекислого газа имеют различные конструктивные решения, несмотря на внешнее сходство.
Как подобрать компрессор для СО2?
Для правильного выбора оборудования необходимо знать всего несколько параметров:
- производительность;
- давление на входе;
- давление на выходе;
- температуру газа на входе;
- состав газа;
На основании этих данных мы определяем оптимальное количество ступеней сжатия, тип компрессора, систему охлаждения и конструкцию установки.
Это позволяет обеспечить надежную, безопасную и экономичную работу оборудования на протяжении всего срока службы.
Компрессор для СО2 (углекислота)
Типичные ошибки при выборе компрессора для CO₂
Конечно, CO₂ — не самый сложный газ для сжатия.
Есть газы, которые объективно сложнее (например, водород из-за очень малой молекулы и высокой проникающей способности, хлор и аммиак из-за коррозионной активности, ацетилен из-за нестабильности и т.д.).
Тем не менее нужно предусматривать определенные моменты и не ошибаться в следующем…
Например:
- выбор воздушного компрессора вместо газового;
- отсутствие расчета фазового состояния CO₂;
- неправильный выбор системы охлаждения;
- недостаточный запас по производительности;
- использование неподходящих материалов уплотнений;
- отсутствие учета влажности и примесей в газе;
- неправильный расчет числа ступеней сжатия.
А вообще про выбор компрессора, доступные варианты и другую информацию мы опубликовали тут Компрессоры для СО2 (углекислота).
Вопрос
При температуре около 31°C — это означает нужно нагреть газ, или охладить? В компрессоре при сжатии температура газа больше. Значит охлаждать нельзя. Правильно?
Очень хороший вопрос. И здесь как раз есть тонкость, которую часто неправильно описывают даже производители компрессоров.
Короткий ответ: нет, нельзя просто сказать «охлаждать нельзя» или «нужно нагревать». Всё зависит от того, при каком давлении находится CO₂.
Давайте разберём.
Что означают 31 °C и 73,8 бар?
Это критическая точка CO₂.
- Критическая температура: 31,0 °C
- Критическое давление: 73,8 бар
Ниже этих значений существует граница между газом и жидкостью.
Выше критической точки жидкость и газ уже не разделяются — CO₂ становится сверхкритическим флюидом.
Проблема возникает не из-за самой температуры 31 °C, а из-за сочетания температуры и давления.
Пример 1
Всасывание:
1 бар
20 °C
После компрессора:
10 бар
120 °C
Затем газ проходит через холодильник.
После охлаждения:
10 бар
35 °C
Никакой жидкости не образуется.
Все нормально.
Пример 2
Теперь другой случай.
После последней ступени
90 бар
120 °C
Газ охлаждается.
После холодильника
90 бар
25 °C
Вот здесь уже проблема.
При 90 бар и 25 °C CO₂ уже находится в области жидкой фазы.
Если такой жидкий CO₂ попадет обратно в цилиндр следующей ступени, возникнут очень большие нагрузки.
Поэтому что необходимо делать?
Не старатьсяся «не охлаждать».
Наоборот.
Охлаждать, но рассчитывать систему так, чтобы в нежелательных местах не происходила конденсация жидкого CO₂.
Это достигается за счет:
- правильного выбора числа ступеней;
- расчета давления каждой ступени;
- выбора температуры охлаждающей воды;
- контроля температуры после холодильников;
- иногда — применения подогревателей или сепараторов жидкости.
Почему многие пишут «нельзя охлаждать ниже 31 °C»?
Это упрощение, которое технически неверно.
Например.
10 бар
20 °C
CO₂ совершенно спокойно остается газом.
Можно охлаждать хоть до 5 °C.
Никакой жидкости не появится.
А когда действительно нельзя сильно охлаждать?
Когда давление уже приближается к критическому.
Например
80 бар
90 бар
120 бар
150 бар
Тогда снижение температуры может привести к переходу в жидкость.
Именно поэтому после последних ступеней высокого давления температурный режим рассчитывается очень тщательно.
Выводы
Большинство производителей вообще не объясняют, что опасна не сама жидкость после компрессора.
Во многих процессах (например, при производстве жидкой углекислоты) жидкий CO₂ — это как раз цель процесса.
Опасно непредусмотренное образование жидкой фазы внутри цилиндров, клапанов, межступенчатых холодильников или трубопроводов, если оборудование рассчитано на работу с газовой фазой. Именно это может привести к нарушению нормальной работы, повреждению клапанов, гидравлическим ударам и другим эксплуатационным проблемам.
В общем — доверяйте, но проверяйте.
И выстраивайте технологический процесс так, чтобы СО2 не переходил критическую точку, чтобы не сломать компрессор.
Если есть вопросы, задавайте их ниже.
Если нужен компрессор для СО2 — присылайте заявки через форму обратной связи тут Форма обратной связи.
С уважением,
Константин Широких
