СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖАТИЯ И ОСУШЕНИЯ ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR GAS DRYING AND COMPRESSION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается устройства сжатия и осушения газа.
Уровень техники
Такие устройства уже известны, и они состоят из компрессорного устройства с сушильным устройством такого типа, в котором используют осушающее вещество или поглотитель влаги, нужный для осушения соединенного с упомянутым устройством газа, при этом компрессорное устройство с одной стороны содержит два или более компрессорных элементов, входы и выходы которых последовательно соединены друг с другом с целью получения первой ступени низкого давления, и одну или несколько расположенных далее ступеней высокого давления, вход каждой из которых соединен с выходом предыдущего компрессорного элемента с помощью напорной трубки, и с другой стороны содержит выходную трубку, в которую встроено выходное устройство охлаждения, и сушильное устройство снабжено участком осушения и участком восстановления.
Участок осушения наполнен осушающим веществом, предназначенным для осушения газа, направляемого через этот участок, и с этой целью содержит вход, который соединен с упомянутой выше выходной трубкой компрессорного устройства, и содержит выход, который также служит в качестве выхода устройства подачи сжатого и осушенного газа в расположенную после сеть, с которой соединены потребители.
Когда сжатый газ, который надо осушить, течет через осушающее вещество, расположенное в участке осушения, осушающее вещество поглощает влагу из газа посредством абсорбции или адсорбции.
В участке восстановления происходит восстановление осушающего вещества, которое уже было использовано для осушения газа и которое насыщено или частично насыщено влагой, абсорбированной из осушаемого газа.
Осушающее вещество осушают в участке восстановления с помощью восстанавливающего газа, который направляют через упомянутый участок через его вход и выход.
При использовании сушильного устройства типа «теплота от сжатия» (ТОС сушильное устройство) восстанавливающий газ ответвляют непосредственно из упомянутой выше выходной трубки компрессорного устройства в месте, расположенном до выходного устройства охлаждения, например в выходе последнего компрессорного элемента, где ответвленный восстанавливающий газ сравнительно влажный, но благодаря высокой температуре обладает достаточно низкой сравнительной степенью влажности для абсорбции влаги из осушающего вещества, которое нужно восстановить при направлении восстанавливающего газа через участок восстановления.
Недостаток известных устройств состоит в том, что после восстановления осушающее вещество все еще содержит определенное количество влаги, так что это осушающее вещество при использовании на более поздней ступени для осушения сжатого газа может абсорбировать из этого осушаемого газа только сравнительно ограниченное количество влаги, и, следовательно, осушенный газ содержит остаточную влажность при выходе из устройства.
Таким образом, способность осушающего вещества абсорбировать влагу ограничена, так что осушающему веществу из участка осушения скорее понадобится восстановление.
В известных устройствах сжатый газ обычно охлаждают после каждой ступени сжатия в промежуточном или выходном устройстве охлаждения, что делают с целью хорошего функционирования следующей ступени или последующего сушильного устройства, при этом теплоту, таким образом извлеченную из газа, теряют, что также определяет стоимость подаваемого сжатого и осушенного газа.
Используемые промежуточные и выходные охладители также определяют стоимость устройства в целом.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на улучшение известных устройств сжатия и осушения газа, чтобы предложенное устройство не обладало одним или несколькими из упомянутых выше и/или других недостатков.
С этой целью изобретение касается описанного выше устройства, при этом, по меньшей мере, часть восстанавливающего газа нагревают с помощью теплообменника газ-газ с первичной частью, которая встроена в трубку восстановления, и вторичной частью, в которую газ подают с напорной стороны упомянутого выше компрессорного элемента, при этом вторичная часть упомянутого выше теплообменника газ-газ расположена в напорной трубке, расположенной между упомянутой выше ступенью низкого давления и последующей ступенью высокого давления.
Достоинство такого устройства заключается в том, что благодаря дополнительному нагреву восстанавливающего газа, дополнительно уменьшают парциальное давление воды, присутствующей в восстанавливающем газе, что на практике приводит к тому, что нагретый восстанавливающий газ способен абсорбировать из осушающего вещества больше влаги по сравнению со случаем без дополнительного нагревания, и восстановленное осушающее вещество, в конце концов, будет суше.
Благодаря тому, что восстановленное осушающее вещество, которое используют в участке осушения, суше с самого начала, восстановленное осушающее вещество способно абсорбировать из осушаемого газа больше влаги в фазе осушения, так что подаваемый сжатый газ будет суше при выходе из устройства и, таким образом, это оказывает полезное воздействие на эффективность осушения.
Таким образом, осушающее вещество в участке осушения может восстанавливаться медленнее.
По меньшей мере, часть теплоты, нужной для нагревания восстанавливающего газа, также возвращают из теплоты сжатия компрессорного устройства, при этом используемый для этого теплообменник газ-газ может полностью или частично заменять одно или несколько устройств охлаждения, которые использовались в известных устройствах для охлаждения сжатого газа.
Таким образом, энергия, извлеченная из сжатого газа, может быть полезным образом использована для даже более интенсивного осушения осушающего вещества в участке восстановления, что уменьшает стоимость поставляемого сжатого и осушенного газа, так как теряют меньшее количество энергии.
Таким образом, подаваемый газ будет суше и также может быть изготовлен с более выгодной стоимостью.
Цель состоит в том, чтобы температура восстанавливающего газа при входе в участок восстановления была максимальной, чтобы как можно большее количество теплоты могло быть возвращено из сжатого газа и чтобы был максимальным эффект осушения осушающего вещества в зоне восстановления.
Предпочтительно, чтобы восстанавливающий газ ответвляли из газа, сжатого в устройстве, с помощью упомянутой выше трубки восстановления, в которую встроена первичная часть теплообменника и которая соединяет вход участка восстановления с упомянутой выше выходной трубкой компрессорного устройства или выходом участка осушения.
В соответствии с предпочтительной характеристикой изобретения используют две последовательные фазы восстановления, то есть первая фаза восстановления, для которой восстанавливающий газ подают через первую трубку восстановления, и вторая фаза восстановления, которая предназначена для дополнительного осушения осушающего вещества и восстанавливающий газ для которой подают через вторую трубку восстановления, при этом упомянутый выше теплообменник газ-газ расположен, по меньшей мере, в одной из двух трубок восстановления.
Второе количество восстанавливающего газа, подаваемого через вторую трубку восстановления, предпочтительно имеет меньшую сравнительную влажность по сравнению с первым количеством восстанавливающего газа, подаваемого через первую трубку восстановления, например, благодаря этому второе количество восстанавливающего газа обладает более высокой температурой по сравнению с упомянутым выше первый количеством и/или потому что второе количество газа уже было высушено.
Таким образом, упомянутые выше достоинства изобретения даже дополнительно усиливаются.
Предпочтительно, чтобы установка применялась к устройству с сушильным устройством вращающегося типа, в котором барабан наполнен осушающим веществом, которое благодаря вращению барабана сначала направляют через участок осушения, а затем через первый и возможно второй участок восстановления.
Изобретение также касается способа сжатия и осушения газа с помощью устройства, которое содержит компрессорное устройство и сушильное устройство такого типа, в котором используют осушающее вещество, предназначенное для осушения соединенного с упомянутым устройством газа, при этом компрессорное устройство сжимает газ за две или более последовательные ступени в двух или более компрессорных элементах, составляющих соответственно ступень низкого давления и одну или более последующих ступеней высокого давления, и перемещает сжатый газ через сушильное устройство через выходную трубку, в которую встроено выходное устройство охлаждения, с целью осушения этого сжатого газа, с этой целью упомянутое сушильное устройство снабжено участком осушения, который наполнен осушающим веществом и через которое направляют газ, и снабжено выходом, которое служит выходом для подачи сжатого и осушенного газа, при этом сушильное устройство также содержит участок восстановления, предназначенный для осушения влажного осушающего вещества с помощью восстанавливающего газа, который направляют через упомянутое вещество через вход и выход, упомянутый способ отличается тем, что он состоит из следующего: по меньшей мере, часть восстанавливающего газа нагревают с помощью теплообменника газ-газ, содержащего первичную часть, через которую течет восстанавливающий газ, и вторичную часть, в которую газ подают с напорной стороны упомянутого выше компрессорного элемента, который образует ступень низкого давления.
Краткое описание чертежей
Чтобы лучше показать характеристики изобретения, далее для примера описано несколько не ограничивающих изобретение предпочтительных вариантов осуществления устройства сжатия и осушения газа, в описании будем ссылаться на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 - вид, схематически показывающий устройство, соответствующее изобретению и предназначенное для сжатия и осушения газа;
фиг.2 - 6 - виды, показывающие варианты устройств, соответствующих изобретению.
Осуществление изобретения
Устройство 1 с фиг.1 представляет собой устройства сжатия и осушения газа, оно состоит из компрессорного устройства 2 и сушильного устройства 3 такого типа, в котором для осушения газа используют осушающее вещество, при этом устройство 1 содержит вход 4 для газа, который нужно сжать и осушить, и выход 5, который служит для подачи сжатого и осушенного газа и к которому подсоединена расположенная после сеть пользователей, не показанная на фиг.
В этом случае компрессорное устройство 2 содержит три компрессорных элемента, которые обозначены соответственно 6, 7 и 8 и которые последовательно соединены друг с другом с целью получения первой ступени 6 низкого давления, вход которой соединен с упомянутым выше входом 4, и двух последующих ступеней 7 и 8 высокого давления, вход каждой из которых соединен с выходом предыдущего компрессорного элемента 6 и 7 через напорную трубку 9 и 10 соответственно.
Последний компрессорный элемент 8 высокого давления соединен с входом сушильного устройства 3 через выходную трубку 11.
Каждый компрессорный элемент приводят в действие с помощью двигателя 12, который для компрессорных элементов 7 и 8 является общим двигателем 12, что необязательно. В предпочтительном варианте осуществления изобретения оба двигателя 12 обладают приблизительно одинаковой мощностью, хотя это необязательно для изобретения.
После каждого компрессорного элемента 6, 7 и 8 расположено устройство охлаждения, предназначенное для охлаждения газа, сжатого соответствующим компрессорным элементом, - это соответственно промежуточные устройства 13 и 14 охлаждения и выходное устройство 15 охлаждения.
В примере с фиг.1 эти устройства 13-15 охлаждения являются устройствами охлаждения жидкость-газ, которые содержат первичную часть, через которую направляют охлаждаемые газы и которая встроена в напорные трубки 9, 10 или в выходную трубку 11, и вторичную часть, через которую направляют охлаждающее вещество, такое как вода.
Тем не менее, не исключается ситуация, когда эти устройства охлаждения являются устройствами охлаждения газ-газ, в которых, например, окружающий воздух используют в качестве охлаждающего вещества, которым с помощью вентилятора обдувают устройства охлаждения.
Сушильное устройство 3 является, например, барабанным сушильным устройством, в котором вращающийся барабан вращают известным образом и приводят в движение двигателем 17, и который наполнен осушающим веществом, способным абсорбировать влагу и выделять ее.
Когда барабан 16 вращают, осушающее вещество в барабане 16 попеременно пересылают через участок 18 осушения и через участок 19 восстановления, при этом газ, пришедший из компрессорного устройства 2, направляют через участок 18 осушения с целью осушения этого газа.
С этой целью вход 20 участка 18 осушения соединен с выходной трубкой 11 компрессорного устройства 2 и, более конкретно, с частью выходной трубки 11, расположенной после выходного устройства 15 охлаждения.
Выход 21 участка 18 осушения выступает в качестве упомянутого выше выхода 5 устройства 1, подающего сжатый и осушенный газ.
Когда газ течет через участок 18 осушения, осушающее вещество извлекает из газа влагу путем абсорбции и/или адсорбции.
Скоростью вращения двигателя 17 управляют так, что когда осушающее вещество выходит из участка 19 восстановления, это осушающее вещество является полностью восстановленным.
В участке 19 восстановления осушающее вещество восстанавливают благодаря прохождению через него потока газа, который может абсорбировать влагу из осушающего вещества в этом участке 19 восстановления и который, в случае фиг.1 выходной трубки 11, соединен с входом 23 участка 19 восстановления через трубку 22 восстановления и который в этом примере ответвляют от места 24, расположенного до выходного устройства 15 охлаждения.
Поток QR газа, который ответвляют для восстановления, предпочтительно составляет примерно до 40% от потока Q газа, который поступает во вход 4.
В соответствии с изобретением ответвленный газ QR сначала нагревают в теплообменнике 25 газ-газ, который содержит первичную часть 26, которая встроена в упомянутую выше трубку 22 восстановления, и вторичную часть 27, через которую направляют сжатый газ, который поступил из компрессорного устройства 2, более конкретно из компрессорного элемента 6 низкого давления и с этой целью упомянутый теплообменник 25 газ-газ встроен в напорную трубку 9.
Размеры теплообменника 25 таковы, что температура восстанавливающего газа во входе 23 участка 19 восстановления настолько высока, насколько возможно, чтобы парциальное давление воды, присутствующей в восстанавливающем газе, было меньше парциального давления воды, присутствующей в осушающем веществе в участке 19 восстановления, так что этот восстанавливающий газ может абсорбировать влагу из осушающего вещества, и это все более эффективно, когда упомянутая выше температура во входе 23 высока и, следовательно, парциальное давление воды в восстанавливающем газе мало.
Предпочтительно, чтобы размеры теплообменника 25 были такими, чтобы температура восстанавливающего газа во входе 23 участка 19 восстановления составляла от 130 до 150°С и предпочтительно - около 140°С.
Поток QR восстанавливающего газа, который выходит из участка 19 восстановления через выход 28 участка восстановления, или теряют, или, предпочтительно, после охлаждения в теплообменнике 29, смешанный через устройство 30 выталкивания с потоком QD из компрессорного устройства 2 и вместе с этим потоком QD, направляют через участок 18 осушения.
Работа устройства 1 очень проста и следует из приведенного выше описания.
Газ всасывают через вход 4 и сжимают с помощью возрастающих значений давления в последовательно расположенных ступенях.
После каждой ступени 6, 7 и 8 сжатия газ охлаждают с помощью теплообменников 13, 14 и 15 с целью уменьшения температуры для получения большей эффективности последующей ступени сжатия или для более эффективного осушения газа в участке 18 осушения сушильного устройства 3.
В варианте осуществления изобретения с фиг.1, когда два двигателя 12 обладают приблизительно одинаковой мощностью, сразу после первого компрессорного элемента 6 температура будет гораздо выше по сравнению с температурой в точке 24 ответвления, так что разница температур может, например, являться числом, составляющим порядка 50-75°С.
Эту разницу температур далее используют в соответствии с изобретением для нагревания восстанавливающего газа, ответвленного в точке 24, что нужно для более эффективного восстановления осушающего вещества.
Таким образом, теплоту сжатия от первой ступени 6 низкого давления возвращают с целью полезного нагревания восстанавливающего газа, что отличается от случая известных устройств, в которых эта теплота полностью терялась в охлаждающем веществе, которое текло через промежуточное устройство 13 охлаждения.
Это означает, что, по меньшей мере, часть обычно потерянной теплоты полезно используют с целью оптимизации работы сушильного устройства 3 и можно полностью или частично отказаться от промежуточного устройства 13 охлаждения.
В устройстве 1 мощностью приблизительно 350 кВт и потоке Q газа, составляющем примерно 1000 литров в секунду, может быть использован, например, теплообменник 25 мощностью 25 кВт.
Эта мощность также получает двойной выигрыш, заключающийся в том, что для нагревания восстанавливающего газа не требуется внешнего нагревания, и в том, что возвращенную теплоту не нужно извлекать через промежуточное устройство 13 охлаждения, так что оно также может быть меньше.
Таким образом, при теплообменнике 25 мощностью 25 кВт после первой ступени 6 сжатия будет сохраняться 50 кВт потерь энергии.
На фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления изобретения, в котором теплообменник 25 газ-газ разделен на два теплообменника 25' и 25", каждый из которых отдельно встроен в напорные трубки 9, 10 различных компрессорных элементов 6 или 7 и расположен соответственно до промежуточных устройств 13 или 14 охлаждения, так что теплообменники 25' и 25" функционируют в качестве устройств предварительного охлаждения для промежуточных устройств 13 и 14 охлаждения.
Таким образом, первичные части 26' и 26" этих теплообменников 25' и 25" встроены параллельным образом в трубку 22 восстановления.
Возможным достоинством рассматриваемого варианта по сравнению с вариантом осуществления изобретения с фиг.1 является то, что во входе 23 участка 19 восстановления могут быть достигнуты даже более высокие температуры, по меньшей мере, когда выходная температура компрессорных элементов 6 и 7 приблизительно одинакова. В такой конструкции возможно легче реализовать объединение теплообменников 25' и 25" и существующих промежуточных устройств 13 и 14 охлаждения.
На фиг.3 показан вариант устройства 1, которое соответствует изобретению, причем в этом случае совместно используемый двигатель 12 компрессорных элементов 7 и 8 заменен двумя отдельными двигателями, мощность которых, например, равна мощности двигателя 12 первого компрессорного элемента 6, и восстанавливающий газ ответвляют после выходного устройства 15 охлаждения.
В этом случае температуры в выходах компрессорных элементов отличаются от ситуации, показанной на фиг.1, и с учетом этого было выбрано ответвление восстанавливающего газа в точке 24 ответвления, расположенной после выходного устройства 15 охлаждения, и выбрано в рамках изобретения нагревание этого восстанавливающего газа с помощью теплообменника 25 газ-газ, который в этот раз обладает вторичной частью 27, встроенной в напорную трубку 10 между вторым и третьим компрессорными элементами 7 и 8 соответственно, вместо напорной трубки 9, расположенной между первым и вторым компрессорными элементами 6 и 7.
Теплообменник 25 встроен в эту напорную трубку 10 вместе с промежуточным устройством 14 охлаждения и выполняет часть функций этого промежуточного устройства 14 охлаждения, которое, таким образом, может иметь меньшие размеры.
В остальном работа полностью аналогична варианту осуществления изобретения с фиг.1.
Вариант осуществления изобретения, в котором восстанавливающий газ ответвляют после выходного устройства 15 охлаждения, обеспечивает более низкое парциальное давление воды в восстанавливающем газе. Благодаря газу из последнего компрессорного элемента 8, который сначала прошел через выходное устройство 15 охлаждения, часть воды будет отделена посредством конденсации в выходном устройстве 15 охлаждения. Таким образом, газ после выходного устройства 15 охлаждения содержит значительно меньше влаги по сравнению с газом до выходного устройства 15 охлаждения. Это, конечно, благотворно влияет на восстановление.
Таким образом, теплообменник 25 газ-газ может также быть расположено непосредственно после и, следовательно, после последней ступени высокого давления в следующем порядке: компрессорный элемент 8 - теплообменник 25 газ-газ - выходное устройство 15 охлаждения - точка 24 ответвления восстанавливающего газа.
На фиг.4 показан другой вариант устройства 1, которое соответствует изобретению, причем в этом случае в отличие от варианта осуществления изобретения с фиг.1 применены две последовательные фазы восстановления.
Первое восстановление применено на основе первого потока QRa восстанавливающего газа, который ответвляют через первую трубку 22а восстановления от точки 24а ответвления непосредственно после выходного устройства 15 охлаждения из сжатого газа компрессорного устройства 2 и нагревают с помощью первого теплообменника 25а, вторичная часть 27а которого встроена в напорную трубку 9.
Второе восстановление применено на основе второго потока QRb восстанавливающего газа, который ответвляют через вторую трубку 22b восстановления от точки 24b ответвления непосредственно из сухого сжатого воздуха в выходе 5 после сушильного устройства 3 и нагревают с помощью второго теплообменника 25b, вторичная часть 27b которого встроена в ту же самую напорную трубку 9.
Оба теплообменника 25а и 25b встроены параллельно в напорную трубку вместе с промежуточным устройством 13 охлаждения.
Поток QRa равен, например, по порядку величины 40% потока Q газа, втянутого в устройство 1, а поток QRb равен по порядку величины 10% от этого потока Q.
Предпочтительно, чтобы размеры теплообменников были такими и теплообменники были соединены так, чтобы температура восстанавливающего газа в соответствующих входах участков восстановления была настолько высокой, насколько возможно для обеих фаз восстановления.
Во второй фазе восстановления осушающее вещество дополнительно осушают в участке 19 восстановления по сравнению с осушением в первой фазе восстановления. В результате восстановленное осушающее вещество может поглотить из газа больше влаги в участке 18 осушения, что, конечно, полезно.
На фиг.5 показан другой вариант осуществления изобретения, который отличается от вариант с фиг.4 тем, что каждую из двух ступеней 7 и 8 высокого давления приводят в действие отдельным двигателем 12 вместо совместно используемого двигателя 12 и тем, что теплообменники 25а и 25b встроены в напорную трубку 10 между этими двумя компрессорными элементами 7 и 8 высокого давления.
В качестве варианта для фиг.5 не исключается, чтобы каждый из теплообменников 25а и 25b был встроен отдельно в напорные трубки 9, 10 различных компрессорных элементов 6 или 7 и, таким образом, в напорные трубки с различными уровнями давления, при этом, например, теплообменник 25а встроен в напорную трубку 9, а теплообменник 25b - в напорную трубку 10.
На фиг.6 показан вариант устройства 1, соответствующего изобретению, причем в этом случае также применяют две последовательные фазы восстановления, но только восстанавливающий газ QRb для второго восстановления нагревают с помощью сжатых газов компрессорного устройства 2 посредством теплообменника 25b газ-газ, который встроен в выходную трубку 11 компрессорного устройства 2.
Ясно, что в зависимости от ситуации с компрессорным устройством 2 необходимо сделать выбор места, куда можно встраивать теплообменник 25, и места 24, откуда ответвлять восстанавливающий газ, а также выбор доли QR потока и того, что в случае двух фаз восстановления теплообменники 25а и 25b необязательно должны быть встроены в одну и ту же напорную трубку или выходную трубку.
Хотя изобретение описано на основе компрессорного устройства 2 с тремя ступенями сжатия, оно может быть аналогично применено к компрессорному устройству 2 только с двумя компрессорными элементами, которые соответственно образуют ступень низкого давления и ступень высокого давления, или к компрессорному устройству 2 с более чем тремя компрессорными элементами.
В каждом показанном примере восстанавливающий газ ответвляют или из выходной трубки 11, или из выхода 21 участка 18 осушения, но в соответствии с изобретением не исключается, что восстанавливающий газ поступает из отдельного источника восстанавливающего газа и, таким образом, его не ответвляют из устройства 1.
Также сушильное устройство необязательно должно быть устройством вращающегося типа, а может быть сушильным устройством любого типа с участком осушения и участком восстановления.
Настоящее изобретение никаким образом не ограничено вариантами осуществления изобретения, которые описаны в качестве примера и показаны на чертежах, устройство, которое соответствует изобретению и которое предназначено для сжатия и осушения газа, может быть реализовано в любых формах и размерах, не выходя при этом за пределы объема изобретения.