КОНСОЛЬНЫЙ ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР, ХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСОЛЬНОГО ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА
CONSOLE AXIAL COMPRESSOR, CHEMICAL REACTOR AND MANUFACTURING METHOD OF CONSOLE AXIAL COMPRESSOR

Область техники
[0001] Варианты выполнения предмета изобретения, описанного в данном документе, относятся в целом к способам и установкам и, более конкретно, к устройствам и способам сжатия текучей среды.
Предпосылки изобретения
[0002] На протяжении последних лет увеличился спрос на различные химические продукты. Примером таких продуктов являются продукты из полиэтилена и полипропилена, которые используются, например, в производстве пластмасс, в производстве, где используются многофазные трубопроводы, и т.д. Соответственно, увеличилось производство данных продуктов. Одним из механических компонентов, используемых в установке (реакторе) для производства полиэтиленовых и полипропиленовых продуктов, является центробежный компрессор.
[0003] Компрессоры в целом подразделяются на объемные компрессоры и динамические компрессоры. К объемным компрессорам относятся поршневые и ротационные компрессоры, не рассмотренные в данном документе. К динамическим компрессорам, среди прочих, относятся центробежные, осевые и диагональные компрессоры.
[0004] На фиг.1 показан пример центробежного компрессора. Фиг.1 изображает центробежный компрессор 10, содержащий рабочее колесо 12, присоединенное к валу 14, который опирается на подшипники 16 и 18. Указанное колесо 12 содержит ступицу 20 и лопатки 22. Текучая среда поступает в компрессор 10 через впускное отверстие 24 в направлении А, затем достигает колеса 12, в котором происходит увеличение ее кинетической энергии и изменение направления ее потока перед выходом через выпускное отверстие 26 в направлении В. Поскольку колесо 12 не опирается на вал 14 между подшипниками 16 и 18, то такую конфигурацию называют «консольной» в отличие от «межподшипниковой» конфигурации, в которой рабочее колесо (колеса) поддерживается между подшипниками. Кроме того, поскольку для ускорения поступающей в компрессор 10 текучей среды используется центробежная сила, создаваемая рабочим колесом, то компрессор, показанный на фиг.1, называют консольным центробежным компрессором.
[0005] Консольный центробежный компрессор широко применяется в химической и нефтехимической промышленностях. Однако недостатком этого компрессора являются его большие габариты для заданного сочетания параметров процесса обработки, например, параметров потока. Например, фиг.2 изображает график зависимости коэффициента напора компрессора от его коэффициента расхода. Коэффициент напора связан с выходным давлением компрессора и является безразмерным коэффициентом. Коэффициент расхода связан с объемным расходом текучей среды в компрессоре. Фиг.2 иллюстрирует изменения во времени коэффициентов напора и коэффициентов расхода известных компрессоров, разработанных для промышленности, связанной с производством полиэтилена/полипропилена, причем точки, расположенные слева, соответствуют более раннему времени, чем точки, расположенные справа, Данный график иллюстрирует тот факт, что операторам установок со временем требуются меньшие коэффициенты напора и большие коэффициенты расхода. В соответствии с этой тенденцией за последние 10 лет произошло увеличение веса центробежных компрессоров (особенно корпусов) в среднем с 20 до 40 тонн при увеличении диаметра рабочего колеса с 45 до 90 см и выше. С увеличением веса и размера компрессоров также произошло увеличение веса и размеров соответствующих компонентов, т.е. диффузора и т.д.
[0006] Другой недостаток центробежного компрессора заключается в том, что при превышении определенного значения коэффициента расхода уменьшается эффективность политропического процесса. Для устранения недостатков центробежных компрессоров, возникающих при слишком высоком коэффициенте расхода, используют диагональные компрессоры. Однако эти компрессоры также имеют ограничения с точки зрения эффективности и требуемого веса и подвержены тем же проблемам, что и центробежные компрессоры. Диагональные компрессоры подобны центробежным компрессорам, за исключением того, что текучая среда выпускается под углом относительно продольной оси компрессоров. Другими словами, направление выходящей текучей среды проходит между направлениями А и В, показанными на фиг.1, и появляется ни осевым потоком (направление А), ни радиальным потоком (направление В).
[0007] Фиг.3 иллюстрирует зависимость изменения диаметра рабочего колеса (для диагонального компрессора) от частоты вращения (кривая 30) для заданного требуемого напора политропического процесса. Кроме того, приведен график зависимости коэффициента расхода от частоты вращения рабочего колеса (кривая 32) для заданного требуемого расхода. Следует отметить, что при диаметре рабочего колеса 41 дюйм (104 см) (точка 34) соответствующий коэффициент расхода составляет приблизительно 0,172 (точка 36), и это значение в целом попадает в требуемый диапазон, ограниченный сверху значением приблизительно 0,25 для диагональных рабочих колес. Однако при попытке уменьшить размеры рабочего колеса приблизительно до 27 дюймов (69 см) (точка 38), что означает уменьшение размеров приблизительно на 35%, коэффициент расхода возрастает до 0,4, а это значение выходит за пределы требуемого диапазона, соответствующего высокой эффективности.
[0008] На фиг.4 изображен осевой компрессор. Указанный осевой компрессор 42 содержит вал 44, к которому присоединены многочисленные элементы 46 с аэродинамическим профилем. Текучая среда поступает во впускное отверстие 48 и получает ускорение с помощью указанных элементов 46 вдоль осевого направления С до тех пор, пока не происходит ее выпуск через выпускное отверстие 50. Однако вследствие наличия частиц грязи в текучей среде на элементах 46 и корпусе 52 компрессора 42 могут образовываться отложения. Для очистки указанных элементов и корпуса осуществляется снятие верхней части компрессора (не показана) для получения доступа к требующим очистки компонентам. Такой разъем корпуса 52 осевого компрессора вдоль горизонтальной плоскости делает данный компрессор осевым компрессором с горизонтально разъемным корпусом. Кроме того, в обычном осевом компрессоре оба конца 54 вала 44 опираются на подшипники, а элементы 46 расположены между указанными подшипниками, поддерживающими вал 44.
[0009] Осевой компрессор обеспечивает достижение лучшего коэффициента расхода при меньшем размере рабочего колеса (элементов с аэродинамическим профилем) по сравнению с центробежными и/или диагональными компрессорами и, соответственно, имеет меньший вес и габариты. Однако недостатком существующих осевых компрессоров является сложность в их техническом обслуживании при использовании в условиях неочищенного технологического газа, который используется при производстве полиэтилена/полипропилена, так как происходит засорение элементов с аэродинамическим профилем, при этом открытие осевого компрессора и очистка его компонентов становятся трудоемкими и дорогостоящими.
[0010] Соответственно, имеется необходимость в создании компрессоров и способов, которые устраняют вышеописанные проблемы и недостатки.
Сущность изобретения
[0011] В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения предложен консольный осевой компрессор, который содержит корпус, выполненный с возможностью вертикального разъема вдоль вертикальной оси для получения доступа к его внутренней части, и съемный картридж. Съемный картридж выполнен с возможностью установки в корпусе и прикрепления к нему с возможностью отсоединения и содержит вал, расположенный вдоль горизонтальной оси, которая по существу перпендикулярна вертикальной оси, и выполненный с возможностью вращения вокруг указанной горизонтальной оси, систему подшипников, прикрепленную к съемному картриджу и предназначенную для поддержания первого конца вала с возможностью вращения, и лопатки, смещенные ко второму концу вала, так что указанный второй конец расположен консольно внутри корпуса. Указанный компрессор также содержит направляющий лопаточный аппарат, выполненный с возможностью присоединения к съемному картриджу и регулирования потока текучей среды к указанным лопаткам.
[0012] В соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения предложен химический реактор для обработки химического вещества. Указанный реактор содержит первую трубу, предназначенную для подачи химического вещества под давлением, компрессор, имеющий впускное отверстие, соединенное с первой трубой, и выполненный с возможностью сжатия химического вещества, и вторую трубу, присоединенную к выпускному отверстию компрессора и предназначенную для приема сжатого химического вещества. Указанный компрессор содержит корпус, выполненный с возможностью вертикального разъема вдоль вертикальной оси для получения доступа к его внутренней части, и съемный картридж, выполненный с возможностью установки в корпусе и прикрепления к нему с возможностью отсоединения и содержащий вал, который расположен вдоль горизонтальной оси, по существу перпендикулярной вертикальной оси, и выполнен с возможностью вращения вокруг указанной горизонтальной оси. Компрессор также содержит систему подшипников, прикрепленную к съемному картриджу и предназначенную для поддержания первого конца вала с возможностью вращения, и лопатки, смещенные ко второму концу вала, так что указанный второй конец расположен консольно внутри корпуса. Компрессор также содержит направляющий лопаточный аппарат, выполненный с возможностью присоединения к съемному картриджу и регулирования потока текучей среды к указанным лопаткам.
[0013] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложен способ изготовления консольного осевого компрессора. Указанный способ включает введение съемного картриджа в корпус, выполненный с возможностью вертикального разъема вдоль вертикальной оси для получения доступа к его внутренней части. Съемный картридж содержит вал, расположенный вдоль горизонтальной оси, которая по существу перпендикулярна вертикальной оси, и выполненный с возможностью вращения вокруг указанной горизонтальной оси, систему подшипников, прикрепленную к съемному картриджу и предназначенную для поддержания первого конца вала с возможностью вращения, и лопатки, смещенные ко второму концу вала, так что указанный второй конец расположен консольно внутри корпуса. Указанный способ также включает присоединение к съемному картриджу направляющего лопаточного аппарата, выполненного с возможностью регулирования потока текучей среды к указанным лопаткам.
Краткое описание чертежей
[0014] Сопроводительные чертежи, которые включены в данное описание и являются его частью, иллюстрируют один или более вариантов выполнения изобретения и совместно с описанием служат для объяснения указанных вариантов. На чертежах:
[0015] фиг.1 изображает конструкцию обычного центробежного компрессора с диагональным рабочим колесом,
[0016] фиг.2 изображает график, иллюстрирующий зависимость между изменениями коэффициента напора и коэффициентом расхода для компрессора, используемого в производстве полиэтилена/пропилена,
[0017] фиг.3 изображает график, иллюстрирующий зависимость между диаметром рабочего колеса компрессора и частотой вращения указанного колеса для компрессора при заданном политропическом напоре и расходе,
[0018] фиг.4 изображает конструкцию обычного осевого компрессора,
[0019] фиг.5 и 6 изображают различные виды консольного осевого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
[0020] фиг.7 изображает продольный разрез консольного осевого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
[0021] фиг.8 изображает продольный разрез консольного осевого компрессора в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения,
[0022] фиг.9 и 10 изображают продольные разрезы различных компонентов консольного осевого компрессора в соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения,
[0023] фиг.11 изображает продольный разрез консольного осевого компрессора, показанного на фиг.9 и 10, в собранном виде,
[0024] фиг.12 Изображает конструкцию стопорного кольцевого соединения в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
[0025] фиг.13 изображает конструкцию химического реактора, содержащего консольный осевой компрессор в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения,
[0026] фиг.14 изображает блок-схему, иллюстрирующую этапы способа изготовления консольного осевого компрессора в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.
Подробное описание изобретения
[0027] Нижеследующее описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на сопроводительные чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Приведенное ниже подробное описание не ограничивает данное изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения. Для простоты приведенные ниже варианты выполнения описаны с учетом терминологии и устройства консольного осевого компрессора с радиальным впускным отверстием и осевым выпускным отверстием. Тем не менее рассмотренные далее варианты выполнения не ограничены указанными конструкциями и могут быть применены к другим конструкциям, например, к консольному осевому компрессору с осевым впускным отверстием и радиальным выпускным отверстием.
[0028] Используемое на протяжении всего описания выражение «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характерная особенность, описанные в связи с вариантом выполнения, присущи по меньшей мере одному варианту выполнения рассматриваемого объекта изобретения. Таким образом, фразы «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения», встречающиеся в разных местах на протяжении всего описания, необязательно все относятся к одному и тому же варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характерные особенности могут сочетаться любым соответствующим образом в одном или нескольких вариантах выполнения,
[0029] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения консольный осевой компрессор, который содержит вертикально разъемный корпус, используется для уменьшения веса и габаритов в областях применения, где требуется высокий коэффициент расхода (выше приблизительно 0,2) и низкий политропический напор.
[0030] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на фиг.5, консольный осевой компрессор 58 содержит корпус 60 и съемный картридж 62. Картридж 62 прикреплен к внутренней части 64 корпуса 60 с возможностью отсоединения. Компрессор 58 также содержит направляющий лопаточный аппарат 66, который соединен с диффузором 67, присоединенным к выпускному отверстию 68 компрессора 58. Компрессор 58 имеет впускное отверстие 70, которое проводит текучую среду к картриджу 62 вдоль вертикальной оси 72. Указанная текучая среда поступает в канал (120, показанный на фиг.11), при этом ее направление регулируется с помощью направляющей лопатки 66. Затем текучая среда подвергается сжатию с помощью вращающихся лопаток (90, показанных на фиг.9) сразу после прохождения указанных направляющих лопаток. Фиг.6 изображает вид компрессора 58 вдоль горизонтальной оси 74 со стороны выпускного отверстия 68. Компрессор 58 может опираться на стойки 76.
[0031] Фиг.7 изображает картридж 62, полностью извлеченный из корпуса 60. В варианте выполнения, показанном на фиг.7, картридж 62 содержит направляющий лопаточный аппарат 66. Однако в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на фиг.8, картридж 62 может не содержать указанного аппарата 66. В варианте выполнения, показанном на фиг.8, аппарат 66 остается присоединенным к диффузору 67, благодаря чему происходит облегчение картриджа 62, поскольку аппарат 66 может весить около 2 тонн.
[0032] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения фиг.9 изображает картридж 62, извлеченный из корпуса 60 компрессора 58. Картридж 62 может содержать одну или более лопаток 90, присоединенных к валу 92, который выполнен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси 74. Лопатка 90 может содержать элементы с аэродинамическим профилем, показанные на фиг.4, и расположена на первом конце 94 вала 92. Лопатка 90 может представлять собой лопатку, выполненную за одно целое с диском. Вал 92 у второго конца 96 поддерживается системой 98 подшипников. Таким образом, осевой компрессор, изображенный на фиг.9, является консольным осевым компрессором, так как лопатка 90 расположена консольно на первом конце 94 вала 92 отдельно от системы 98 подшипников в отличие от обычных осевых компрессоров, в которых лопатка расположена между подшипниками системы подшипников. Указанная система 98 может содержать подшипники 100 с наклонным вкладышем и другие подшипники 102. Картридж 62 может содержать сухое уплотнение 104, обеспечивающее предотвращение просачивания в атмосферу текучей среды, поступающей во впускное отверстие 70. Таким образом, в соответствии с данным иллюстративным вариантом выполнения все подвижные части компрессора входят в состав картриджа 62, что облегчает процесс технического обслуживания компрессора.
[0033] Фиг.10 изображает корпус 60, предназначенный для размещения картриджа 62, показанного на фиг.9. В соответствии с данным иллюстративным вариантом выполнения корпус 60 содержит буферную систему 110. Указанная система 110 может содержать первую буферную полость 112 и вторую буферную полость 114. Первая буферная полость 112 выполнена в центральной части выпускного отверстия 68 и отцентрована в радиальном направлении относительно вала 92. Внутренняя область 118 полости 112 с помощью канала 116 соединена с источником очищенного газа (не показан) для обеспечения подачи очищенного газа в указанную полость 112. Давление очищенного газа в полости 112 поддерживается на более высоком уровне, чем давление текучей среды, вытесняемой лопаткой 90, так что неочищенная текучая среда, сжимаемая с помощью лопатки 90, не попадает в полость 112. Буферный газ обеспечивает более высокое давление в различных полостях и, таким образом, препятствует поступлению технологического газа и его частиц в указанную полость или пространство и его накоплению там. Вторая буферная полость 114 препятствует образованию в направляющем лопаточном аппарате отложений, которые могут нарушить его работу.
[0034] Фиг.11 изображает картридж 62 в соответствии с фиг.9, прикрепленный к корпусу 60 компрессора 58, показанному на фиг.10, а также направление 72 поступления сжимаемой текучей среды и направление 74 выпуска сжатой текучей среды. Следует отметить, что на пути 120 прохождения текучей среды в основном отсутствуют полости, которые являются одним из факторов, определяющих образование отложений продукта на компонентах компрессора. Однако любые местоположения, в которых может происходить проникновение технологического газа в такие пространства, как 112 и 114, забуферены очищенным газом для предотвращения образования отложений в таких областях. Таким образом, благодаря использованию этих особенностей предложенного консольного осевого компрессора в соответствии с одним или более вариантами выполнения происходит снижение или исключение образования отложений продукта. Кроме того, компрессор 58, изображенный на фиг.11, обеспечивает непосредственный доступ к подвижным компонентам, поскольку картридж 62 может быть легко извлечен из корпуса 60 компрессора. Картридж 62 соединен с корпусом 60 при помощи стопорного кольцевого соединения 124. Указанное соединение 124 более подробно показано на фиг.12. Фиг.12 изображает соединение 124, имеющее сегментную конструкцию, т.е. имеющее несколько сегментов 126, которые могут быть прикреплены винтами 128 к корпусу 60 компрессора 58. Таким образом, соединение 124 обеспечивает возможность простого извлечения картриджа 62. В одном иллюстративном варианте выполнения соединение 124 является единственным элементом, который удерживает картридж 62 прикрепленным к корпусу 60 (соединительный стержень (не показан), присоединяющий направляющий лопаточный аппарат к исполнительному механизму, не рассматривается в качестве средства, удерживающего картридж 62 прикрепленным к корпусу 60).
[0035] Следует отметить, что обычный горизонтально разъемный осевой компрессор вызывает трудности с точки зрения содержания и технического обслуживания из-за наличия многочисленных углубленных областей, присущих данной конструкции. Предложенный консольный осевой компрессор с вертикальным разъемом, рассмотренный со ссылкой на фиг.5-12, лишен указанных недостатков обычных осевых компрессоров вследствие уменьшения количества полостей вдоль пути прохождения текучей среды. Кроме того, указанный компрессор в соответствии с одним или более иллюстративными вариантами выполнения обеспечивает достижение лучшего пути прохождения потока, а также возможность повышения производительности и уменьшения веса по сравнению с диагональными и центробежными компрессорами.
[0036] Более того, предложенный консольный осевой компрессор в соответствии с одним или более иллюстративными вариантами выполнения обеспечивает радиальный впуск/осевой выпуск для упрощенного трубного соединения реактора, поскольку указанный компрессор необходимо присоединить к различным трубам реактора. Кроме того, модульный монтаж картриджа с корпусом компрессора исключает необходимость в удалении трубы, которое выполняют в обычных компрессорах.
[0037] Поскольку предложенный компрессор может использоваться в химическом реакторе для создания требуемых химических Компонентов под определенным давлением, то по компрессору могут циркулировать различные химические составы, такие как, например, этиленоксид, этиленгликоль, природный газ, сепаратор углеводородных фракций С3, полиэтилен, полипропилен и т.д. В иллюстративном варианте выполнения для сжатия требуемой текучей среды и/или циркулирующего газа могут использоваться один или более предложенных компрессоров. В предложенном компрессоре, вследствие его конструкции, достигается относительно небольшое возрастание напора. Однако для сжатия циркулирующего газа в химическом реакторе требуются наличие высоких давлений на входе и использование компрессоров с малым приростом давления. Вследствие наличия высокого давления на входе предложенный компрессор выполнен с работающим под высоким давлением корпусом, который обеспечивает выдерживание высоких давлений на входе и выходе.
[0038] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, изображенным на фиг.13, химический реактор 130 содержит по меньшей мере первую трубу 132, обеспечивающую подачу химического вещества к компрессору, который может быть предложенным компрессором 58, рассмотренным в предыдущих вариантах выполнения. После того, как компрессор 58 выполнит сжатие химического вещества, он выпускает сжатое химическое вещество ко второй трубе 134, которая подает указанное вещество к реакционному резервуару 136. Плотное соединение между компрессором 58 и первой и второй трубами 132 и 134 обеспечивается с помощью сопрягающих соединений 138.
[0039] Ниже со ссылкой на фиг.14 рассмотрен способ изготовления компрессора 58. В соответствии с данным иллюстративным вариантом выполнения указанный способ включает этап 140 введения съемного картриджа в корпус, выполненный с возможностью вертикального разъема вдоль вертикальной оси для получения доступа к внутренней части корпуса. Съемный картридж содержит вал, расположенный вдоль горизонтальной оси, которая по существу перпендикулярна вертикальной оси, и выполненный с возможностью вращения вокруг указанной горизонтальной оси, систему подшипников, прикрепленную к съемному картриджу и предназначенную для поддержания первого конца вала с возможностью вращения, и лопатки, смещенные ко второму концу вала, так что указанный второй конец расположен консольно внутри корпуса. Способ также включает этап 142 присоединения к съемному картриджу направляющего лопаточного аппарата, выполненного с возможностью регулирования потока текучей среды к указанным лопаткам.
[0040] При желании способ может включать этап прикрепления направляющего лопаточного аппарата к корпусу, когда съемный картридж вставлен в корпус (т.е. указанный аппарат может не быть частью картриджа), или этап прикрепления направляющего лопаточного аппарата к картриджу, когда картридж вставлен в корпус (т.е. указанный аппарат является частью картриджа). Более того, способ может включать присоединение съемного картриджа к корпусу с помощью стопорного кольцевого соединения, которое является единственным соединением между картриджем и корпусом, и/или прикрепление к корпусу буферной системы, выполненной с возможностью приема текучей среды, выходящей из съемного картриджа.
[0041] В рассмотренных иллюстративных вариантах выполнения предложены консольный осевой компрессор, химический реактор и способ сжатия текучей среды. Следует понимать, что данное описание не ограничивает изобретение. Напротив, предполагается, что иллюстративные варианты выполнения охватывают альтернативные варианты, модификации и аналоги, находящиеся в рамках идеи и объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, для обеспечения всестороннего понимания заявленного изобретения в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения изложен ряд характерных особенностей. Тем не менее специалистам в данной области техники понятно, что возможна реализация различных вариантов выполнения без учета данных характерных особенностей.
[0042] Несмотря на то что в представленных иллюстративных вариантах выполнения особенности и элементы данных вариантов выполнения описаны в конкретных сочетаниях, каждая особенность или элемент могут быть применены по отдельности, без использования других особенностей и элементов вариантов выполнения, либо в различных сочетаниях с учетом или без учета других особенностей и элементов, описанных в данном документе.
[0043] В данном описании примеры использованы для раскрытия изобретения, в том числе наилучшего варианта его выполнения, а также для предоставления возможности специалисту в данной области техники реализовать изобретение, в том числе изготовить и использовать любые устройства или системы, а также применить любые комбинированные способы. Патентоспособный объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, предложенные специалистами в данной области техники. Предполагается, что такие примеры находятся в рамках объема формулы изобретения, если их структурные элементы полностью соответствуют дословному тексту формулы изобретения или если они содержат эквивалентные структурные элементы, соответствующие дословному тексту формулы изобретения.