СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СЖИМАЕМОГО ГАЗА В ВИНТОВОМ КОМПРЕССОРЕ Российский патент 2000 года по МПК F04C18/16 

Изобретение относится к способам охлаждения сжимаемого газа и может быть использовано в винтовых компрессорах.

Известен способ охлаждения сжимаемого газа, включающий подачу охлаждающей жидкости (масло) в рабочую полость винтового компрессора (ВК), где охлаждающая жидкость воспринимает теплоту от сжимаемого газа и тем самым охлаждает его. Так как теплоемкость охлаждающей жидкости величина достаточно большая, то происходит более эффективный отвод теплоты от сжимаемого газа и, следовательно, более эффективное охлаждение сжимаемого газа. В результате применения такого способа охлаждения достигается политропный процесс сжатия газа с показателем политропы l<n<k. При этом от сжимаемого газа отводится количество теплоты, эквивалентиное площадке (пл. с-2м-1-а) (фиг.2). Применение такого способа охлаждения позволяет повысить степень сжатия и КПД ВК (см. А. К.Михайлов, В.П. Ворошилов. Компрессорные машины, - М: Энергоиздат, 1989, с. 82).

К недостаткам данного способа относится то, что количество теплоты, отводимое охлаждающей жидкостью от сжимаемого газа, ограничивается ее теплоемкостью и количеством. В результате этого не полностью отводится теплота сжатия, что приводит к дополнительным затратам энергии на сжатие, дополнительному подогреву сжимаемого газа и ВК, возникает вопрос перехода на многоступенчатое сжатие.

Известен способ охлаждения сжимаемого газа, принятый за ближайший аналог, включающий подачу охлаждающей жидкости (вода) в рабочую полость ВК с добавлением в нее твердого компонента (кристаллогидратная соль, например, NaCO₃10H₂O), вступающего в рабочей полости ВК с охлаждающей жидкостью в эндотермическую реакцию, т.е. реакцию, идущую с поглощением теплоты. В результате такого способа охлаждения становится возможным приблизить процесс сжатия к изотермическому. При таком способе охлаждения от сжимаемого газа отводится большее количество теплоты, чем в способе, включающем подачу охлаждающей жидкости (масло) в рабочую полость ВК, т.е. происходит более эффективное охлаждение газа. Это приводит в свою очередь к уменьшению энергозатрат на сжатие и возможность сжатия газа в одной ступени до более высоких давлений (см. патент СССР SU N1629613 A1).

К недостаткам данного способа охлаждения относится то, что скорость эндотермической реакции растворения солей мала и поэтому становится невозможным организовать изотермический процесс сжатия с показателем политропы n= 1.

Задачей изобретения является организация политропного (изотермического) процесса сжатия в ВК с показателем политропы n=1 и даже n<1, позволяющего уменьшить энергозатраты на сжатие, сделать возможным сжатие газа до более высоких давлений без применения дополнительных ступеней, увеличить скорость эндотермической реакции, т. е. осуществление наиболее эффективного способа охлаждения сжимаемого газа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе охлаждения сжимаемого газа в ВК, включающем подачу в рабочую полость ВК охлаждающего вещества, вступающего в эндотермическую реакцию, в качестве охлаждающего вещества в рабочую полость ВК подают смесь газов, химически инертных по отношению к сжимаемому газу, вступающих между собой в эндотермическую реакцию в присутствии катализатора.

В качестве газов в смеси используют CO и H₂ в соотношении соответственно 1: 2 согласно уравнению химической реакции CO + 2H₂ ^Kt = CH₃OH, в качестве катализатора используют промышленный бифункциональный цеолит марки СНМ-1.

Или в качестве газов в смеси используют C₂H₄ и O₂ в соотношении соответственно 1:1 согласно уравнению химической реакции C₂H₄ + O₂ ^Kt = CH₂-CH₂, в качестве катализатора используют серебро.

Организация в рабочей полости ВК эндотермической газовой реакции позволяет создать изотермический процесс сжатия, обеспечить более эффективное охлаждение сжимаемого газа за счет того, что газовые реакции идут с поглощением большей теплоты и с большей скоростью, чем реакции растворения солей в воде.

Протекание в рабочей полости ВК эндотермической газовой реакции позволяет создать политропный (изотермический) процесс сжатия газа, при котором от сжимаемого газа отводится количество теплоты, эквивалентное площадке (d-2n-l-a) (фиг.2).

Так, например, при растворении 1 моля нитрата аммония (NH₄NO₃) в воде поглощается около 35 кДж.

При взаимодействии CO и H₂ в количестве 1 моль в соотношении соответственно 1: 2 согласно уравнению химической реакции CO + 2H₂ ^Kt = CH₃OH поглощается 85 кДж теплоты, в качестве катализатора используется промышленный бифункциональный цеолит марки СНМ-1.

Или при взаимодействии C₂H₄ и O₂ в количестве 1 моль в соотношении соответственно 1:1 согласно уравнению химической реакции C₂H₄ + O₂ ^Kt = CH₂-CH₂ поглощается 103 кДж теплоты, в качестве катализатора используется серебро.

Увеличение скорости реакции достигается за счет того, что скорость газовых реакций на порядок выше.

На фиг.1 изображена схема установки, реализующая способ охлаждения сжимаемого газа в винтовом компрессоре.

На фиг.2 изображены процессы сжатия газа в винтовом компрессоре.

Схема установки, реализующая способ охлаждения сжимаемого газа в винтовом компрессоре включает в себя винтовой компрессор 5, дозатор 3, отделитель жидкости 7 и сборную емкость 8.

Способ охлаждения сжимаемого газа осуществляется следующим образом. Исходные газы, химически инертные по отношению к сжимаемому, поступают по трубопроводам 1 и 2 в дозатор 3, где происходит их смешение в определенной пропорции, согласно химическому уравнению реакции. В это время сжимаемый газ по трубопроводу 6 подается в рабочую полость ВК 5. После отсечки рабочей полости от окна всасывания в нее по трубопроводу 4 подаются газы в виде смеси, приготовленной в дозаторе 3. В рабочей полости ВК 5 газы в виде смеси вступают между собой в эндотермическую реакцию в присутствии катализатора с образованием жидкого продукта, охлаждая сжимаемый газ. После выхода из ВК 5 смесь охлажденного сжатого газа и жидкости поступает в отделитель жидкости 7, в котором охлажденный сжатый газ отделяется и поступает к потребителю, а жидкость поступает в сборную емкость 8 для дальнейшего использования.

Пример конкретного выполнения. Исходные газы (CO и H₂), химически инертные по отношению к сжимаемому газу (воздух), поступают по трубопроводам 1 и 2 в дозатор 3, где происходит их смешение в соотношении соответственно 1:2, согласно химическому уравнению реакции: CO + 2H₂ ^Kt = CH₃OH. В это время сжимаемый воздух по трубопроводу 6 подается в рабочую полость ВК 5 при давлении P₁ = 0,1 МПа и температуре t₁ = 20^oC. После отсечки рабочей полости от окна всасывания в нее по трубопроводу 4 подаются газы (CO и H₂) в виде смеси, приготовленной в дозаторе 3. При сжатии воздуха от давления P₁ = 0,1 МПа до давления P₂ = 0,5 МПа выделяется количество теплоты, равное 85 кДж. В рабочей полости ВК газы CO и H₂ вступают между собой в эндотермическую реакцию в присутствии катализатора, в качестве катализатора используется промышленный бифункциональный цеолит марки СНМ-1. В процессе протекания эндотермической газовой реакции поглощается количество теплоты 85 кДж в расчете на 1 моль CH₃OH. Таким образом от сжимаемого воздуха полностью отводится теплота сжатия и, вследствие этого, температура сжатого воздуха на выходе из КМ (t₂) равна температуре воздуха на входе в КМ, т.е. t₁ = t₂ = 20^oC, что позволяет говорить о создании политропного (изотермического) процесса сжатия с показателем политропы n = 1. После выхода из ВК 5 смесь охлажденного сжатого воздуха и жидкости (CH₃OH) поступает в отделитель жидкости 7, в котором охлажденный сжатый воздух отделяется и поступает к потребителю, а жидкость (CH₃OH) поступает в сборную емкость 8 для дальнейшего использования. В данном конкретном примере выполнения ВК 5 - винтовой компрессор объемной производительностью 25 м³/мин мокрого сжатия, т.е. приспособленный для перекачки жидкости.

В качестве газов в исходной смеси используют CO и H₂ в соотношении соответственно 1: 2 согласно уравнению химической реакции CO + 2H₂ ^Kt = CH₃OH, в качестве катализатора использован промышленный бифункциональный цеолит марки СНМ-1.

Или в качестве газов в исходной смеси используют C₂H₄ и O₂ в соотношении соответственно 1:1 согласно уравнению химической реакции C₂H₄ + O₂ ^Kt = CH₂ - CH₂, в качестве катализатора использовано серебро.

Изобретение относится к способам охлаждения сжимаемого газа и может быть использовано в винтовых компрессорах. В рабочую полость винтового компрессора подают смесь газов, химически инертных по отношению к сжимаемому газу, которые вступают между собой в эндотермическую реакцию в присутствии катализатора, что позволяет уменьшить энергозатраты на сжатие, сделать возможным сжатие газа до более высоких давлений без применения дополнительных ступеней, увеличить скорость эндотермической реакции, т.е. осуществление наиболее эффективного способа охлаждения сжимаемого газа. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ охлаждения сжимаемого газа в винтовом компрессоре, включающий подачу в рабочую полость охлаждающего вещества, вступающего в эндотермическую реакцию, отличающийся тем, что в качестве охлаждающего вещества в рабочую полость винтового компрессора подают смесь газов, химически инертных по отношению к сжимаемому газу, вступающих между собой в эндотермическую реакцию в присутствии катализатора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газов в смеси используют СО и H₂ в соотношении соответственно 1 : 2 согласно уравнению химической реакции СО + 2H₂ ^Kt = CH₃OH, в качестве катализатора используют промышленный бифункциональный цеолит марки СНМ-1. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газов в смеси используют C₂H₄ и O₂ в соотношении соответственно 1 : 1 согласно уравнению химической реакции C₂H₄ + O₂ ^Kt = CH₂ - CH₂, в качестве катализатора используют серебро.