CN110645178A - 螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器及工艺气冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器及工艺气冷却系统，卧式气液冷却分离器包括同轴设置的设备外筒和设备内筒，设备内筒与设备外筒之间隔有环隙空间，设备内筒的两端开口并与该环隙空间相连通，且设备内筒中设有管束；环隙空间内设有用于将该环隙空间分隔为左侧空间和右侧空间的隔板，隔板左侧的设备外筒上设有进气口和高温排液口，隔板右侧的设备外筒上设有出气口和低温排液口，左侧空间内设有从右到左依次设置的左侧螺旋板和左侧丝网除沫器，右侧空间内设有从右到左依次设置的右侧螺旋板和右侧丝网除沫器。与现有技术相比，本发明充分利用了设备空间，减小设备的体积、重量和占地面积，节省设备制造费用，提高其性价比。

Description

螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器及工艺气冷却系统
技术领域
本发明涉及螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器及工艺气冷却系统，尤其是涉及一种大型喷液螺杆压缩机装置中的卧式气液冷却分离器。
背景技术
螺杆式压缩机装置广泛应用于石油、化工、能源等工业技术领域，在宽广的容量和工况的范围内，逐步代替了其他种类压缩机。螺杆压缩机的基本结构是，是配置一对相互啮合的螺旋形转子(阳转子和阴转子)，为了较高的压缩效率，阳转子和阴转子的啮合间隙都比较小，为避免压缩过程的温度升高造成压缩机壳体和转子热膨胀而导致转子咬合及润滑油油质恶化等原因，故需要保证压缩后的气体出口温度不能太高。因此，在喷液螺杆压缩机中通常是采用在压缩机工艺气体的同时，大量的软水或柴油等液体被喷入压缩机内，与被压缩的工艺气体形成气液混合物，所以在螺杆压缩机压缩后的流体介质是两相流体混合物(含有气态的压缩气体及蒸汽，还有液态的软水或柴油)，并伴有相变化的对流传热过程。
因为有相变的传热过程的特点是相变冷凝流体要放出大量的潜热，而且流体温度基本不变。这就造成其传热量要比没有相变的工况下大很多，因此其冷却分离器不但需重点考虑强化传热技术，优化设计出高效、节能的冷却分离器，而且还需改进螺杆压缩机装置中的工艺气冷却系统，减少有相变的传热量。
在现有技术中，螺杆式压缩机装置的后换热器设计主要考虑到的是气体冷却的换热效率以及在此基础上的强化传热技术，往往忽略了利用设备让高温液体在冷却前就通过分离排出在冷却分离器的冷却过程中，直接减少冷却分离器中的传热量，进而减小冷却分离器的尺寸。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器及工艺气冷却系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，包括同轴设置的设备外筒和设备内筒，设备内筒与设备外筒之间隔有环隙空间，设备内筒的两端开口并与该环隙空间相连通，且设备内筒中设有管束；环隙空间内设有用于将该环隙空间分隔为左侧空间和右侧空间的隔板，隔板左侧的设备外筒上设有与环隙空间相连通的进气口和高温排液口，隔板右侧的设备外筒上设有与环隙空间相连通的出气口和低温排液口，左侧空间内设有从右到左依次设置的左侧螺旋板和左侧丝网除沫器，右侧空间内设有从右到左依次设置的右侧螺旋板和右侧丝网除沫器。
作为本发明优选的技术方案，所述的进气口设置于设备外筒侧壁上，且位于隔板与左侧螺旋板之间靠近隔板的位置处，所述的出气口设置于设备外筒上隔板与右侧丝网除沫器之间的位置处，所述的高温排液口设置于设备外筒上位于左侧丝网除沫器左侧的位置处，所述的低温排液口设置于设备外筒上位于右侧丝网除沫器右侧的位置处。
作为本发明优选的技术方案，所述的进气口设置于设备外筒的侧壁切线方向上，所述的出气口、高温排液口和低温排液口均设置于设备外筒的侧壁正下部位。
作为本发明优选的技术方案，该卧式气液冷却分离器还包括管箱，所述的设备外筒左端敞口并通过管束的管板与管箱连接，设备外筒右端封闭，管束的左端从设备内筒的左端延伸到管箱。
作为本发明优选的技术方案，所述的设备内筒内还设有折流挡板。
作为本发明优选的技术方案，所述的左侧螺旋板和右侧螺旋板分别用于在左侧空间和右侧空间中形成螺旋流通空间。
作为本发明优选的技术方案：
所述的设备外筒的侧壁靠近两端部处分别放空口；
设备外筒的底部设有鞍座；
所述的设备外筒的右侧在靠近右侧丝网除沫器处通过设备法兰连接，将设备外筒分成左侧设备外筒和右侧设备外筒。
本发明还提供一种螺杆压缩机装置用工艺气冷却系统，用于螺杆压缩机装置，该系统包括气液热交换器和液液热交换器；所述的螺杆压缩机包括气体进口、喷液进口与气体出口，气体进口用于进气，喷液进口用于向螺杆压缩机内部喷射液体，为压缩空气降温，螺杆压缩机用于将气体进口进入的气体压缩成高压气体，并使高压气体与降温用液体混合成气液混合体，从气体出口流出；所述的液液热交换器具有进口和出口；所述的气液热交换器具有进气口、出气口、高温排液口与低温排液口，气液热交换器的进气口与螺杆压缩机的气体出口连接，气液热交换器用于将气液混合体分离成冷却压缩空气、高温液体及低温液体，出气口用于冷却压缩空气的排出，高温排液口与液液热交换器的进口连接，液液热交换器用于对从高温排液口排出的高温液体进行冷却，所述的低温排液口直接与螺杆压缩机的喷液进口相连；气液热交换器为所述的卧式气液冷却分离器。
在调整优化螺杆式压缩机装置的整套工艺气体冷却系统的基础上，通过控制喷液螺杆式压缩机的排气温度(在保证压缩效率的情况下尽量降低排气温度)，使得更少的液体处于气相，这样会增加喷液量，导致压缩后的高温液体量增加，再通过改进冷却分离器的型式，把大部分的高温液体，在气液进入热交换阶段之前，通过分离进入更高效的液液换热系统。该发明通过减少处于气相的液体量，并在系统中引入高效的液液换热系统，可以大幅减小气液冷却分离器的换热面积，提高整个系统的运行效率。
压缩后的高温气液两相混合物通过进气口切向进入到该卧式气液冷却分离器中，在通过设备外筒与设备内筒间左侧螺旋板间的空间流动，进入到离心分离阶段；随后气流流入左侧丝网除沫器，进入到过滤分离阶段；从左侧分离阶段出来的高温液体从高温排液口流入更高效的液液热交换系统，经过冷却后又回到螺杆压缩机组的喷液系统；而未分离出去的高温介质继续进入该设备中的冷却阶段，冷却后的介质继续通过设备外筒与设备内筒间右侧螺旋板间的空间流动，再一次进入到离心分离阶段，最后流入右侧丝网除沫器，进入到过滤分离阶段，冷却分离后的液体从低温排液口也流回到螺杆压缩机组的喷液系统，最终冷却分离后的气体则进入用户系统。
本发明中，进气口的切向布置对气流的旋转方向有导流作用，并可通过控制设备外筒与设备内筒的流通面积来控制气流的旋转速度，通过提高其旋转速度，在设备可接受的速度下具有更稳定、更有效的离心分离效率。
本发明中，隔板用来固定设备内筒和设备外筒，并将设备分为两个独立的腔体。
本发明中，螺旋板用来固定设备内筒和设备外筒，螺旋板设有两处，左侧螺旋板为了分离高温的液体；右侧螺旋板为了分离冷却后的液体。
本发明中，丝网除沫器能够最大限度的提升分离液滴的能力和分离效果丝网除沫器也有两处，并都分别放在螺旋板分离阶段后。左侧丝网除沫器也是为了进一步分离高温的液体；右侧丝网除沫器是为了进一步分离冷却后的液体。
本发明中，设备法兰为了能方便分别更换两侧丝网除沫器。
本发明中，设备外筒的底部靠近两边封头处各设有排液口，左侧的高温排液口为了高温液体流入更高效的液液热交换系统，冷却后又回到螺杆压缩机组的喷液系统；右侧的低温排液口为了冷却后的液体直接循环回到螺杆压缩机组的喷液系统。
本发明中，压缩气体在该气液冷却分离器中经历以下分离过程：
(1)离心分离阶段(初步将高温液相分离)：压缩气、液体通过进气口切向进入到冷却分离器中，进入设备外筒与设备内筒间的流通空间，进入离心分离阶段；该流通空间狭小，会增加气流的螺旋速度，充分利用离心分离的效果，并为下一步的丝网除沫器过滤分离提供很好的分离条件。；
(2)丝网除沫器过滤分离阶段(进一步将高温液相分离出)：气、液体通过丝网除沫器过滤分离，进一步将高温液相分离出；最大限度的提升分离颗粒的能力和分离效果。
(3)气液热交换阶段：气、液体通过冷却分离器，使气体冷却和气相液体冷凝析出。
(4)冷却后的离心分离阶段：经冷却后的气、液体旋转进入设备外筒与设备内筒间的螺旋板(右侧)，再一次进入离心分离阶段；把冷却后液体分离出来。
(5)冷却后的丝网除沫器过滤分离阶段(进一步将低温液相分离出)：经冷却后的气、液体再一次通过丝网除沫器过滤分离(右侧)，进一步将低温液相分离出；最大限度的提升分离颗粒的能力和分离效果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)优化调整螺杆式压缩机装置的整套工艺气体冷却系统：在保证压缩效率的情况下，尽量降低排气温度，使得更少的液体处于气相，减少因相变释放出大量的潜热，提高螺杆压缩机机组的整体效率。在降低排气温度后，势必会增加喷液量，导致高温的液体的增加，因此该气液冷却分离器在高温气液进入热交换阶段前，先期将高温的液相分离出来，让高温液体进入高效的液液换热系统。在整个螺杆压缩机系统中引入高效的液液换热系统，同时会大幅减小气液冷却分离器的换热面积，提高整个系统的运行效率。
(2)该装置通过合理的设计布置，通过设置两处螺旋板和两处丝网除沫器，让压缩介质经历分离→冷却→再分离的过程，充分提升分离效率和减小冷却面积，充分利用了设备空间，减小设备的体积、重量和占地面积，节省设备制造费用，提高其性价比。
附图说明
图1为本发明的螺杆压缩机装置用工艺气冷却系统的示意图；
图2为本发明螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器的主视结构示意图；
图3为本发明螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器的侧视结构示意图；
图4为本发明的压缩气和液体在本发明螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器中的运动示意图。
图中，1为进气口，2为设备内筒，3为左侧设备外筒，4为左侧螺旋板，5为管箱，6为管束，7为高温排液口，8为左侧丝网除沫器，9为鞍座，10为隔板， 11为出气口，12为右侧丝网除沫器，13为设备法兰，14为右侧螺旋板，15为低温排液口，16为右侧设备外筒，A为冷却前热流体离心分离阶段，B为冷却前热流体丝网除沫器过滤分离阶段，C为气液热交换阶段，D为冷却后冷流体离心分离阶段，E为冷却后冷流体丝网除沫器过滤分离阶段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，如图2～4所示，包括同轴设置的设备外筒和设备内筒2，设备内筒2与设备外筒之间隔有环隙空间，设备内筒2的两端开口并与该环隙空间相连通，且设备内筒2中设有管束6；环隙空间内设有用于将该环隙空间分隔为左侧空间和右侧空间的隔板10，隔板10左侧的设备外筒上设有与环隙空间相连通的进气口1和高温排液口7，隔板10右侧的设备外筒上设有与环隙空间相连通的出气口11和低温排液口15，左侧空间内设有从右到左依次设置的左侧螺旋板4和左侧丝网除沫器8，右侧空间内设有从右到左依次设置的右侧螺旋板14和右侧丝网除沫器12。
更具体地，本实施例中：
进气口1设置于设备外筒侧壁上，且位于隔板10与左侧螺旋板4之间靠近隔板10的位置处，出气口11设置于设备外筒上隔板10与右侧丝网除沫器12之间的位置处，高温排液口7设置于设备外筒上位于左侧丝网除沫器8左侧的位置处，低温排液口15设置于设备外筒上位于右侧丝网除沫器12右侧的位置处。更进一步地，本实施例中，进气口1设置于设备外筒的侧壁切线方向上，出气口1、高温排液口 7和低温排液口15均设置于设备外筒的侧壁正下部位。该卧式气液冷却分离器还包括管箱5，设备外筒左端敞口并通过管束6的管板与管箱5连接，设备外筒右端封闭，管束6的左端从设备内筒2的左端延伸到管箱5。设备内筒2内还设有折流挡板。左侧螺旋板4和右侧螺旋板14分别用于在左侧空间和右侧空间中形成螺旋流通空间。设备外筒的侧壁靠近两端部处分别放空口；设备外筒的底部设有鞍座9；设备外筒的右侧在靠近右侧丝网除沫器12处通过设备法兰13连接，将设备外筒分成左侧设备外筒3和右侧设备外筒16。
本发明中，设置各部件的作用如下：
(1)设置进气口切向方向的作用：对气流的旋转方向有导流作用。
(2)设置隔板的作用：用来固定设备内筒与设备外筒，并将设备分为两个独立的腔体，隔开进气口与出气口；并对管束和设备内筒有支撑作用。
(3)设置左侧螺旋板的作用：固定设备外筒和设备内筒，并使气流在设备内高速旋转，对高温液体进行离心分离；并对管束和设备内筒有支撑作用。
(4)设置左侧丝网除沫器的作用：最大限度的提升高温分离颗粒的能力和分离效果。
(5)设置右侧螺旋板的作用：固定设备外筒和设备内筒，并使气流在设备内高速旋转，对冷却后液体进行离心分离；并对管束和设备内筒有支撑作用。
(6)设置右侧丝网除沫器的作用：最大限度的提升低温分离颗粒的能力和分离效果。
(7)设置设备法兰的作用：为了能方便分别更换两侧丝网除沫器。
(8)设置管束的作用：冷却气、液体满足用户后续系统的要求。
(9)设置排液口的作用：左侧的高温排液口为了高温液体流入更高效的液液热交换系统，冷却后又回到螺杆压缩机组的喷液系统；右侧的低温排液口为了冷却后的液体直接循环回到螺杆压缩机组的喷液系统。
压缩气、液体在该气液冷却分离器中经历以下分离过程：
(1)冷却前热流体离心分离阶段(图4的A阶段)：
压缩气、液体通过进气口1切向进入到冷却分离器中，进入设备外筒、设备内筒2与左侧螺旋板4间的流通空间，进入离心分离阶段；该流通空间狭小，会增加气流的螺旋速度，充分利用离心分离的效果，将高温液体初步分离出来，并为下一步的丝网除沫器过滤分离提供良好的分离条件。
(2)冷却前热流体丝网除沫器过滤分离阶段(图4的B阶段)：
高温介质流入左侧丝网除沫器8，该部分根据HG/T 21618《丝网除沫器》对操作气速的规定确定丝网除沫器的尺寸，再选择合适的网层厚度，进一步确定丝网除沫器尺寸。
(3)气液热交换阶段(图4的C阶段)：气、液体通过管束6，使气体冷却和气相液体冷凝析出。
(4)冷却后冷流体离心分离阶段(图4的D阶段)：冷却后气、液体进入设备外筒、设备内筒2与右侧螺旋板14间的流通空间，进入离心分离阶段；该流通空间狭小，会增加气流的螺旋速度，充分利用离心分离的效果，将冷却后的液体分离出来。
(5)冷却后冷流体丝网除沫器过滤分离阶段(图4的E阶段)：
低温介质流入右侧丝网除沫器12，该部分也是根据HG/T 21618《丝网除沫器》对操作气速的规定确定丝网除沫器的尺寸，再选择合适的网层厚度，确定丝网除沫器尺寸。
该装置及其零部件尺寸的确定过程和步骤为：
(a)剔除掉高温液体后，进行冷却分离器的热力计算，确定冷却分离器管束和设备内筒的尺寸。
(b)再通过计算设备内筒与设备外筒、左侧螺旋板和右侧螺旋板的流通空间，计算其合理的旋转速度，旋转速度以30m/s～40m/s为宜，并必须保证液滴等颗粒从设备内筒处到达筒壁所需的沉降时间<在螺旋板中停留时间，充分保证离心分离的效果。该过程可以确认设备外筒直径、螺旋板间距和圈数。
(c)根据HG/T 21618《丝网除沫器》对操作气速的规定确定丝网除沫器的尺寸，再选择合适的网层厚度，进一步确定丝网除沫器尺寸。
(d)根据喷液量，确定冷却分离器排液口的大小。
实施例2
一种螺杆压缩机装置用工艺气冷却系统，如图1所示，用于螺杆压缩机装置，该系统包括气液热交换器和液液热交换器；螺杆压缩机包括气体进口、喷液进口与气体出口，气体进口用于进气，喷液进口用于向螺杆压缩机内部喷射液体，为压缩空气降温，螺杆压缩机用于将气体进口进入的气体压缩成高压气体，并使高压气体与降温用液体混合成气液混合体，从气体出口流出；液液热交换器具有进口和出口；气液热交换器采用实施例1的卧式气液冷却分离器，具有进气口1、出气口11、高温排液口7与低温排液口15，气液热交换器的进气口与螺杆压缩机的气体出口连接，气液热交换器用于将气液混合体分离成冷却压缩空气、高温液体及低温液体，出气口11用于冷却压缩空气的排出，高温排液口7与液液热交换器的进口连接，液液热交换器用于对从高温排液口7排出的高温液体进行冷却，低温排液口15直接与螺杆压缩机的喷液进口相连。
在调整优化螺杆式压缩机装置的整套工艺气体冷却系统的基础上，通过控制喷液螺杆式压缩机的排气温度(在保证压缩效率的情况下尽量降低排气温度)，使得更少的液体处于气相，这样会增加喷液量，导致压缩后的高温液体量增加，再通过改进冷却分离器的型式，把大部分的高温液体，在气液进入热交换阶段之前，通过分离进入更高效的液液换热系统。该发明通过减少处于气相的液体量，并在系统中引入高效的液液换热系统，可以大幅减小气液冷却分离器的换热面积，提高整个系统的运行效率。
压缩后的高温气液两相混合物通过进气口切向进入到该卧式气液冷却分离器中，在通过设备外筒与设备内筒间左侧螺旋板间的空间流动，进入到离心分离阶段；随后气流流入左侧丝网除沫器，进入到过滤分离阶段；从左侧分离阶段出来的高温液体从高温排液口流入更高效的液液热交换系统，经过冷却后又回到螺杆压缩机组的喷液系统；而未分离出去的高温介质继续进入该设备中的冷却阶段，冷却后的介质继续通过设备外筒与设备内筒间右侧螺旋板间的空间流动，再一次进入到离心分离阶段，最后流入右侧丝网除沫器，进入到过滤分离阶段，冷却分离后的液体从低温排液口也流回到螺杆压缩机组的喷液系统，最终冷却分离后的气体则进入用户系统。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，包括同轴设置的设备外筒和设备内筒(2)，设备内筒(2)与设备外筒之间隔有环隙空间，设备内筒(2)的两端开口并与该环隙空间相连通，且设备内筒(2)中设有管束(6)；环隙空间内设有用于将该环隙空间分隔为左侧空间和右侧空间的隔板(10)，隔板(10)左侧的设备外筒上设有与环隙空间相连通的进气口(1)和高温排液口(7)，隔板(10)右侧的设备外筒上设有与环隙空间相连通的出气口(11)和低温排液口(15)，其特征在于，左侧空间内设有从右到左依次设置的左侧螺旋板(4)和左侧丝网除沫器(8)，右侧空间内设有从右到左依次设置的右侧螺旋板(14)和右侧丝网除沫器(12)。
2.根据权利要求1所述的螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，其特征在于，所述的进气口(1)设置于设备外筒侧壁上，且位于隔板(10)与左侧螺旋板(4)之间靠近隔板(10)的位置处，所述的出气口(11)设置于设备外筒上隔板(10)与右侧丝网除沫器(12)之间的位置处，所述的高温排液口(7)设置于设备外筒上位于左侧丝网除沫器(8)左侧的位置处，所述的低温排液口(15)设置于设备外筒上位于右侧丝网除沫器(12)右侧的位置处。
3.根据权利要求2所述的螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，其特征在于，所述的进气口(1)设置于设备外筒的侧壁切线方向上，所述的出气口(1)、高温排液口(7)和低温排液口(15)均设置于设备外筒的侧壁正下部位。
4.根据权利要求1所述的螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，其特征在于，该卧式气液冷却分离器还包括管箱(5)，所述的设备外筒左端敞口并通过管束(6)的管板与管箱(5)连接，设备外筒右端封闭，管束(6)的左端从设备内筒(2)的左端延伸到管箱(5)。
5.根据权利要求1或4所述的螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，其特征在于，所述的设备内筒(2)内还设有折流挡板。
6.根据权利要求1所述的螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，其特征在于，所述的左侧螺旋板(4)和右侧螺旋板(14)分别用于在左侧空间和右侧空间中形成螺旋流通空间。
7.根据权利要求1所述的螺杆压缩机装置用卧式气液冷却分离器，其特征在于：
所述的设备外筒的侧壁靠近两端部处分别放空口；
设备外筒的底部设有鞍座(9)；
所述的设备外筒的右侧在靠近右侧丝网除沫器(12)处通过设备法兰(13)连接，将设备外筒分成左侧设备外筒(3)和右侧设备外筒(16)。
8.一种螺杆压缩机装置用工艺气冷却系统，用于螺杆压缩机装置，该系统包括气液热交换器和液液热交换器；所述的螺杆压缩机包括气体进口、喷液进口与气体出口，气体进口用于进气，喷液进口用于向螺杆压缩机内部喷射液体，为压缩空气降温，螺杆压缩机用于将气体进口进入的气体压缩成高压气体，并使高压气体与降温用液体混合成气液混合体，从气体出口流出；所述的液液热交换器具有进口和出口；所述的气液热交换器具有进气口(1)、出气口(11)、高温排液口(7)与低温排液口(15)，气液热交换器的进气口与螺杆压缩机的气体出口连接，气液热交换器用于将气液混合体分离成冷却压缩空气、高温液体及低温液体，出气口(11)用于冷却压缩空气的排出，高温排液口(7)与液液热交换器的进口连接，液液热交换器用于对从高温排液口(7)排出的高温液体进行冷却，所述的低温排液口(15)直接与螺杆压缩机的喷液进口相连；其特征在于，气液热交换器为权利要求1～7任一所述的卧式气液冷却分离器。
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