DE4102294A1

DE4102294A1 - Annular flow cooling system for chemical gases - arrangement of gas collectors and outlet nozzles

Info

Publication number: DE4102294A1
Application number: DE19914102294
Authority: DE
Inventors: Bernvard Thurow; Franz Radig; Rainer Zuhde; Katja Weirich
Original assignee: SKL MOTOREN SYSTEMTECH
Current assignee: SKL MOTOREN SYSTEMTECH
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1991-01-26
Publication date: 1991-08-08
Also published as: DD291824A5

Abstract

Gas cooler arrangement of the annular flow type for piston compressor installations in which the annular path (6) has a gas collector (13) at its lowest point which is provided with one or more gas outlet openings (14). The central tube (7) is formed as a gas exhaust chamber (9) and each gas outlet opening (14) is joined to a nozzle pipe (15) which opens into the separator container. USE/ADVANTAGE - Cooler for a piston compressor used in the chemical industry which is capable of dealing with explosive or toxic gases.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskühlereinrichtung der Ringstrombauart für Kolbenverdichteranlagen höherer Druckstu fen mit einem oder mehreren Flüssigkeitskreisläufen vorzugs weise Wasser, besonders für explosionsgefährdete bzw. toxische Gase. Hierbei soll einem verdichteten Gasstrom die Kompres sionswärme mittels Fluidstrom entzogen und zur Abwärmegewin nung genutzt werden, wobei mitgerissene Bestandteile aus dem Gasstrom abgeschieden und er so gereinigt den nächsten Verdich terstufen oder dem Verfahrenseinsatz zugeführt wird.The invention relates to a gas cooler device Ring flow type for piston compressor systems of higher pressure preferred with one or more liquid circuits white water, especially for explosive or toxic Gases. In this case, the compresses of a compressed gas stream deion heat extracted by fluid flow and to waste heat be used, whereby entrained components from the Gas flow separated and it cleaned the next compression stages or the process is used.

Die Kolbenverdichteranlagen finden vorrangig in chemischen Anlagen bzw. in Anlagen der Energietechnik aber auch in Gas umfüll- bzw. Verteilerstationen Anwendung.The piston compressor systems are primarily found in chemical Plants or in plants of energy technology but also in gas transfer or distribution stations application.

Für nahezu drucklosen Betrieb ist eine betriebliche Ausführung bekannt, bei der in einen zylindrischen Gehäusemantel ein Ring stromrohrbündel eingeschoben ist, bei dem in stirnseitig auf geklemmten drucklosen Wasserkammern eine rohrseitige Fluidbe schickung durchgeführt wird. Das Ringstromrohrbündel ist am vorderen Rohrboden an einen Gehäuseflansch geschraubt und am hinteren Rohrboden seitlich am Gehäusemantel über eine Stopf buchse abgedichtet. Der Gasstrom wird über einen Durchtritt am vorderen Rohrboden dem Zentralrohr zugeführt, von wo es in die Ringbahn tritt. Gas-Rohrbündel ist horizontal auf einen senkrechten Abscheide behälter unter T-förmigen Anschluß der zylindrischen Gehäuse mäntel aufgesetzt. Diese Lösung ist für kleine Austauschflächen und nahezu druck losen Betrieb, d. h. für die niedrigste Druckstufe der Mehrstu fenverdichter, geeignet. Bei größeren Abmessungen und höheren Drücken, wie er bei großtechnischen mehrstufigen Verdichteran lagen erforderlich ist, kommt es zu Undichtigkeiten an der Stopf buchse, was besonders bei explosionsgefährdeten und toxischen Medien zu nicht vertretbaren Gefährdungen bzw. Belastungen der Umwelt führt. Darüber hinaus führt die Druckbelastung zur Über beanspruchung der Austauschrohre bzw. deren Einbindung in den Rohrböden durch Zugkräfte, da die relativ wenigen Rohre die volle Axialzugkraft des gesamten Apparatequerschnittes über tragen müssen. Weiterhin ist durch den T-förmigen Anschluß der zylindrischen Gehäusemäntel eine effektive Ausnutzung der Ring bahnbeströmung und damit die Erreichung höchster Wärmeaustausch effekte ausgeschlossen.For almost pressure-free operation is an operational version known in the case of a ring in a cylindrical housing shell flow tube bundle is inserted, in the front on clamped unpressurized water chambers a pipe-side fluid dispatch is carried out. The ring flow tube bundle is on front tube plate screwed to a housing flange and on rear tube plate on the side of the housing jacket via a plug sealed socket. The gas flow is through a passage fed to the central tube at the front tube plate, from where it is in the ring track is kicking. Gas tube bundle is horizontal on a vertical separator container under T-shaped connection of the cylindrical housing put on coats. This solution is for small exchange areas and almost pressure loose operation, d. H. for the lowest pressure level of the multi-stage window compressor, suitable. For larger dimensions and higher ones Press as it does with large-scale multi-stage compressors is necessary, there are leaks in the plug socket, which is particularly important for explosive and toxic Media on unacceptable dangers or burdens on the Environment leads. In addition, the pressure load leads to over stress on the replacement pipes or their integration in the Pipe trays by tensile forces, since the relatively few pipes full axial tensile force of the entire cross section of the device have to wear. Furthermore, the T-shaped connection cylindrical case mantles make effective use of the ring web flow and thus the achievement of the highest heat exchange effects excluded.

Für die Anwendung bei höheren Druckstufen ist aus betrieblichen Lösungen ein Kühler-Abscheider-Modul bekannt, bei dem in einem auf einem Tragmantel stehenden vertikalen Apparategehäuse ein streifenförmiges Rippenrohrbündel mit Schwimmkopf von oben ein geschoben ist, welches mittels einer axialen Trennwand zwei gängig axial im Mantelraum ausgebildet ist. Jeder Teilraum ist dabei mittels herkömmlicher Querleitblechsegmente untergliedert. Unterhalb des Schwimmkopfes befindet sich der Behälter zur Ab scheidung und Pufferung des pulsierenden Gasstromes, dem über eine außenliegende Rohrleitung das gekühlte Gas von einem ober halb des Schwimmkopfes im Gehäusemantel angeordneten Gasaus trittsstutzens zugeführt wird. Dort expandiert es und über eine darin angeordnete Demisterpackung erfolgt die Abscheidung, wo nach das Gas über den Gasaustrittsstutzen den Apparat verläßt. Der Gaseintritt in den Apparat erfolgt in den ersten Gang ober halb des Schwimmkopfes, umströmt alternierend die Querleitbleche bis zum Rohrboden der Vorkammer, tritt dann in den gegenüber der axialen Trennwand liegenden Gang über, passiert die Querleit bleche bis zum Schwimmkopf, tritt über den radialen Gasaustritt stutzen in die außenliegende Rohrleitung und wird in den unten liegenden Behälter zur Abscheidung und Pufferung geleitet. For use at higher pressure levels is out of operational Solutions known a cooler-separator module, in which in one vertical apparatus housing standing on a supporting jacket strip-shaped finned tube bundle with floating head from above is pushed, which two by means of an axial partition is commonly formed axially in the jacket space. Every subspace is subdivided by means of conventional transverse baffle segments. The container for the Ab is located below the floating head separation and buffering of the pulsating gas flow, the over an outside pipeline the cooled gas from an upper Half of the floating head in the housing jacket arranged gas access port is fed. There it expands and over one the demister pack arranged therein, the separation takes place where after the gas leaves the apparatus via the gas outlet connection. The gas enters the apparatus in the first gear above half of the floating head, flows alternately around the cross baffles to the tube plate of the antechamber, then enters the opposite of the over the axial partition wall, the cross guide sheets up to the floating head, passes over the radial gas outlet cut into the outside pipeline and is in the bottom horizontal containers for separation and buffering.

Diese Ausführung hat den Nachteil, daß die bei Kolbenverdich tern nicht vermeidbaren Pulsationen voll in das Rohrbündel ein geleitet werden, so daß Schädigungen des Rohrbündels besonders bei Verwendung querberippter Austauschrohre sowie Verwendung spannungsempfindlicher Werkstoffe bei direkter Einleitung zwangs läufig induziert werden. Weiterhin laufen die bereits im Rohr bündel abgeschiedenen Flüssigkeitstropfen an den senkrechten Rohren ab, was zu Korrosionsproblemen der Rohrbefestigungen in den Rohrböden führt. Mit dieser Ausführung kann kein hoch effektiver Kreuz-Gegenstrom zwischen dem großen Gasvolumen und den geringen Fluidmengen erreicht werden, was den Wärmeaustausch effekt der Ausrüstung reduziert und zwangsläufig größere Aus tauschflächen bedingt. Darüber hinaus liegt ein relativ hoher Druckverlust durch die vielen Umlenkungen vor, so daß der Wir kungsgrad des Verdichters verringert wird. Diese Ausführung er fordert weiterhin einen erhöhten Platzbedarf in der Anlage, da eine Aufstellung im Maschinenhaus aufgrund der großen Bauhöhe sehr problematisch ist. Weiterhin ist diese Ausführung mit gro ßen Instandhaltungsproblemen verbunden, da die Zugänglichkeit zu den Rohrböden bei etwaigen Rohrreißern erst nach Demontage des Rohrbündels aus dem Gehäuse durch Herausziehen nach oben möglich ist, was extreme Maschinenhaushöhen erfordert, sowie eine spezielle schwere Hebetechnik im Maschinenhaus bedingt.This version has the disadvantage that the piston compression fully unavoidable pulsations into the tube bundle are passed so that damage to the tube bundle particularly when using cross-ribbed replacement pipes and use stress-sensitive materials with direct introduction forced are commonly induced. They continue to run in the pipe bundle of separated liquid drops on the vertical Pipes from, leading to corrosion problems of the pipe fittings leads in the tube sheets. With this version no one can get high effective cross-countercurrent between the large gas volume and The small amounts of fluid can be achieved, which increases heat exchange effect of the equipment is reduced and necessarily larger exchange areas conditional. In addition, there is a relatively high one Pressure loss due to the many deflections, so that the we efficiency of the compressor is reduced. This execution he still requires an increased space requirement in the system, since a placement in the machine house due to the large height is very problematic. Furthermore, this version is large maintenance problems because of the accessibility to the tube sheets in the case of any tube pliers only after disassembly of the tube bundle from the housing by pulling it upwards is possible, which requires extreme machine house heights, as well a special heavy lifting technique in the machine house.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Gaskühlereinrich tung der Ringstrombauart für Kolbenverdichtungsanlagen zu schaffen, die eine hohe Effizienz der Verdichterleistung, hohe Wärmeaustauscheffekte und große Wärmeaustauschleistungen bei Verarbeitung großer Gasvolumina gewährleistet und dabei Verwendung auch bei explosionsgefährdeten und toxischen Medien mit den oft damit verbundenen speziellen und spannungsempfind lichen Werkstoffen finden kann. Besonderes Augenmerk wird dabei auf eine flexible Anpaßbarkeit an unterschiedliche Volumenströme und auf geringen Montage- und Instandhaltungsaufwand gelegt.The aim of the invention is a gas cooler device ring current type for piston compression systems create a high efficiency of compressor performance, high heat exchange effects and high heat exchange performance guaranteed when processing large gas volumes while doing so Use also with explosive and toxic media with the often associated special and tension sensitivity can find materials. Particular attention is paid to this for flexible adaptability to different volume flows and placed on low assembly and maintenance costs.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Gas kühlereinrichtung der Ringstrombauart für Kolbenverdichtungsan lagen höherer Druckstufen sowie für explosionsgefährdete bzw. toxische Gase zu schaffen, die extrem niedrige Druckverluste, eine optimale Anströmung der Austauschrohre unter voller Aus nutzung der Ringbahn bei absolutem Gegenstrom auch bei Nutzung eines oder mehrerer Flüssigkeitskreisläufen, vorzugsweise Was ser, und große Wärmeaustauschflächen gewährleistet.The invention is based on the technical problem of a gas Cooling device of the ring flow type for piston compression higher pressure levels as well as for explosive or creating toxic gases that have extremely low pressure drops, an optimal flow of the exchange pipes under full off use of the ring railway with absolute counterflow even when used one or more liquid circuits, preferably what water, and large heat exchange surfaces guaranteed.

Dabei soll die Einrichtung eine druckresistente und dichte Aus bildung, flexible bauliche Variabilität und kompakte Ausbildung, besonders geringen Platzbedarf in der Höhe, sowie eine einfache und leichte Zugänglichkeit der Rohrspiegel bei Inspektionen bzw. Instandsetzungsarbeiten aufweisen.The facility is intended to be a pressure-resistant and leakproof education, flexible structural variability and compact training, particularly small space requirement in height, as well as a simple and easy access to the pipe level during inspections or have repair work.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the invention the object is achieved in that

- The ring track has a gas collector at its lowest point points that with one or more gas outlet openings in the Casing is provided,
- The central tube closed on one side without internals as Gas buffer chamber is formed,
- The axial gas entry into the central tube via a zen tral gas passage in the tube sheet of the floating head is seen and
- A nozzle tube at each gas outlet opening in the housing jacket is connected, in the known separators container opens.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß das Zentralrohr als Gaspufferkammer in einem Nenn weitenverhältnis von Zentralrohr zu Gehäusemantel wie 1 : 1,8 bis 2,5 ausgebildet ist.A particularly advantageous embodiment of the invention provides before that the central tube as a gas buffer chamber in one nominal Width ratio of central tube to housing jacket like 1: 1.8 up to 2.5 is formed.

Eine weitere günstige Ausführung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß zwei oder mehrere Flüssigkeitskreisläufe des Ring stromrohrbündels in der Reihenfolge ihrer Temperaturniveau höhe mittels Vorkammer und Schwimmkopf gegenströmig zur ein- bzw. parallelflutigen Gasströmungsrichtung in der Ringbahn vorgesehen sind. Another cheap embodiment of the invention results in that two or more liquid circuits of the ring current tube bundle in the order of their temperature level height by means of antechamber and floating head or parallel flow direction of gas flow in the ring path are provided.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen hauptsäch lich in folgendem:The main advantages of the solution according to the invention are in the following:

- Low pressure losses and therefore great efficiency the compressor capacity,
- high heat exchange effects and high heat exchange performance due to optimal flow design, even when used one or more liquid circuits, preferably Water,
- Application for all pressure levels, especially for explosions endangered and toxic media with the often associated materials sensitive to voltage peaks due to pressure consistent, pulsation-smoothing and dense training,
- low space requirement in the system, simple and easy Accessibility and thus maintainability.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigtThe invention is based on an exemplary embodiment are explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Gaskühlereinrichtung der Ringstrombauart im Schnitt. Fig. 1 shows a gas cooler device of the ring flow type in section.

Fig. 2 Schnitt A-A nach Fig. 1 mit parallelflutiger Ringbahn. Fig. 2 section AA of FIG. 1 with parallel flow ring track.

Fig. 3 Schnitt B-B nach Fig. 1 mit zwei Wasserkreis läufen. Fig. 3 section BB of Fig. 1 run with two water circuits.

Die in den Fig. 1-3 ausgeführte Gaskühlereinrichtung der Ring strombauart besteht aus einem Ringstromwärmeübertrager 1, der horizontal oberhalb eines Abscheidebehälters 2 angeordnet ist. Das Ringstromrohrbündel 3 in der Ausführung mit Schwimmkopf 4 ist mit quer- bzw. spiralberippten Austauschrohren 5 bestückt, die in der Ringbahn 6 um das einseitig verschlossene Zentral rohr 7 angeordnet sind. Im Zentralrohr 7 sind oben Gaseintritts öffnungen 8 in der Ringbahn 6 angeordnet. Das Zentralrohr 7 ist ohne Einbauten als Gaspufferkammer 9 mit einem Nennweitenver hältnis von Zentralrohr 7 zu Gehäusemantel 10 von ca. 1 : 2 ausgebildet. An der Seite des Schwimmkopfes 4 ist über einen zentralen Durchtritt 11 des Rohrbodens 12 die gasströmungssei tige Zentralrohrbeschickung angeordnet. Am Ende der Gasse der parallelflutig durchströmten Ringbahn 6 ist an der tiefsten Stelle des Gehäusemantels 10, umschlossen vom Ringstromrohr bündel 3 einerseits und dem Gehäusemantel 10 andererseits ein axialer Gassammler 13 in der Ringbahn 6 ausgebildet, an dem sich zwei axial angeordnete radiale Gasaustrittsöffnungen 14 befinden, an die direkt Düsenrohre 15 des Abscheidebehälters 2 angeschlossen sind.The operation performed in the Fig. 1-3 gas cooler means of ring current type consists of a ring-flow heat exchanger 1, which is arranged horizontally above a separating vessel. 2 The ring flow tube bundle 3 in the version with floating head 4 is equipped with cross or spiral ribbed exchange tubes 5 , which are arranged in the ring path 6 around the central tube 7 closed on one side. In the central tube 7 gas inlet openings 8 are arranged in the ring path 6 above. The central tube 7 is formed without internals as a gas buffer chamber 9 with a nominal width ratio of the central tube 7 to the housing jacket 10 of approximately 1: 2. On the side of the floating head 4 , the gas flow-side central tube feed is arranged via a central passage 11 of the tube sheet 12 . At the end of the alley of the parallel-flow flow ring 6 is at the lowest point of the housing shell 10 , surrounded by the ring flow tube bundle 3 on the one hand and the housing shell 10 on the other hand, an axial gas collector 13 is formed in the ring path 6 , on which there are two axially arranged radial gas outlet openings 14 , directly connected to the nozzle tubes 15 of the separating tank 2 .

Die zwei Wasserkreisläufe WK I und WK II des Ringstromrohr bündels 3 sind in der Reihenfolge ihrer Temperaturniveauhöhe (WK I heißer als WK II) mittels der Vorkammer 16 und des Schwimmkopfes 4 gegenströmig zur parallelflutigen Gasströ mungsrichtung in der Ringbahn 6 ausgebildet.The two water circuits WK I and WK II of the ring flow tube bundle 3 are formed in the order of their temperature level height (WK I hotter than WK II) by means of the antechamber 16 and the floating head 4 countercurrent to the parallel flow direction of gas flow in the ring path 6 .

Die erfindungsgemäße Ausführung der Gaskühlereinrichtung ar beitet folgendermaßen:The inventive design of the gas cooler ar works as follows:

Über den Gaseintrittsstutzen 17 der Mantelkammer 18 tritt der direkt vom Verdichter kommende pulsierende Gasstrom in den Ringstromwärmeübertrager 1 ein und strömt dabei über den zen tralen Durchtritt 11 in die Gaspufferkammer 9, die in einem Nennweitenverhältnis von Zentralrohr 7 zum Gehäusemantel 10 von 1 : 2 ausgebildet ist und eine Glättung des pulsierenden Gasstromes vornimmt. Der geglättete Gasstrom strömt über die Gaseintrittsöffnungen 8 in die Ringbahn 6 und passiert diese parallelflutig bis zum Ende der Gasse der Ringbahn 6, wo er an der tiefsten Stelle axial im Gassammler 13 zu den beiden Gasaustrittsöffnungen 14 strömt und von diesen auf direktem Wege über die Düsenrohre 15 dem Abscheidebehälter 2 zugeführt wird und dort auf den Prallteller 19 auftrifft, wobei die Ab scheidung von Gasverunreinigungen flüssiger und fester Form, z. B. Ölbestandteile, erfolgt. Bereits im Rohrbündel abgeschie dene Kondensatprodukte werden über Gassammler 13, Gasaustritts öffnungen 14 und Düsenrohre 15 in den Abscheidebehälter 2 abge führt. Vom Abscheidebehälter 2 wird der Gasstrom der weiteren Verarbeitung, d. h. der nächst höheren Druckstufe bzw. dem ver fahrenstechnischen Verwendungszweck zugeführt.Via the gas inlet connection 17 of the jacket chamber 18 , the pulsating gas flow coming directly from the compressor enters the ring flow heat exchanger 1 and flows through the central passage 11 into the gas buffer chamber 9 , which is designed in a nominal width ratio of central tube 7 to the housing jacket 10 of 1: 2 and smoothes the pulsating gas flow. The smoothed gas flow flows through the gas inlet openings 8 into the ring path 6 and passes this in parallel flow to the end of the alley of the ring path 6 , where it flows axially at the lowest point in the gas collector 13 to the two gas outlet openings 14 and from there directly via the nozzle pipes 15 is supplied to the separating tank 2 and hits the baffle plate 19 there, the separation of gas contaminants from liquid and solid form, for. B. oil components. Condensate products already discharged in the tube bundle are discharged via gas collectors 13 , gas outlet openings 14 and nozzle tubes 15 into the separating container 2 . From the separating tank 2 , the gas stream is fed for further processing, ie the next higher pressure stage or the process engineering purpose.

Inspektionen und Instandsetzungsarbeiten an den Rohrspiegeln des Ringstromrohrbündels 3 sind durch Demontage der Vorkammer 16 und der Mantelkammer 18 in Verbindung mit dem Deckel des Schwimm kopfes 4 einfach und problemlos durchführbar. Inspections and maintenance work on the tube surface of the ring flow tube bundle 3 can be carried out simply and easily by dismantling the prechamber 16 and the jacket chamber 18 in conjunction with the cover of the floating head 4 .

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference numerals used

1 Ringstromwärmeübertrager
2 Abscheidebehälter
3 Ringstromrohrbündel
4 Schwimmkopf
5 Austauschrohr
6 Ringbahn
7 Zentralrohr
8 Gaseintrittsöffnung
9 Gaspufferkammer
10 Gehäusemantel
11 zentraler Durchtritt
12 Rohrboden des Schwimmkopfes 4
13 Gassammler
14 Gasaustrittsöffnung
15 Düsenrohr
16 Vorkammer
17 Gaseintrittsstutzen
18 Mantelkammer
19 Prallteller
WK Wasserkreislauf (WK I und WK II) 1 ring flow heat exchanger
2 separation tanks
3 ring flow tube bundles
4 floating head
5 exchange tube
6 ring track
7 central tube
8 gas inlet opening
9 gas buffer chamber
10 housing jacket
11 central passage
12 tube sheet of the floating head 4
13 gas collectors
14 gas outlet opening
15 nozzle tube
16 antechamber
17 gas inlet connection
18 mantle chamber
19 baffle plates
WK water cycle (WK I and WK II)

Claims

1.Gas cooler device of the ring flow type for piston compressor systems of higher pressure levels with one or more liquid circuits, preferably for explosive or toxic gases, consisting of a single-stage, single-flow or parallel-flow ring flow tube bundle with cross or spiral-ribbed exchange tubes with floating head, an axial gas inlet in the central tube, which is provided in its entire length with radial gas inlet openings in the ring path, the ring flow tube bundle being arranged horizontally above a separating tank with a baffle, characterized in that

- The ring track ( 6 ) has at its lowest point a gas collector ( 13 ) which is provided with one or more gas outlet openings ( 14 ) in the housing jacket ( 10 ),
- The central tube ( 7 ), which is closed on one side, is designed as a gas buffer chamber ( 9 ) without installation,
- The axial gas entry into the central tube ( 7 ) via a central gas passage ( 11 ) in the tube sheet ( 12 ) of the floating head ( 4 ) is provided and
- At each gas outlet opening ( 14 ) in the housing shell ( 10 ), a nozzle tube ( 15 ) is connected, which opens into the separating container ( 2 ) known per se.

2. Gas cooler device according to claim 1, characterized in that the central tube ( 7 ) is designed as a gas buffer chamber ( 9 ) in a nominal width ratio of the central tube ( 7 ) to the housing jacket ( 10 ) such as 1: 1.8 to 2.5.

3. Gas cooler device according to claim 1, characterized in that two or more liquid circuits (WK) of the ring flow tube bundle ( 3 ) in the order of their temperature level by means of prechamber ( 16 ) and floating head ( 4 ) against the current to the single or parallel flow direction of gas flow in the ring track ( 6 ) are provided.