پروژه کارآموزی آشنایی با کمپرسور واحد الفین

آشنایی با کمپرسور واحد الفین

کمپرسور چیست ؟

کمپر سور به ماشینی اطلاق می شود که از آن برای افزایش فشلر سیالات تراکم پذیر استفاده می شود.

صنعت پتروشیمی هنر تبدیل مواد خام کم ارزش به محصولات باارزشی از قبیل لاستیک، پلاستیک، کود شیمیایی و... است.مواد خام مصرفی شامل خوراکهای گازی اتان، پروپان، بوتان و خوراکهای مایع نفت و گازوئیل است.این مواد خام اولیه ابتدا در واحد الفین به محصولات میانی تبدیل می شود.هدف اصلی این واحد تبدیل هیدروکربنهای غیر فعال پارافینی به ترکیبات فعال الفینی است که پیوند دوگانه دارند.سپس این ترکیبات الفینی در واحدهای پائین دستی به محصولات قابل مصرف تبدیل می شوند.

.

شکل1-1)نمای کلی از محصولات صنعت پتروشیمی

تبدیل مورد نظر به کمک واکنش کراکینگ بخار آب (steam cracking) انجام می پذیرد.در اثر کراکینگ بخار آب، عمدتاً اتیلن  تولید می شود ولی در کنار آن محصولات دیگری از قبیل پروپن بوتادین، BTX و... تولید نیز تولید می شوند.کمپرسورها که موضوع اصلی این مجموعه می باشند عموماً برای فشارهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند.امروزه کمپرسورهایی ساخته شده اند که قادر به تراکم گازها تا فشار 6000bar می باشند.هوای فشرده برای کنترل و نظارت تنظیم از راه دور و نزدیک و انجام فرمانهای متناوب و زمان دار و گاهی نیز همراه و همزمان و هماهنگ با سیستم های هیدرولیکی، الکتریکی و الکترونیکی برای انجام مقاصد مورد نظر در خدمت بشر در آمده است.با گسترش چشمگیری که در نیمه دوم قرن نوزدهم برای صنایع به وقوع پیوست تولید انبوه محصولات و ضرورت دستیابی به دبی و فشار بالاتر و محدودیت هایی که کمپرسورهای تناوبی در دبی زیاد دارند باعث شد تا صنعتگران مجبور شوند در فکر طراحی و ساخت انواع جدیدتری از کمپرسورها باشند.

کمپرسورهای گریز از مرکز را می توان پاسخ مناسبی برای مشکل ظرفیت کمپرسورها دانست.اولین کمپرسور گریز از مرکز در سال 1899توسط یک مهندس فرانسوی بنام Rateau با ظرفیت 2000 متر مکعب در ساعت و با نسبت تراکم 1: 1/6 ساخته شد.در سال 1903 کمپرسور گریز از مرکز 5 مرحله ای با نسبت تراکم کلی 1: 5 طراحی و بکار گرفته شد.

هدف از بکار گیری کمپرسورها در صنایع :

هر چند که وظیفه کمپرسورها افزایش گازها و یا بخارات می باشد ولی این عمل می تواند بنا به دلایل مختلفی باشد که عمده ترین آنها عبارتند از :

1- غلبه بر از دست رفتن انرژی در هنگام انتقال گازها (نظیر خطوط گاز سراسری).

2- صرفه جوئی در حجم مخازن در زمان نگهداری گازها (ذخیره سازی گازها).

3- تغذیه گازها به منابع زیر زمینی جهت افزایش بازیابی منابع نفتی.

4- افزایش فشار گاز جهت میعان آن (سیستم تبرید).

5- تامین نیروی محرکه لازم برای انجام کار مکانیکی ( پنوماتیک، ابزار دقیق).

6- افزایش فشار گاز جهت انجام واکنش شیمیایی و تولید فرآورده های پتروشیمی تولید آمونیاک. 

کمپرسورها را می توان از نظر رفتاری از دیدگاه فشار، دبی، روغن کاری شدن(Lubricated )یا خشک بودن (Dry or Oil Free )و تقسیم بندی کرد.

کمپرسورها Compressors :

تولید کمپرسورهای گریز از مرکز با ظرفیت و فشار خروجی بالاتر دائماً در دستور کار شرکت های سازنده قرار گرفته بنحوی که امروزه این کمپرسورها از طریق  بیش از 1250000متر مکعب در ساعت ساخته می شود.فشار قابل دسترسی در این دسته از کمپرسورها از طریق افزایش تعداد طبقات تا 16 طبقه به بیش از 700بار نیز رسانیده شد کمپرسورهای گریز از مرکز ذاتاً از نوع خشک بوده و بعلت بالا بودن قابلیت اعتماد آن دوره های بهره برداری بدون توقف آن به بیش از سه سال نیز می رسد.

مکانیسم واکنش :

مطابق با شکل زیر، کراکینگ به روش واکنشهای رادیکال آزاد اتفاق می افتد.ساده ترین خوراک اتان است.واکنش با شکسته شدن پیوند c-c در مولکول اتان آغاز می شود که منجر به تولید دو رادیکال متیل می شود. در مرحله بعد، رادیکال متیل با یک مولکول اتان واکنش داده متان و رادیکال اتیل ایجاد می کند.رادیکال اتیل، خود به اتیلن و رادیکال هیدروژن تبدیل می شود که این رادیکال هیدروژن خودش به مولکول اتان دیگری حمله می کند. واکنشهای پایانی، با واکنش دو رادیکال با هم انجام می شوند که منجر به تولید مولکول اشباع و یا یک مولکول اشباع و یک مولکول غیر اشباع می شود.

1-7)مکانیسم پیرولیز اتان

        با توجه به شکل بالا می بینیم که در کراکینگ بخار آب اتان، محصول اصلی اتیلن بود.متان و هیدروژن نیز تولید می شود.در اثر واکنش دو رادیکال، مقادیر اندکی هیدروکربن سنگین تر نیز تولید می گردد.هر چه خوراک سنگین تر باشد واکنشهای بیشتر و پیچیده تری اتفاق می افتد.علاوه بر واکنشهای اولیه کراکینگ یک سری واکنشهای ثانویه هم داریم. این واکنشها را می توان بصورت زیر خلاصه کرد:

آلکنهای کوچکتر

دئینها

استیلنها

آروماتیک ها

کک

آلکنها

 1-8) مجموعه واکنشهای کراکینگ هپتان

1-6)درصد تبدیل آلکانها در فشار ثابت نسبت به دما

        با توجه به این شکل در می یابیم که از نظر ترمودینامیکی، دمای واکنش باید برای رسیدن به مقدار درصد تبدیل مطلوب به اندازه کافی بالا باشد.همچنین فشار جزئی آلکانها هر چه کمتر باشد واکنش بیشتر به سمت راست متمایل می شود.زیرا به ازاء هر یک مولکول آلکان، دو مولکول ایجاد می شود.با توجه به شکل در می یابیم که هر چه آلکان کوچکتر باشد، دمای بیشتری نیاز دارد.

دسته بندی کمپرسورها از نظر رفتاری:

بر حسب جگونگی فرآیند تراکم کمپرسورها به دو دسته تقسیم می شوند:

الف : کمپرسورهای جابجایی مثبت Positive Displacement

ب : کمپرسورهای گریز از مرکز Centrifugal

در کمپرسورهای جابجائی مثبت هموراه مقدار معینی از گاز بین دو قطعه به تله انداحته شده و با کاهش حجم محفظه فشار گاز افزایش می یابد.این کمپرسورها خود به دو دسته تناوبی و دورانی تقسیم می شوند.البته هر یک از دسته های فوق تنوع زیادی در شکل و ساختار مکانیکی داشته ولی از لحاظ رفتاری دارای ویژگیهای نسبتاً یکسانی هستند.در کمپرسورهای جریان پیوسته ابتدا انرژی جنبشی گاز مورد تراکم افزایش داده شده و سپس بخش اعظمی از انرژی جنبشی آن در یک مجرای گشاد شونده بنام حلزونی به انرژی پتانسیل تبدیل می شود.در شکل 1 دسته بندی انواع کمپرسورها نشان داده شده است.

انتخاب کمپرسور مناسب به شرایط کار و نوع کار بستگی دارد که اهم آن به شرح زیر می باشد:

1) فشار و دبی مورد نیاز                                    2) حساسیت به حضور روغن

3) خواص فیزیکی و شیمیایی گاز مورد تراکم            4) بهای انرژی

  5) قابلیت اعتماد                                            6) هزینه های تعمیر و نگهداری قطعات یدکی      7) قیمت اولیه                                               8) حداکثر درجه حرارت قابل قبول

کمپرسورهای دورانی Rotary Compressors :

کمپرسورهای دورانی از نظر رفتاری جزء کمپرسورهای جابجایی مثبت بوده ولی از دیدگاه نیروهای وارد بر آن همانند کمپرسورها گریز از مرکز یک ماشین بالانس شده می باشند مهمترین تفاوت کمپرسورهای دورانی با کمپرسورهای تناوبی که هم خانواده می باشند در حذف سوپاپها در کمپرسورهای دورانی است.اساساً در مقایسه با کمپرسورهای تناوبی از نظر وزن سبکتر بوده و بعلت حذف نیروهای لرزاننده به فوندانسیون سنگین نیاز ندارند.

هر چند که این کمپرسورها دارای ساختمان نسبتاً ساده تری در مقایسه با کمپرسورهای تناوبی می باشند با این وجود از نظر طراحی دارای تنوع زیادی بوده و در طرحهای مختلفی ساخته می شوند.

کمپرسورهای دورانی را باید پاسخ مناسبی برای دامنه ای از کاربرد کمپرسورها در صنعت دانست که در حدفاصل بین کمپرسورهای تناوبی و گریز از مرکز قرار می گیرد.ماشینی است مناسب برای نسبت تراکم های متغیر و دامنه وسیعی از ظرفیت.کمپرسوری که می تواند با سرعت متناسب با الکتروموتورهای معمولی کار نموده و از نظر هزینه تعمیر و نگهداری مشابه کمپرسورهای گریز از مرکز می باشد.بطوری که هزینه تعمیر نگهداری آن حدود یک سوم کمپرسورهای تناوبی با ظرفیت مشابه می باشد.حذف سوپاپ در این کمپرسورها بخش اعظمی از مشکلات و توقفات مرتبطه را که در کمپرسورهای تناوبی وجود دارد . منتفی می سازد.در کمپرسورهای دورانی حجم معینی از گاز در فضای بین دو قطعه محبوس شده و سپس در اثر کاهش حجم فضایی که گاز در آن گیر افتاده است فشار آن افزایش داده شده و به سمت قسمت دهش هدایت می شود.سرعت گاز در طی فرآیند تراکم چندان بالا نبوده و همین امر موجب جلوگیری از تاثیر تحول پولی تروپیک در کمپرسورمی شود.پدیده ای که در اثر نزدیک شدن سرعت گاز به سرعت صوت در کمپرسورهای گریز از مرکز  منشاء مشکلات زیادی می باشد.فشار کار اساساً در این نوع کمپرسورهای پایین بوده و غالباً تا 15 بار بیشتر نمی باشد البته طرحهای خاصی از این کمپرسورها که چند مرحله ای می باشند قادرند nv فشارهای بالاتری کار کنند این کمپرسورها به صورت خشک و یا روغن کاری شده مورد استفاده قرار می گیرند.کمپرسورهای دورانی در طرحهای مختلفی ساخته می شوند که متداولترین آنها به شرح زیر است:

1- کمپرسورهای حلزونی Single or Twin Screw(s)

2- کمپرسورهای گوشواره ای Lobe Type

3- کمپرسورهای تیغه لغزنده Sliding Vane

4- کمپرسورهای رینگ مایع Liquid Ring

5- کمپرسورهای دندانه چرخنده Rotary Tooth  

کمپرسورهای حلزونیor Helical Lobe Screw :

هر چند که اولین کمپرسورحلزونی در سال 1878 در آلمان ساخته شد ولی این کمپرسورها با طرحهای مشابه کمپرسورهای امروزی نخستین بار در سال 1934 توسط Lysholm مهندس ارشد شرکت Sevenska Rotor ابداع گردید.لذا این کمپرسورها را می توان جزء کمپرسورهای جدید در صنایع دانست.او سعی بر این داشت تا کمپرسوری از خانواده دورانی با سرعت بالاتر از کمپرسورهای تناوبی که بتوان مستقیماً آن را با توربینهای گازی راه اندازی نمود و فاقد مشکلات پدیده موجدار شدن که در کمپرسورهای گریز از مرکز به وقوع می پیوندد باشد طراحی و تولید نماید.

اولین کمپرسور ساخته شده توسط وی از نوع خشک دارای دنده زمان بندی کننده بوده تا موجب همزمانی چرخش روتورها گردد.آرایش روتورها به صورت 3+3  طراحی گردید و دارای زاویه پیچش تند بوده که اجازه می دهد تا کمپرسور با نسبت تراکم داخلی بالاتر و فشار خروجی بیشتری کار کند.فشار دهش در طرحهای اولیه این کمپرسورها حدود 20-30psig بود.متاسفانه طرح فوق باعث ایجاد فضای گیر انداختن در کمپرسورها گردیده و این موجب بالا رفتن فشار گاز قبل از خروج از کمپرسورشده که نهایتاً کاهش راندمان و افزایش سرو وصدای که در نهایت را به دنبال داشت.

در دهه 1940 Hans Nilson مهندس ارشد شرکت SRM تغییراتی را در کمپرسورهای اولیه  بوجود آورد.در طرح وی روتور نری با چهار گوشواره و روتور مادگی با شش محفظه مقعر ساخته شد.این تغییرات موجب حذف فضای گیر افتادن و افزایش زاویه پیچش حلزونی گردیده که در نهایت باعث افزایش نسبت تراکم و راندمان کمپرسور می شد.

پیشرفت در طراحی و ساخت ماشین های تراش حلزونی به شرکت Howden که یک شرکت اسکاتلندی بود اجازه داد تا تولید نسل جدیدی از کمپرسورهای حلزونی را که روغن کاری می شدند  را توسعه و گسترش دهند.

استفاده از شیر لغزشی در سالهای اولیه دهه 1950 موجب شد تا شرکت SRM بتواند در کنار تغییر ابعاد کمپرسور ظرفیت آنها را نیز کنترل نماید.کنترل ظرفیت که یکی از عوامل محدود کننده در طراحی کمپرسور بود اجازه داد تا بتوان نسبت تراکم را در یک دامنده وسیعی از تغییرات دبی تحت کنترل در آورد.امروزه استفاده از شیر لغزنده در کنترل ظرفیت کمپرسورهای حلزونی از نوع روغن کاری شونده کاربرد وسیعی دارد.روغن کاری کمپرسور علاوه بر افزایش راندمان کمپرسور به میزان 8 تا10 درصد در مقایسه با کمرسورهای خشک موجب افزایش نسبت تراکم مجاز گردیده و نیاز به دنده های زمان بندی کننده را در بهره برداری از کمرسورهای حلزونی منتفی ساخته است.لایه روغن موجود بین روتورها اجازه می دهد تا روتور مادگی توسط روتور محرک بچرخش در آید.

ویژگیهای کمپرسورهای حلزونی:

همانطوری که قبلاً گفته شد مشخصه های کمپرسورهای حلزونی به نحوی است که در حد فاصل بین مشخصه های کمپرسورهای تناوبی و گریز از مرکز قرار می گیرند و حتی در مواردی قادرند در محدوده کار هر یک از کمپرسورهای فوق به کار گرفته شوند.کمپرسورهای حلزونی از نظر ظرفیت بعد از کمپرسورهای گریز از مرکز قرار داشته و فشار دهش در آنها از چند میلی بار تا 40 بار می رسد ولی بهره برداری در فشار 6 تا 10 بار مناسب ترین دامنه برای آن می باشد.مقادیر زیاد ظرفیت آن در محدوده کار کمپرسورهای گریز از مرکز قرار داسته ولی به علت بالا بودن راندمان آن در یک چنین مواردی بر کمپرسورهای گریز از مرکز ارجعیت دارد . این کمپرسورها در ظرفیت های پایین برای سیستم تهویه مطبوع اتومبیل ها استفاده می شود محدوده ای که اصولاً در اختیار کمپرسورهای تناوبی قرار دارد.

کمپرسورهای حلزونی خشک حداکثر در ظرفیت 1/5 متر مکعب در دقیقه ساخته می شوند.یکی دیگر از محاسن این کمپرسورها در مقایسه با انواع گریز از مرکز در این است که عملکرد آنها بر خلاف کمپرسورهای گریز از مرکز وابستگی چندانی به جرم مولکولی گاز ندارند.از نظر اقتصادی در محدوده توان مصرفی 1500 تا 200 اسب بخار از کمپرسورهای گریز از مرکز ارزانتر می باشد.هر چند که کمپرسورهای رفت وبرگشتی از راندمان بالاتری نسبت به کمپرسورهای حلزونی برخوردار می باشند.ولی برای دبی معینی از جریان گاز کمپرسور حلزونی دارای ابعاد کوچکتری می باشند و به همین خاطر به فضای کمتری برای نصب نیاز دارند.البته انرژی مخصوص آنها از کمپرسورهای تناوبی بیشتر است.به علت عدم وجود نیروها بالانس نشده به فوندانسیون سنگینی نداشته و لذا هزینه نصب آنها کمتر می باشد.

این کمپرسورها قادرند گازهای چسبناک و قابل پلیمریزاسیون را متراکم نمایند.در واقع حضور ذرات نرم در گاز مورد تراکم باعث کاهش تاثیر لقی روتورها بر روی راندمان کمپرسورها گردیده و موجب کاهش نشتی و افزایش راندمان حجمی آن می گردد.یکی از معایب این کمپرسورها بالا بودن صدای آنها می باشد که جزء ویژگیهای ذاتی آن می باشد.به همین خاطر تمامی کمپرسورهای دورانی در قسمت مکش و دهش مجهز به صدا خفه کن می باشد.

بالا رفتن غیر عادی گاز خروجی از کمپرسورها می تواند ناشی از عوامل زیر باشد:

 بالا بودن دمای هوای ورودی کمپرسور

کثیف بودن فیلتر مکش

کمبود روغن

نامناسب بودن روغن

کثیف بودن خنک کن روغن

کم بودن جریان سیال خنک کن روغن (آب یا هوا)

کم بودن جریان سیال خنک کننده کمپرسور (آب یا هوا)