کمپرسور رینگ مایع

کمپرسور رینگ مایع (Liquid Ring Compressor) یک کمپرسور جابجایی مثبت و دوار بوده و بسیار شبیه به کمپرسورهای دوار پره دار است، با این تفاوت که در این کمپرسورها پره‌ها در واقع جزئی جداناپذیر از روتور هستند که رینگی از مایع را فشرده می‌نمایند تا فرآیند تراکم در داخل محفظه کمپرسور شکل بگیرد. این کمپرسورها اصطکاک و به تبع آن افت پایینی دارند.

معمولاً از یک الکتروموتور از نوع القایی (induction) برای گرداندن این کمپرسورها استفاده می‌شود. با چرخش موتور، ایمپلر کمپرسور که در درون یک محفظه استوانه‌ای قرار گرفته می‌چرخد و گاز را فشرده می‌کند. مایع درون کمپرسور (که اغلب آب است) با استفاده از شتاب سانتریفیوژ، یک رینگ استوانه‌ای را در اطراف دیواره محفظه کمپرسور (casing) شکل می‌دهد. این رینگ مایع فضای بین پره‌های ایمپلر را آب بندی کرده و باعث شکل گیری محفظه‌های تراکم (compression chamber) می‌شود. ناهم مرکزی بین محور چرخش ایمپلر و محور هندسی کیسینگ، منجر به تغییر متناوب حجم محصور بین پره و رینگ مایع می‌شود. گاز از طریق پورت ورودی در انتهای کیسینگ به درون کمپرسور کشیده می‌شود. گاز درون کمپرسور، بین محفظه (chamber) های فشار ایجاد شده بوسیله پره‌های ایمپلر و رینگ مایع محبوس می‌شود. کاهش حجم گاز محبوس شده که بر اثر چرخش ایمپلر اتفاق می‌افتد، منجر به افزایش فشار گاز شده و در نهایت گاز متراکم از پورت های خروجی در انتهای کیسینگ خارج می‌شود.

کمپرسورهای رینگ مایع قابلیت‌های منحصر به فرد و ویژه‌ای دارند. این کمپرسورها جریان گاز پایدار (steady) با کمترین نوسانات فشار (pressure fluctuations)، نویز پایین و کارکرد آرام (smooth) دارند. حتی با وجود تجهیزات فرعی متصل به این کمپرسورها، نسبت ظرفیت به وزن آنها بالا بوده و فضایی که اشغال می‌کنند (footprint) نیز نسبتاً پایین است که برای یک کمپرسور مزایای قابل توجهی محسوب می‌گردد. همچنین در ظرفیت کامل (full-load) و یا کارکرد با بخشی از ظرفیت (part-load) نیز عملکرد (performance) مناسبی دارند که این عملکرد از بسیاری از کمپرسورهای دیگر بهتر است. طراحی خاص این کمپرسورها امکان دسترسی و به تبع آن تعمیرات راحت‌تری را برای آنها فراهم کرده است به طوری که نیازی به دمونتاژ خطوط لوله متصل به کمپرسور نمی‌باشد.

کمپرسورهای رینگ مایع به صورت یک مرحله‌ای (Single Stage) و یا چند مرحله‌ای (Multi-stage) ساخته می‌شوند. کمپرسورهای چند طبقه‌ای تا دو مرحله تراکم روی یک شفت دارند و البته در موارد معدودی تعداد این مراحل به سه عدد نیز می‌رسد. در پلنت‌های فرآیندی، ممکن است تعداد زیادی از این نوع کمپرسورها در ابعاد کوچک وجود داشته باشد به عنوان مثال در واحد تقطیر (distillation)، و واحد بازیابی گازهای فلر (Flare gas recovery).

کاربرد گسترده

آب معمولاً به عنوان مایع آب بند (Sealant) در کمپرسورهای رینگ مایع به کار می‌رود و بعد از آن روغن بیشترین کاربرد را دارد. در هر صورت، از هرنوع سیال سازگار با شرایط فرآیندی می‌توان به عنوان مایع آب بند استفاده کرد. این قابلیت باعث می‌شود که کمپرسورهای رینگ مایع انتخاب ایده آلی برای سرویس‌های بازیابی انواع حلال (بخار) باشد. اگر در هر فرآیندی مثل خلاء (Vacuum)، خشک کردن (drying) و … بخاراتی تولید شود که فشرده سازی آن دشوار باشد (مثل تولوئن)، می‌توان از همان متریال (مثلاً در اینجا تولوئن مایع) در کمپرسورهای رینگ مایع و به عنوان مایع آب بند استفاده کرد. با استفاده از سیستم خنک کاری (معمولاً با آب) می‌توان فشار بخار مایع آب بند را به اندازه کافی پایین نگه داشت تا خلاء مورد نیاز برای ورود گاز به داخل کمپرسور ایجاد شده و فرآیند فشرده سازی آن انجام شود.

در سرویس‌های خلاء، فشار بخار رینگ مایع معمولاً محدود کننده کاهش فشار (pressure reduction) قابل دستیابی است. در حالی که خلاء ایجاد شده به فشار بخار رینگ مایع می‌رسد، افزایش حجم بخار آزاد شده از رینگ مایع، ظرفیت خلاء باقیمانده را از بین می‌برد. در نتیجه بازدهی سیستم کاهش می‌یابد. به عنوان یک قانون کلی، کمپرسورهای تک مرحله‌ای می‌توانند تا 0.06 bar خلاء ایجاد کنند و این مقدار برای کمپرسورهای دو مرحله‌ای تا 0.03 bar (و گاهی کمتر) می‌باشد. اکثر سازندگان، شرایط هوای خشک (dry air) و دمای آب 15 درجه سانتی گراد را به عنوان شرایط پایه برای رسم منحنی‌های عملکردی خود در نظر می‌گیرند.

معمولاً کمپرسورهای رینگ مایع تک مرحله‌ای، برای تراکم انتخاب می‌شوند. به عنوان یک دستورالعمل کلی، فشار خروجی این کمپرسورها باید کمتر از 6 barg باشد، در حالی که انواع دو مرحله‌ای آن تا فشار خروجی 16 barg را نیز می‌توانند ارائه نمایند.

روغنکاری

الزامات روغنکاری در کمپرسورهای رینگ مایع با یکدیگر متفاوت است. در برخی از این کمپرسورها، روغن مجدداً در سیستم به گردش در می‌آید (recirculation). در برخی دیگر روغن با گاز خروجی از کمپرسور خارج می‌شود و در تعداد دیگری از کمپرسورها، روغن هم برای روانکاری و هم برای خنک کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً روغن با فشار و از طریق پمپ به داخل تیوب‌ها رفته و از آنجا برای روانکاری بیرینگ‌ها استفاده می‌شود.

معمولاً روغن روانکار برای محافظت از بیرینگ‌ها، سطوحی که با یکدیگر تماس دارند و دفع گرما به کار می‌رود. روغن روانکار به کارکرد آرام و نرم اجزای کمپرسور کمک کرده و از خرابی زودهنگام آنها جلوگیری می‌نماید.

روغن روانکار در کمپرسورهای رینگ مایع، اغلب با دمایی بسیار کمتر از آنچه در سایر کمپرسورهای جابجایی مثبت وجود دارد، مواجه است. به ندرت دمای روغن در این کمپرسورها به بالاتر از 100 درجه سانتیگراد می‌رسد.

قابلیت اطمینان (Reliability) و عملکرد

طراحی‌های قدیمی‌تر کمپرسورهای رینگ مایع از حداقل مقدار روغن استفاده می‌نمودند، زیرا قرار بود از روغن صرفاً برای روانکاری استفاده شود. این کمپرسورها دارای بازدهی حجمی (volumetric efficiency) نسبتاً پایین بودند. همچنین دمای بالای گاز خروجی از کمپرسور (به دلیل افت‌های داخلی گاز) موجب خرابی پره و سیلندر کمپرسور می‌شد.

در طراحی‌های امروزی، روانکاری مناسب مقدار زیادی از روغن را به داخل کمپرسور می‌فرستد و به همین دلیل کمپرسورهای رینگ مایع امروزی قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به مدل‌های قبلی دارند.

اگر یک کمپرسور رینگ مایع به درستی طراحی نشود، ممکن است در حالت بهینه کار نکند (over compression or under-compression). این موضوع سبب افزایش افت‌های کمپرسور و یا کاهش بازدهی آن خواهد شد.

بازیابی گاز فلر (Flare Gas Recovery)

گازهای اشتعال پذیر زائد، چه بر اثر مشکلات فرآیندی و چه بر اثر فرآیند نرمال ایجاد شود، معمولاً به سیستم فلر برده شده تا در آنجا سوزانده شوند. از این گاز می‌توان با استفاده از یک واحد بازیابی فلر، مجدداً استفاده کرد و از آنها به عنوان سوخت یا سایر مصارف استفاده نمود. این موضوع علاوه برا کاهش قابل ملاحظه آلاینده‌ها می‌تواند موجب کاهش هزینه ساخت شود. یک کمپرسور رینگ مایع برای استفاده در گازهای فلر یا off-gas ایده آل است. این گازها معمولاً شامل مقادیری مایع، ذرات آلاینده و … هستند. تماس بالای بین گاز و سیال کاری در این کمپرسورها، موجب می‌شود که تقریباً یک فرآیند ایزوترمال داشته باشیم. یک کمپرسور رینگ مایع می‌تواند به راحتی در شرایطی که مایع همراه گاز پروسسی وجود دارد، فرآیند تراکم را انجام دهد، در حالی که سایر کمپرسورها در این شرایط به مشکل می‌خورند.

شکل 4. کمپرسورهای رینگ مایع برای استفاده در واحدهای بازیابی فلر بسیار مناسب هستند

سوالات متداول

یک کمپرسور رینگ مایع برای استفاده در گازهای فلر یا off-gas ایده آل است. این گازها معمولاً شامل مقادیری مایع، ذرات آلاینده و … هستند. تماس بالای بین گاز و سیال کاری در این کمپرسورها، موجب می‌شود که تقریباً یک فرآیند ایزوترمال داشته باشیم.

به عنوان یک دستورالعمل کلی، فشار خروجی در کمپرسورهای تک مرحله‌ای باید کمتر از 6 barg باشد، در حالی که انواع دو مرحله‌ای آن تا فشار خروجی 16 barg را نیز می‌توانند ارائه نمایند.