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1 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018 Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter Gastvortrag im Rahmen der Vorlesung Pumpen und Verdichter TU Graz 17.04.2018 Dr. Christoph Jakiel Handout

Auslegung und Design industrieller Prozessgasverdichter · MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018 < 7 > MAN Diesel

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1< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Auslegung und Design

industrieller Prozessverdichter

Gastvortrag

im Rahmen der Vorlesung

“Pumpen und Verdichter”

TU Graz

17.04.2018

Dr. Christoph Jakiel

Handout

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2< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9

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3< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9

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4< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Volkswagen Group12 brands

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5< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Revenue ‘17:

€ 0.5 bn

Power EngineeringBusiness

areas

Divisions

Commercial Vehicles

MAN

Truck & Bus

Revenue ‘17: € 10 bn

MAN

Latin America

Revenue ‘17: € 1.1 bn

The MAN Group in 2017: €14.3 billion revenue, 54,297 employees

Investments Sinotruk (25.0 % +1 share), Scania (17.4 %*)

* Voting rights

MAN

Diesel & Turbo

Revenue ‘17: € 2.8 bn

Renk(76 %)

MAN GroupKey Figures 2017

MAN SE

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6< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

MAN Diesel & Turbo Key Figures 2017

2017 2016

in Mio €

Order intake 3,280 2,808

Revenue1 2,832 3,113

Operating profit 132 -29

in %

ROS 4.7 -0.9

Employees2 14.318 14,603

1) Including consolidation adjustments between the Engines & Marine Systems, Power Plants and Turbomachinery strategic business units.

2) Headcount (including subcontracted employees) as of December 31, 2017

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7< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

MAN Diesel & TurboA worldclass product portfolio

Power Plants TurbomachineryEngines & Marine Systems

Two-stroke and

four-stroke

engines for

marine

applications

Propellers and

complete

propulsion

systems incl.

fuel gas

systems

Turbochargers

Compressors,

gas and steam

turbines,

expanders

Complex

machinery

trains

Chemical

reactors

Service: MAN PrimeServ

Worldwide

network of

service hubs:

24/7 OEM

service around

the globe

Two-stroke

and four-

stroke

engines for

stationary

applications

Diesel and

gas power

plants

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8< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

MAN Diesel & Turbo Comprehensive applications in diverse industry areas

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9< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Design and production networkMAN Diesel & Turbo sites in Europe and Asia

AugsburgSaint Nazaire

Frederikshavn

Copenhagen

Velká Bíteš

Aurangabad

Berlin

Oberhausen

Hamburg

Deggendorf

Zürich

Changzhou

Turbo Plants

Diesel Plants

Diesel & Turbo Plant

Holeby

Bangalore

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10< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

International working enviromentMAN Diesel & Turbo is a major employer

14,603 Employees at more than 120 locations,

especially in Germany, Denmark, France,

Switzerland, the Czech Republic, India and China

More than 600 apprentices in more than

20 professions

Top Employer for Engineers

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11< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 3,979

TurbochargersFour-stroke

Dual-Fuel & Gas

Engines

Four-stroke

Diesel Engines

Products

PrimeServ After

Sales Service

Design and production sitesHeadquarters Augsburg, Germany

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12< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 1,823

Centrifugal

Compressors

Gas Turbines Axial

Compressors

Steam Turbines

Products

Process-Gas

Screw

Compressors

PrimeServ After

Sales Service

Design and production sitesOberhausen, Germany

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13< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 456

Small / Medium

Centrifugal

Compressors

Products

Multi-Shaft

Compressors

PrimeServ After

Sales Service

Design and production sitesBerlin, Germany

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14< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 234

Steam Turbines

1-40 MW

Products

Design and production sitesHamburg, Germany

Small mech. drive

steam turbines

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15< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 752

Vacuum

Blowers

Isotherm

Compressors

Products

Axial

Compressors

MOPICO

HOFIM

Large Centrif.

Compressors

PrimeServ After

Sales Service

Design and production sitesZurich, Switzerland

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16< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 143

Steam turbines

Products

Design and production sitesBangalore, India

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17< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Employees (31.12.2017) : 411

Steam turbines Isotherm

compressors

PrimeServ After

Sales Service

Turbocharger

Design and production sitesChangzhou, China

Products

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18< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

TurbomachineryWide-ranging product range for various industrial applications

Compressors, expanders, gas turbines and steam turbines for the

oil & gas industry, the process industry and power generation

Full machinery train competence including compressor,

drive and expander

Reactors for the chemical and petrochemical industry,

special apparatus for science

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19< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Turbomachinery ApplicationsFrom the oil & gas market to process industry

Upstream (Production) Midstream (Transportation) Downstream (Processing)

Industrial Products Industrial Gases Industrial Power Generation

Products: compressors, expanders, main

gas turbines

Products: compressors, gas turbines Products: compressors, expanders, steam

turbines, gas turbines, reactors

Products: compressors, vacuum blowers,

reactors

Products: compressors, steam turbines,

reactors

Products: steam turbines, gas turbines

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20< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

World’s largest solar thermal power plant125 MW power plant Shams 1 with MAN steam turbine

Shams 1 covers an area of 2.5 km², or 285 football fields and will displace approximately 175,000 tons

of carbon dioxide (CO2) per year.

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21< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Compressors for synthetic fuels productionAR-MAX 1 for Chinese air separation plant

The chemical process of synthetic fuels production requires huge quantities of oxygen. The

turbomachinery used in an air separation plant will generate about 40,000 tons of oxygen daily.

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22< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

1873: Börsengang der

Gutehoffnungshütte

(GHH)

1758: St. Antony

Eisenwerke,

Oberhausen

1840: Sandersche

Masch.fabrik

Augsburg

1841: Eisengießerei u.

Masch. fabrik Klett &

Comp., Nürnberg

1908: M.A.N. Masch.fabrik

Augsburg-Nürnberg

1921: GHH acquires

majority share of M.A.N.

1986: M.A.N. merges with GHH, renamed MAN AG

2010: Merger of MAN Diesel SE and MAN Turbo AG to MAN Diesel & Turbo SE

2007: Volkswagen AG becomes main shareholder of MAN AG

2011: MAN becomes part of the Volkswagen Group

The history of MAN Diesel & TurboMAN has twin roots

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23< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

The history of MAN Diesel & TurboContinuous development of brands and business areas

MAN Diesel SE MAN Turbo AG

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24< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9

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25< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenAxialkompressoren (AG, AR, A, AV)

Ansaugvolumenströme bis zu

1,5 Mio. m³/h (53.000.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 25 bar (363 psi)

Fluid Catalytic Cracking (FCC)

Salpetersäureproduktion

Luftzerlegung

GTL/ CTL

Hochofen-Anwendungen

CAES

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26< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenRadialkompressoren - Horizontal geteilt (RH)

Ansaugvolumenströme bis zu

708.000 m3/h (25.000.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 80 bar (1.150 psi)

Salpetersäureproduktion

Kältekreisläufe

Äthylen

Ammoniakproduktion

Luftzerlegung

Sauerstoff

Raffinerien

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27< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenRadialkompressoren - Vertikal geteilt (RB)

Ansaugvolumenströme bis zu

320.000 m3/h (11.300.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 1.000 bar (14.504 psi)

Gasförderung und

-speicherung

Luftzerlegungsanlagen

Raffinerien

Petrochemie

Methanol- und

Ammoniakproduktion

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28< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenRadialkompressoren - Pipelinekompressoren (RV)

Ansaugvolumenströme bis zu

30.000 m3/h (1.059.300 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 130 bar (1.886 psi)

Gastransport

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29< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenRadialkompressoren - Isothermkompressoren (RIK/T)

Ansaugvolumenströme bis zu

800.000 m3/h (28.250.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 20 bar (290 psi)

Luftzerlegung

Salpetersäureproduktion

Sauerstoff

Terephthalsäureproduktion (PTA)

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30< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenRadialkompressoren - Getriebekompressoren (RG)

Ansaugvolumenströme bis zu

660.000 m3/h (23.300.000 cft)

Max. Austrittsdruck

bis zu 250 bar (3.600 psi)

Brenngas

CO2 - Kompression

Luftzerlegungsanlagen

Salpetersäureproduktion

Terephthalsäureproduktion (PTA)

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31< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenMotor Pipeline Compressor (MOPICO)

Antriebsleistung bis 18 MW

Max. Austrittsdruck

bis zu 130 bar (1.885 psi)

Gastransport

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32< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenHigh Speed Oil Free Integrated Motor Compressor (HOFIM)

Antriebsleistung bis 18 MW

Max. Austrittsdruck

bis zu 303 bar (4.395 psi)

Gastransport

Gasspeicherung

Unterseeanwendungen

Für Prozesse mit

gefährlichen Gasen

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33< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenProzessgas-Schraubenkompressoren (SKUEL, CP, CPO)

Ansaugvolumenströme bis zu

100.000 m3/h (3.531.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 50 bar (725 psi)

Bergbau

Chemie

Eisen & Stahl

Öl & Gas

Petrochemie

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34< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenTURBAIR® Vakuumgebläse

Ansaugvolumen bis zu

200.000 m3/h (7.062.933 cft/h)

Vakuum

Papierindustrie

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35< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

KompressorenÜbersicht Technische Daten

Turbo-

Kompressoren

Axialkompressoren

Einwellen-Radialkompressoren,

horizontal geteilt

Hochdruckkompressoren,

Topfbauart

Getriebekompressoren

Isothermkompressoren

TURBAIR® Vakuumgebläse

Pipelinekompressoren/ MOPICO

Verdrängungs-

kompressoren

Schraubenkompressoren

HOFIM

Max. Ansaug-

volumen (m³/h)

1.500.000

708.000

320.000

660.000

800.000

200.000

Max. Ansaug-

volumen (m³/h)

100.000

Max. Austritts-

druck (bar)

25

80

1.000

250

20

Atmosphäre

130

Max. Austritts-

druck (bar)

50

303

Max. Ansaug-

volumen (cft/h)

53.000.000

25.000.000

11.300.000

23.300.000

28.250.000

7.062.933

Max. Ansaug-

volumen (cft/h)

3.531.000

Max. Austritts-

druck (psi)

363

1.150

14.504

3.600

290

Atmosphäre

1.886

Max. Austritts-

druck (psi)

725

4.395

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36< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

AxialkompressorstufeSchnittbild

Axial Compressor

Rotor Stator

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37< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

AxialkompressorstufeGeschwindigkeitsdreiecke

Rotor

Stator

Normal flow

Stator

c1w1

u1

w2c2

u2

w2

Low flow

c1

c2u2

u1

w1

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38< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

RadialkompressorstufeSchnittbild

Laufrad

(Rotor)

Diffuser

(Stator)

Rückführkanal

(Stator)Eintritts-

leitgitter

Radial Compressor

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39< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

RadialkompressorstufeGeschwindigkeitsdreiecke

direction

of rotationimpeller

inlet plane

Impeller Inlet

c1

1'1

u1

w1

u2

c2

2

'2cs

Impeller Exit

w2

direction of

rotation

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40< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Schraubenkompressor

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41< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

SchraubenkompressorQuerschnitt eines Rotors mit 4/6-Profil

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42< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

SchraubenkompressorArbeitsprinzip

Screw compressors are positive displacement machines with purely rotary

motion.

Working process

During compression phase the working chamber is closed.

The working chamber changes it‘s size cyclically between zero and maximum

size.

Compression

Discharge

Suction

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43< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

SchraubenkompressorArbeitsprinzip

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44< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Schraubenkompressorp-V-Diagramm

Idealized Pressure-Volume Diagram for well suited Built-In Volume Ratio

Built-in volume ratio vi = 2.0

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45< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Stufengruppen und ihre AnordnungDefinition und Beispiele

Quasi-adiabate Verdichtungseinheit

zwischen zwei Stutzen

Sicht Kompressorhersteller:

Gruppe einzelner Turbo-Stufen

Stufengruppe

stage group, section

Sicht Anlagenplanung/Prozess:

Verdichtungsstufe

(process) stage, section

Inline Double-flow Side-streamsAnalog: Extractions

Inline2 compression stages

Back-to-back2 compression stages

1

1

2

2

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Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9

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Agenda

3 Auslegung von Prozessverdichtern

3.1 Einführung

3.2 Dimensionslose Kennzahlen

3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel

3.5 Kennfeld und Regelung

3.6 Weitere Randbedingungen

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EulergleichungZusammenfassung

u1

w1

u2

c2

w2

cm1

cu1

cm2cu2

c1

Power

( )r2cu2 – r1 cu1mP = Tw =w

= w(r2cu2 – r1cu1) = u2cu2 – u1cu1m/PDh =.

Euler Turbine Equation

.

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EulergleichungZusammenfassung

Enthalpy rise:

D hu

2u

22 1

2

w2w

21 2

2

c2c

2

2 1

2

Euler equation:

Dh u2cu2u1cu1

Radial stage : ~ 50% ~ 20% ~ 30%

Velocity triangles:

( )22

22

222u2 wuc

1cu

( )21

21

211u1 wuc

2

1cu

2

centrifugaleffect

diffusionrotor

diffusionstator*)

*) in case of repeating

condition, i.e. c1 c3

Axial stage : ~ 0% ~ 60% ~ 40%

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Auslegung von KompressorenZiele

Erfüllung aller spezifizierten Betriebspunkte

großer Betriebsbereich

Einhaltung von Zwischendrücken (Intercooler, Einspeisungen etc) und

Temperaturgrenzen

Geringe Antriebsleistung

Kostengünstige und kompakte Lösung

geringe Baugröße, insbesondere Laufraddurchmesser

Anzahl Stufen und ggf. Gehäuse

Auswahl kostengünstiger Bauformen (Laufräder etc)

Voraussetzung für kostengünstige Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Sicherer und robuster Betrieb

Rotordynamisches Verhalten, mechanische Integrität, Dichtigkeit

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Prozessdaten und KundenanforderungenMindestanforderungen

Folgende Daten und Anforderungen aus dem Prozess müssen mindestens

bekannt sein:

Vom Prozess benötigter Durchsatz (netto)

Vollständige Gaszusammensetzung, auch Spuren von Schadstoffen

Ansaugbedingungen

Enddruck

Falls eine Zwischenkühlung erforderlich ist, müssen Kühlwassertemperatur

und ggf. die maximal zulässige Temperaturerhöhung spezifiziert sein.

Weitere Prozess- und Betriebsbedingungen (Teillast, Anfahren, etc)

Anforderungen an das Design des Kompressors, wie z.B. Werkstoffe von

Laufrädern und Schaufeln, Machzahlgrenzen, Drehzahl der

Antriebsmaschine.

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Realgasverhalten

General

All kind of gases and mixture of gases

have to be compressed

These can show significantly real gas

behavior

Influence of the gas properties on:

Thermodynamics (enthalpy, density,...)

Aerodynamics of the compressor

(transonic flows, flow separation)

Especially for gases with higher

molecular weight (e.g. propane: 44,10 kg/kmol, vs. air:

28,95 kg/kmol):

Calculation

Gas matrix / interpolation

Equation of state eg by

Lee-Kessler-Plöcker (LKP)

Redlich-Kwong-Soave (RKS)

Benedict-Webb-Rubin-Starling

(BWRS)

Example: Propane

Considering real gas behavior is essential in the design phase

Source: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

(C3H8, calculated by LKP)

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Agenda

3 Auslegung von Prozessverdichtern

3.1 Einführung

3.2 Dimensionslose Kennzahlen

3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel

3.5 Kennfeld und Regelung

3.6 Weitere Randbedingungen

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VolumenstromzahlDefinition Radialkompressor

Die Volumenstromzahl (Durchfluss-

Kennzahl) beschreibt den

erreichbaren Volumendurchsatz eines

Laufrades bei gegebenem

Laufraddurchmesser und

Umfangsgeschwindigkeit.

Typische Werte:

0,01 - 0,18

D2

𝜑1 =4 ∙ ሶ𝑉1

𝜋 ∙ 𝐷22 ∙ 𝑢2

ሶ𝑉1

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Verluste in RadialkompressorstufenAbhängigkeit von der Volumenstromzahl

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Lo

sses a

nd

Eff

icie

ncy

0.0 0.05 0.10 0.20

Radial Flow Coefficient

Efficiency

disc friction loss

0.15

aerodynamic loss

leakage loss

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DruckzifferDefinition

Die Druckziffer ist eine Kennzahl für

die Energieumsetzung einer Stufe (y),

isentrop oder polytrop, bzw. der im

Laufrad umgesetzten Arbeit (Dht ).

Typische Werte pol:

0,8 - 1,1

2;

22

2

2

2 u

y

u

hy

th

D

En

thalp

y h

Entropy s

2

p1

1

p2

dh/vdp = const.

p

yvdp

h2

h1

Dht

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UmfangsmachzahlDefinition Radialkompressor

Für die (theoretische)

Umfangsmachzahl Mau wird die

Umfangsgeschwindigkeit am

Laufradaustritt auf die Schall-

geschwindigkeit am Laufradeintritt

(statisch oder total) bezogen.

Insbesondere das Druckverhältnis

hängt von Mau ab. Aber auch die

Form der Kennlinien wird signifikant

beeinflusst.

Typische Werte:

0,2 - 1,25

D2

11

2

TRZ

uMau

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UmfangsmachzahlEinfluss auf das Stufendruckverhältnis

Beispielhafte Kalkulation

Quelle: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

Erhöhung von Mau:

Druckverhältnis steigt

signifikant

11

2

TRZ

uMau

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UmfangsmachzahlEinfluss auf das Kennfeld

Vergleich: 2-stufiger (Mau = 1,2) & 5-stufiger (Mau = 0,81) Kompressor

Quelle: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

Erhöhung von Mau:

Kennfeldbreite sinkt

Wirkungsgrad sinkt

11

2

TRZ

uMau

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Agenda

3 Auslegung von Prozessverdichtern

3.1 Einführung

3.2 Dimensionslose Kennzahlen

3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel

3.5 Kennfeld und Regelung

3.6 Weitere Randbedingungen

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StufenbaukastenWarum?

Die Neuauslegung aller Stufen und ihrer Geometrien (Kanalformen und -

abmessungen, Schaufelgeometrien von Laufrädern, Diffusoren, etc.) ist für

Angebote und Auftragsabwicklung nicht praktikabel:

Hohe Unsicherheiten bei der Vorhersage von Performance und

Betriebspunktdaten

Zu großer Aufwand, und damit auch zu lange Antwortzeiten

Verwendung eines systematischen Stufenbaukastens

Standardisierten Stufenfamilien

Regeln zur Stufen- und Maschinenauslegung (Auslegungsphilosophie)

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StufenbaukastenEigenschaften

Einheitliche Randbedingungen an

Ein- und Austritt der Stufen

System an vordefinierte Stufen, Laufrädern

und Statoren (Familien)

(Teilweise) standardisierte Geometrien

Insbesondere der Laufradschaufeln, und

damit konstante Eintritts- und Austrittswinkel

Feste, gestaffelte Kanalformen oder definierte

Anpassungsregeln für den Schaufelkanal,

insbesondere zur Anpassung an den

spezifischen Volumenstrom (Flowcut) und die

Gaseigenschaften (insbesondere Kompressibilität)

Auch Kombinationen von Laufräder- und Stator-Geometrien

Regeln für die Skalierung, und ihre Bewertung hinsichtlich Performance

Hinterlegte Performance-Daten und Kennlinien

Zumeist beschrieben durch dimensionslose Kennzahlen

Experimentell bestätigt

(Modellversuche, Prototypen, Auswertung von Kundenmaschinen)

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StufenbaukastenÜberführung von Messergebnissen in

dimensionslose Kennzahlen

Volumenstrom

Wir

ku

ng

sgra

d

0.8

0.60,4

1.0

En

dd

ruck

bzw

.

Dru

ckve

rhä

ltn

is

Volumenstromzahl φ

Wir

ku

ng

sgra

dE

nth

alp

ie &

Dru

ck-

Ke

nn

za

hl ψh

ψy

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StufenbaukastenAuslegungsphilosophie Laufradkanal

Voraussetzung: Konstante Schaufelgeometrie

1. Philosophie der konstanten

Geschwindigkeitsdreiecke

Einzelne und inkrementelle Anpassung der Eintritts-

und Austrittsbreiten zur Sicherstellung ähnlicher

Geschwindigkeitsdreiecke konstante Strömungswinkel, nur mit der

Umfangsgeschwindigkeit skalierte Geschwindigkeitsdreiecke

Regeln zur Beschreibung des Kanals zwischen

Eintritt und Austritt

2. Philosophie der festen Kanalgeometrie

Fest definierte Kanalgeometrien zur Anpassung an

Änderungen von Volumenstrom (Eintritt) und/oder

Gaseigenschaften.

Moderate Abweichungen Geschwindigkeitsdreiecke

zugelassen und bewertet

Neue

Kanal-

konturen

Höhere Mau

Geringerer

spez.

Volumen-

strom

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Stufenbaukasten2D und 3D-Laufräder

2D-Stufen Schaufel prismatisch

kleinere Volumenstromzahlen

3D-Stufen Schaufel 3-dimensional

verwunden

größere Volumenstromzahlen

0,01 > φ > 0,06

0,06 > φ > 0,18Quelle: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

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Anpassung des Volumenstroms

In Einwellen-Radialkompressorn treten Stufen mit verschiedenen

Volumenstromzahlen φ auf

StufenbaukastenStufen-Stacking

abhängig von:

1. Wahl der ersten Stufe

2. Kompression/Verdichtung in

den hinteren Stufen

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Agenda

3 Auslegung von Prozessverdichtern

3.1 Einführung

3.2 Dimensionslose Kennzahlen

3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel

3.5 Kennfeld und Regelung

3.6 Weitere Randbedingungen

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Ziel

Bestimmung der Baugröße (Durchmesser der Laufräder)

Bestimmung der Anzahl der Stufen

Ermittlung der Antriebsleistung und Drehzahl

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Mass flow dry:

Suction pressure:

Suction temperature:

Relative humidity:

Discharge pressure:

barap 0.11

CT 251

%70

barap 0.52

s

kgVm normalnormal

dry 94.173600

r

..

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Gas constant dry:

Isentropic exponent :

Absolute humidity:

Gas constant wet:

Compressibility factor:

kg

JRdry 1.287

4.1

015.0x

0.11 z

kg

J

x

RxRR

Waterdry

wet 7.2891

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Mass flow wet:

Density at

suction conditions:

Actual suction volume flow:

3

11

11 159.1

m

kg

TRz

p

r

( )s

kgxmm drywet 21.181

. .

s

mmV wet

3

1

1 71.15r

..

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Flow coefficient:

Tip speed:

Tip diameter of 1st stage:

D2 rounded:

)(14.01 selected

)(3202 selecteds

mu

mD 67.02

𝐷2 =ሶ𝑉1

𝜑1 ∙𝜋4∙ 𝑢2

= 0.668𝑚

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Polytropic efficiency:

Polytropic head rise:

Polytropic head coefficient:

Number of stages:

Effective number of stages:

Effective tip speed:

kg

kJTRzY pol

wet

pol

pol 707.18511

1

11

49.32

2

2

u

Yz

y

pol

st

4stz

)(83.0 selectedpol

)(04.1 selectedy

s

m

z

Yu

yst

pol8.298

22

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Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Piston leakage mass flow:

Internal power:

Compressor speed: rpmD

uN

eff517'8

60

2

2

s

kgmpiston 2.0.

( ) kWY

mmPpol

pol

Pistonweti 119'4

. .

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Agenda

3 Auslegung von Prozessverdichtern

3.1 Einführung

3.2 Dimensionslose Kennzahlen

3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel

3.5 Kennfeld und Regelung

3.6 Weitere Randbedingungen

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76< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Grenzen des BetriebsbereichsBeispiel Radialkompressor

onset of full surge

onset of any axi-symmetric

periodic flow perturbation

E

A

p

p

Sto

ne

wall l Surge line

l Instability line

l Choke

l Stonewall

Pre

ssure

ratio

Inlet flow rate

Lines of

constant

efficiency

Lines of constantspeed n

VE.

Sonic speed in last stage

Sonic speed in first stage

Multi-Stage Compressor

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Regelung eines TurbokompressorsAufgaben und Ziele

Regelungsbedarfe (Beispiele)

Anpassung der Produktionsmenge

in industriellen Prozessen mit

näherungsweise konstanten

Prozessdrücken

Mengenanpassung in Anlagen mit

signifikanten Strömungsverlusten

(→ veränderliche Gegendrücke),

z.B. Pipelines für Erdgas

Anpassung an veränderte bzw.

schwankende Gegendrücke,

z. B. Gasspeicher

Ziele

Sicherstellen des geforderten

Betriebspunktes

Erweiterter Betriebsbereich

Hoher Wirkungsgrad

Vermeidung unzulässiger bzw.

unerwünschter Betriebszustände

Strömungsinstabilitäten

Überschallströmung

Üb

ers

ch

all

(Sto

ne

wa

ll)

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Regelung eines TurbokompressorsÜberblick Regelverfahren

Drehzahlregelung

Vordrallregelung:

Verstellbare Eintrittsleitschaufeln

Verstellbare Leitschaufeln (Diffusor)

Verstellbare Laufschaufeln

Drosselung am Austritt

Saugdrosselung

Bypass:

Umblase- / Abblasebetrieb

Zu-/Abschaltung,

Parallel-/Reihenschaltung

Kombinationen

Anpassung der Verdichterkennlinie

Anpassung der Anlagenkennlinie

Kombination von Verdichterstufen

und -gehäusen

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79< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Regelung eines TurbokompressorsDrehzahlregelung

0

Ypol

AB

V

pol

C

Strömungsmaschinen-Hauptgleichung:

YSch

= ( u2

cu2

– u1

cu1

)

C Ähnliche Geschwindigkeitsdreiecke

polA

~ polC

u1, u

2 V

u2, c

u2 Y

Sch

B Anlage: Konstanter Gegendruck

u2 , c

u2 Y

Sch

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Regelung eines TurbokompressorsVerstellbare Leitgitter (Vordrallregelung)

0

Ypol

V

Strömungsmaschinen-Hauptgleichung:

YSch

= ( u2

cu2

– u1

cu1

)

C Ähnliche Strömungsverhältnisse im Laufrad

polA

~ polC

a1 V

cu1 , c

u2 Y

Sch↓

B Anlage: Konstanter Gegendruck

cu1

↓ , cu2 Y

Sch

AB

C

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81< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Regelung eines TurbokompressorsDrosselung am Austritt

p1 AVV 1

pA

pC

pA

Dp = Throttled Pressure

Difference

A

0

p

V

Dp

p1

CpC

AV1V

B

Highly inefficient

control method

1V.

AV.

AVV 1. .

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82< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Regelung eines TurbokompressorsSaug-Drosselung

p

pA

A

V0

p1

BV.

VC / VB = p1 / px

Jet theorem:

pC / p1 = pA / px

Dp = Throttled Pressure

Difference

Dppx

B

pC

C

CV.

pA

.px

p1

CV

VB.

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83< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Regelung eines TurbokompressorsUmblase-/Abblasebetrieb

p1

pA

Dm = Recycled mass flow

A

0

Dm

p1

pA

CpC

B

Highly inefficient control method

Allows flows lower than surge capacity

2

Any compressor has either a recycle loop or blow off line (surge protection)

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84< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9

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Axial CompressorsAxial-Radial Compressor (Type AR-MAX1)

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Axial CompressorsAxial Compressor Components (Example AR-MAX1)

Exit Flange

Axial Section

Journal Bearing

Axial Blading

Volute Axial

Section

Guide WallUpper Casing

Balance Piston

Thrust Bearing

Journal Bearing

Exit Flange

Radial Section

Casing axial inlet

Lower Casing

Inlet Flange

Radial Section

Shaft

Vane Carrier

Inlet Radial

Section

Radial Impeller

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Axial CompressorsAxial Compressor Blading Manufacturing

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Single-Shaft Centrifugal CompressorsCasing Variants

Horizontal split Barrel type

Example: Air compressor for ammonia plant

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Single-Shaft Centrifugal CompressorsImpeller and Rotor Manufacturing

Milling

Welding

Brazing

Milled hub disc,

ready for

brazing

Heat shrinking

of impeller

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CasingsManufacturing (I)

Casting

Example:

Cast casing (upper half) for an

axial-radial compressor

Forging

Example:

Forged casings for Pipeline compressors

(with cast nozzles welded on)

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CasingsDesign - Stiffness and Tightness

Stiffness Tightness

Evaluation criteria:

Remaining pressure at split flange

three times of test pressure

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CasingsDesign - Optimization of Split Line Design

Area of

potential

leakages

Basic design:

Insufficient tightness

of split line

Modified design:

Improved tightness of

split line

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SealingLabyrinth Seals

Design features

Mechanical, non-contact seal

Sealing effect by small clearance

and high flow resistance

(long and complex flow path, turbulence)

Repeated arrangement

Caulked replaceable or

turned (non-replacable) strips

Strips rotating and/or stationary

Straight

“Full” labyrinth

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SealingLabyrinth Seals at Shaft Ends

Application: Nitric Acid plant

Compression: Nitrous gas

1. Balance piston line

2. Buffer air

3. To flare/atmosphere

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SealingDry Gas Seals (I)

Application

Toxic, flammable, explosive etc gases

(Nearly) zero leakage allowed

Product side

Bearing side

(atmosphere)

(Clean(ed) process gas or separate seal gas)

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96< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

SealingDry Gas Seals (II)

Features

Very low gas leakage rates

Low power consumption

Low seal / buffergas consumption

No seal oil system

No oil contamination of process gas

Requirements

Reliable supply of clean seal gas, buffer

gas and separation gas

Process pressure levels to be kept as

specified

To prevent damages by

Process gas (particles, condensate,

acid, corrosive gas) reaching the seal

“Backpressure” contact of seal rings

Bearing side

(atmosphere)

DGS cartridge

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Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9

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98< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Large Air Separation UnitTrain Layout

Main Air

Compressor (MAC):

AR105/06M0.88 5.8 bar

Veff max. = 612,000 m³/h

Steam Turbine:

DK80/190RP = 53 MW

Booster Air

Compressor (BAC):

Train for 3000 t/d oxygen (2012)Intermediate

blow-off

butterfly valve

RG45-65.6 85 bar,

Veff = 28,000 m³/h

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Referenzen Luftzerlegung:

LINGWURA 1-6, NINGDORA 7-11

für Shenhua Ningmei, China

Shenhua Ningmei, China: Eine der größten CTL-Anlagen

(Grundfläche 1.5 x 2.5 km)

11 identische AIRMAX M-Stränge:

Max. Kapazität je MAX1: 713.000 m³/h

O2-Kapazität gesamt: 2 x 3.600 = 43.000 t/d O2

Max. Antriebsleitung ges.: 12 x 75 MW = 900 MW

AIRMAX MLuftverdichterstränge

AR115-MAX1

Mit Shenhua Ningmei hält MDT aktuell die bedeutendste LZA Referenz.

CTL – Coal To Liquid:

Umwandlung von Kohle in hochreine Kraftstoffe

mit Hilfe des Fischer-Tropsch-Prozesses

Hierzu wird reiner Sauerstoff benötigt

Luftzerlegungs-

einheiten

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Purified Terephthalic Acid (PTA)Process and Typical Train Layout

Air Compressor:

Steam Turbine:Expander:

Lube oil

system

Motor-

generator

Cooling

water pipes

Application key facts

Purified terephtalic acid (PTA) is a

chemical inter-mediate to produce:

Synthetic fibers

PET (e.g. beverage bottles)

Main Feedstock: Paraxylene

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Purified Terephthalic Acid (PTA)Turbomachinery

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102< >MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 17.04.2018

Purified Terephthalic Acid (PTA)View Inside a Machine House (China, 2014)

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Nitric Acid (HNO3)Process and Typical Train Layout

Application key facts

HNO3 is a chemical intermediate

to produce:

Fertilizers

Explosives

MDI/TDI (plastics)

Feedstock: Ammonia (NH3)

Expander:

Steam Turbine:NO Compressor:

3.9 12 bar,

Veff = 70,000 m³/h

Air Compressor:

1 4.3 bar,

Veff = 294,000 m³/h

Train for 1520 t/d HNO3

Lube oil

system

Water

injection

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EthyleneApplication and Train Example

Application key facts

Ethylene plants convert naphta or gas to ethylene and propylene as

pre-product for polymers (plastics) and other chemicals.

Steam cracker plants typically include three trains:

Raw gas

Propylene Refrigeration

Ethylene Refrigeration

Raw gas

compressor train

Steam Turbine:

MP Compressor

LP Compressor

HP

Compr.

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Fluid Catalytic Cracking (FCC)Application and Comrpessor

Application key facts

The Fluid Catalytic Cracking (FCC) process

converts various heavy hydrocarbons to lighter

more valuable products via high-temperature

catalytic cracking.

The growing demand for light hydrocarbons

such as gasoline, diesel or propylene is driven

by the increasing levels of motorization

worldwide and the growing need for plastic or

synthetic fibres.

FCC plants typically include:

Main Air Compressor (Axial)

Wetgas Compressor (Centrifugal)

Expander for power recovery, if specified

Wetgas compressor

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Gas TransportPipeline Compressor Station

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Tapping resources in the deep seaSubsea gas compression for the Åsgard field

MAN has developed the first subsea gas compressor directly installed on the seabed

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This data serves informational purposes only and is especially

not guaranteed in any way. Depending on the subsequent

specific individual projects, the relevant data may be subject

to changes and will be assessed and determined individually

for each project. This will depend on the particular

characteristics of each individual project, especially specific

site and operational conditions.

Disclaimer

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Dr. Christoph Jakiel

Product Manager

MAN Diesel & Turbo SE

SBU Turbomachinery

Product Management (PTPX)

Steinbrinkstr. 1

46145 Oberhausen, Germany

Phone +49 208 692-2430

Fax +49 208 692-2702

Mobile +49 151 15000127

[email protected]

www.mandieselturbo.com

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