液氨廣泛應(yīng)用于化學(xué)肥料、農(nóng)藥、醫(yī)藥等的生產(chǎn)以及化工產(chǎn)品氨化，可在制冷系統(tǒng)中充當(dāng)制冷劑，還可在國防工業(yè)中用于火箭和導(dǎo)彈的推進(jìn)劑。將純液氨電離制成的氫氮混合氣體常用于半導(dǎo)體和冶金等工業(yè)的保護(hù)氣體。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定液氨產(chǎn)品按照氨的濃度分為三等：優(yōu)等品99.9%，―基金項目：海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目（201305011）等品99.8%，合格品99.6%.不同品質(zhì)液氨每噸價差約50元。但是按照產(chǎn)地不同，出廠價格波動較大，約2400~3300元/t.目前工業(yè)上常用的合成氨生產(chǎn)方式，雖然工藝流程十分成熟且能達(dá)到較大規(guī)模，但其能耗較高且污染嚴(yán)重。該法生產(chǎn)液目前國內(nèi)化工行業(yè)含有大量的含氨尾氣和副產(chǎn)品氨，需要將其回收提純。提純氨成本大大低于直接合成氨，此舉將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益。因為氨水混合物蒸氣具有壓力越高其飽和狀態(tài)下氣體組分的氨濃度便越高的性質(zhì)，工業(yè)上通過對氨氣進(jìn)行壓縮來提純。但是壓縮氨氣應(yīng)用現(xiàn)有的往復(fù)活塞壓縮機(jī)和通用的制冷噴油螺桿壓縮機(jī)非常困難。在部分氣量較大且氣體中含碳銨等顆粒雜質(zhì)較多的工況下，往復(fù)活塞壓縮機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。噴油螺桿壓縮機(jī)由于潤滑油等雜質(zhì)的引入，使得產(chǎn)品品質(zhì)不能達(dá)標(biāo)；同時介質(zhì)氣中的h2s等雜質(zhì)容易混入潤滑油中，導(dǎo)致潤滑油污染變質(zhì)。而無油螺桿壓縮機(jī)的工作腔與軸承座由密封裝置隔開，能夠很好地避免上述問題。

　　現(xiàn)在有化工企業(yè)采用了一種噴氨水的無油螺桿壓縮機(jī)，并利用化工流程軟件進(jìn)行了初步計算，但是其中具體的物理過程并不清楚，需要進(jìn)步的理論計算并用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐。

　　考慮到該壓縮過程是個兩相的二元非共沸混合物的傳熱傳質(zhì)過程，十分復(fù)雜。本文首先解決了氨水物性計算和工藝螺桿壓縮機(jī)平衡管流量計算，并在已研究的噴水螺桿壓縮機(jī)的基礎(chǔ)上，利用濕壓縮和噴制冷劑壓縮的思路對該兩相壓縮過程進(jìn)行了模擬計算，并將計算結(jié)果和現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。然后對排氣壓力、中間壓力、中間溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化計算，并分析了他們對系統(tǒng)性能的影響。

　　2應(yīng)用場合及技術(shù)參數(shù)2.1工藝流程如所示，該系統(tǒng)為一個兩級的氨氣壓縮系統(tǒng)，觀察圖中各節(jié)點(diǎn)。**級壓縮機(jī)吸入0.19MPa，30丈，98%的低壓低溫過熱氨水蒸氣（1，同時噴入55，0.62MPa飽和氨水溶液（8.假設(shè)吸氣和噴液可以瞬間混合為兩相流（2，噴液量較少時可能為純氣體之后開始壓縮。壓縮后的排氣Q補(bǔ)入一定量40丈，5%稀氨水4，混合之后5經(jīng)**級冷卻器冷卻為兩相流（6，并進(jìn)入第級氣液分離器分離。分離出的氣體為第二級吸氣（7，液體為**級噴液，并排出多余積液到氨粗精餾塔。第二級流程與第1級類似，但壓縮后無需補(bǔ)液。二級氣液分離器分離得到的高壓氨氣（13濃度應(yīng)達(dá)到99.6%以上，然后通入氨冷卻器冷卻為液氨。2.2狀態(tài)變化觀察，圖中1-3s1表示沒有噴液情況下吸入過熱氨水蒸汽的壓縮情況，虛線1-3s'表示等熵壓縮，實(shí)線1-3'表示實(shí)際壓縮。

　　噴入液體后，當(dāng)噴液量達(dá)到一定程度時，如（a所示，壓縮機(jī)吸氣混合為兩相流，隨著壓縮進(jìn)行，液體蒸發(fā)，*終得到高壓過熱蒸氣；如所示，噴液量進(jìn)一步增加到臨界值時，壓縮機(jī)出口處高壓蒸氣達(dá)到飽和態(tài)；噴液量繼續(xù)增加，如（C所示，壓縮機(jī)出口處為高壓兩相流。

　　隨后壓縮機(jī)排氣進(jìn)入壓縮后冷器被冷卻到兩相流，再經(jīng)過氣液分離后，絕大部分的液體做為噴液，噴回壓縮機(jī)。

　　第級氣液分離后的氣體被引入第二級壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮，第二級壓縮過程與第級致。

　　2.3系統(tǒng)參數(shù)，見表1指標(biāo)**級第二級壓縮介質(zhì)過熱氨水蒸氣進(jìn)氣溫度進(jìn)氣壓力排氣壓力理論容積流量噴液飽和氨水溶液注：忽略極少量的氧氣和氮?dú)?，僅考慮氨和水。

　　注：噴液狀態(tài)參數(shù)取為壓縮后氣液分離器內(nèi)液體狀態(tài)參數(shù)，不考慮氣液分離器至噴液口的壓力損失。

　　1+手喊2.4工藝氣壓縮機(jī)特點(diǎn)為保障工藝壓縮可靠性，使壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，該兩級無油螺桿氨氣壓縮機(jī)組設(shè)計有3組平衡管。分別聯(lián)通：一級排氣平衡腔和一級吸氣平衡腔，二級排氣平衡腔和二級吸氣平衡腔，以及二級排氣平衡腔和級吸氣平衡腔。

　　3計算模型3.1性能計算模型（3）求壓縮機(jī)入口流量m2及氣液組分的焓熵值P假設(shè)噴液后m2帶液，含有液體組分ma，氣體組分。由質(zhì)量守恒、能量守恒關(guān)系其中下標(biāo)2表示壓縮機(jī)入口狀態(tài)，l表示液體組分，g表示氣體組分，3和ll分別表示一二級排氣狀態(tài)。聯(lián)立求解可得入口處各狀態(tài)參數(shù)。

　　（2）計算軸功率氣體組分按等熵壓縮液體組分按等容壓縮。

　　假設(shè)氣液二元組分是一個動態(tài)的平衡過程，在一個非常小的壓力變化之后能夠進(jìn)入一個新的平衡狀態(tài)。根據(jù)物料守恒和能量平衡關(guān)系，列出下式壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量會蒸發(fā)部分液體持續(xù)更新壓縮機(jī)入口氣體狀態(tài)，直到時為止，有下標(biāo)i表示壓縮機(jī)入口狀態(tài)，o表示壓縮機(jī)出口處狀態(tài)。

　　3計算電機(jī)輸出功率電機(jī)的傳動效率nd表示壓縮機(jī)軸功率ns與電機(jī)輸出功率Nd之比。它與電動機(jī)的效率和變頻器的效率有如下關(guān)系3.2氨水物性計算氨水混合物泡點(diǎn)和露點(diǎn)公式取自，參數(shù)取值詳見該。

　　1液態(tài)時泡點(diǎn)溫度2氣態(tài)時露點(diǎn)溫度焓熵及比體積。

　　3.3平衡管計算模型分析平衡管內(nèi)氣體流動，應(yīng)為兩側(cè)壓差驅(qū)動的定常一元可壓縮流體在等截面管道中有摩擦的絕熱流動。已知平衡管管長1，管徑D，高壓側(cè)壓力Pi，低壓側(cè)壓力內(nèi)，高壓側(cè)溫度Ti，計算管內(nèi)的質(zhì)量流量M.首先應(yīng)用絕熱摩擦臨界長度的公式其中下標(biāo)i=1，2，分別表示管道高壓側(cè)和低壓側(cè)f―壁面摩擦系數(shù)，不銹鋼管可取為0.04k―絕熱指數(shù)，氨氣取為1.29 R氣體常數(shù)，氨氣取為489，（kg-K然后列出絕熱摩擦臨界壓力公式a/蝴瘤儺農(nóng)ru并對高壓側(cè)根據(jù)狀態(tài)方程補(bǔ)充下式聯(lián)立求解后可求得質(zhì)量流量4結(jié)果分析4.1計算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對比選取某曰典型工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)與計算結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果示于表2.表2現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比指曰標(biāo)**級第二級運(yùn)行數(shù)據(jù)估算數(shù)據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)估算數(shù)據(jù)吸氣壓力/MPa吸氣溫度戶c吸氣量/kgh-1噴液量/kg-h-1平衡氣量/kg-h-1容積效率/%排氣壓力/MPa排氣溫度戶c冷卻水流量/m3-h-1冷卻水溫升/C耗功AW純氨產(chǎn)量/kg-h-1電機(jī)輸出功率運(yùn)行數(shù)據(jù)：1379kW，估算數(shù)據(jù)：1407kW分析數(shù)據(jù)對比情況：1冷卻器熱負(fù)荷。2個換熱器冷卻水溫升設(shè)計值均為10丈。**級冷卻器熱負(fù)荷較大，但卻由于**級氨路積液較多，換熱效率較差，運(yùn)行時水路閥門全開才滿足換熱需求。計算表明，**級冷卻器的熱負(fù)荷受**級壓縮后補(bǔ)液的影響較大。**級壓縮后補(bǔ)液，選取參數(shù)為：溫度40丈，壓力補(bǔ)液量越大，越能吸收溶解氨氣，放熱就越多，后冷器熱負(fù)荷就越大。

　　對于第二級冷卻器，換熱效率較高，并且由于冬季給水溫度低，使得冷卻器可以以較小流量、高于設(shè)計溫差的狀態(tài)工作。

　　2噴液量。機(jī)組運(yùn)行時應(yīng)根據(jù)排氣溫度控制噴液量?，F(xiàn)在進(jìn)行校核計算，固定排氣溫度計算噴液量，并且忽略了冷卻風(fēng)機(jī)對機(jī)殼的冷卻作用以及軸承腔潤滑油帶走的部分熱量。如考慮機(jī)殼及潤滑油散熱，對于相同的排氣溫度，噴液量約為該計算值的70%~80%. Q平衡氣量。其中第級平衡氣包括兩部分，分別來自第級排氣端平衡腔和第二級排氣端平衡腔?？紤]到平衡腔與排氣端的道碳環(huán)密封節(jié)流效果較差，計算時取排氣端平衡腔壓力等于排氣壓力。

　　4電機(jī)輸出功率。電機(jī)額外耗功包括電動機(jī)能量損失、變頻器能量損失、增速箱的耗功以及冷卻風(fēng)機(jī)耗功。如考慮增速箱的耗功以及冷卻風(fēng)機(jī)耗功，電機(jī)傳動效率應(yīng)該不止估取的85.5%.4.2液氨品質(zhì)控制參數(shù)某一具體濃度下飽和態(tài)的氨水蒸氣混合物，其壓力和溫度應(yīng)符合曲線所示。壓力越高，溫度越低，其氨組分的濃度便越高。生產(chǎn)液氨工況變化時，應(yīng)注意控制第二級氣液分離器內(nèi)的溫度和壓力以分離出足夠濃度的氨氣。

　　通過增加壓力來提高氨氣濃度提升產(chǎn)品品質(zhì)的話，勢必增大壓縮機(jī)的功耗。而降低氣液分離的溫度卻提高了對冷卻水的要求。對于冬季較低的冷卻水溫，較低的壓力便可提純氨氣?？紤]到夏季環(huán)境要求，該氣液分離溫度不應(yīng)低于40丈，對應(yīng)的分離壓力也不應(yīng)低于1.17MPa.- 99.6%二級排氣壓力/MPa當(dāng)其他參數(shù)不變時，壓縮機(jī)噴液量與壓縮機(jī)排氣溫度及耗功的關(guān)系示于。當(dāng)噴液低于該臨界值時，冷卻不足，排氣溫度及耗功顯著升高；當(dāng)噴液高于該臨界值時，排氣溫度及耗功幾乎不再變化。因此，為保證壓縮機(jī)安全運(yùn)行，噴液量必須高于該臨界值，**級為0.19kg/s，第二級4.4優(yōu)化兩級排氣壓力固定兩級噴液量，選取**級噴液溫度為45丈，并根據(jù)實(shí)線選取第二級噴液溫度以控制*終分離出氨氣的濃度達(dá)到99.9%.表示優(yōu)化計算中間壓力的結(jié)果，圖中實(shí)線表示理論中間壓力虛線表示計算所得能耗*低時的中間壓力Pm，4.5優(yōu)化兩級噴液溫度取第二級排氣壓力1.55MPa，**級排氣壓力0.50MPa，以兩級壓縮整體為考慮對象，固定噴液量。改變某個噴液溫度，觀察液氨的壓縮機(jī)能耗的變化情況，計算結(jié)果見、7.因為噴液溫度即為氣液分離器所要求的溫度，所以存在一定的范圍。首先，噴液溫度必須足夠高。**級噴液溫度應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度確定，不宜低于40丈。第二級噴液溫度還需考慮氨水性質(zhì)：氨水溶液的露點(diǎn)溫度隨著氨濃度的升高而降低，當(dāng)氨濃度升至100%時，露點(diǎn)溫度達(dá)到*小值即純氨液的蒸發(fā)溫度。在1.55MPa下為39.7T：，氣液分離器低于該溫度則無法分離出氣體。因此氣液分離器溫度必須高于該溫度一定程度，才能分離出足夠的高壓氣體。其次，噴液溫度也有上限，噴液溫度越高，氣液分離器中分離出的液體就越少，超過某個溫度后，便不能分離出足夠的液體用于噴液冷卻。該上限溫度計算得：**級為62.5U第二級為單位質(zhì)量液氨壓縮機(jī)能耗與第二級嘖液溫度的關(guān)系事實(shí)上，對于2個單獨(dú)的壓縮機(jī)，固定噴液量，改變噴液溫度，液氨的壓縮機(jī)功耗，隨噴液溫度的升高而降低，即均應(yīng)表現(xiàn)為的下降趨勢。但是如果考慮兩級壓縮的整體，**級氣液分離溫度升高勢必導(dǎo)致第二級冷卻不足，使得第二級耗功增加的程度高于**級降低的程度，總體表現(xiàn)為的上升趨勢。

　　5結(jié)論利用提純方法生產(chǎn)液氨的成本大大低于傳統(tǒng)合成氨方法，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。無油螺桿壓縮機(jī)由于其優(yōu)良的穩(wěn)定性和對工藝氣體無污染的特性，使得利用該種機(jī)器的氨氣壓縮工藝流程能夠滿足液氨提純的工業(yè)要求。

　　通過在壓縮過程噴入氨水溶液，可以顯著降低壓縮機(jī)排氣溫度，改變出口含液量，防止溫度過高造成轉(zhuǎn)子咬合等問題。通過計算可以初步確定噴液量以及壓縮機(jī)功耗，并據(jù)此優(yōu)化調(diào)整噴液參數(shù)。

　　根據(jù)氨水的性質(zhì)，通過控制氣液分離的溫度和壓力就可以控制分離出氨氣的濃度。氣液分離時，如果可以將氨水冷卻到較低的溫度，便僅需將氨氣壓縮到較低的壓力，40丈對應(yīng)的壓力為1.18MPa.因此，應(yīng)該盡量降低氣液分離的溫度，而該溫度取決于環(huán)境溫度和冷卻水的冷卻能力。

　　對于采用兩級壓縮的系統(tǒng)，固定噴液量，第級噴液溫度取45丈，第二級噴液溫度取中99.9%濃度所對應(yīng)的臨界溫度時，中間壓力可取為**級噴液溫度越低壓縮機(jī)能耗便越低，因此應(yīng)盡量降低中間冷卻的溫度。假如能將其從45丈降至35丈，便可降低壓縮機(jī)能耗約5%.對于含有平衡管的類工藝螺桿壓縮機(jī)，不能忽視平衡氣的流量。當(dāng)平衡腔和排氣腔密封效果不好，平衡腔壓力較高時，該流量可能較大，并進(jìn)而影響到壓縮機(jī)和整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)。