液氨廣泛應用于化學肥料、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)中充當制冷劑，還可在國防工業(yè)中用于火箭和導彈的推進劑。將純液氨電離制成的氫氮混合氣體常用于半導體和冶金等工業(yè)的保護氣體。國家標準規(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)費項目（201305011）等品99.8%，合格品99.6%.不同品質液氨每噸價差約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到較大規(guī)模，但其能耗較高且污染嚴重。該法生產(chǎn)液目前國內化工行業(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，工業(yè)上通過對氨氣進行壓縮來提純。但是壓縮氨氣應用現(xiàn)有的往復活塞壓縮機和通用的制冷噴油螺桿壓縮機非常困難。在部分氣量較大且氣體中含碳銨等顆粒雜質較多的工況下，往復活塞壓縮機運行穩(wěn)定性較差。噴油螺桿壓縮機由于潤滑油等雜質的引入，使得產(chǎn)品品質不能達標；同時介質氣中的h2s等雜質容易混入潤滑油中，導致潤滑油污染變質。而無油螺桿壓縮機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，并利用化工流程軟件進行了初步計算，但是其中具體的物理過程并不清楚，需要進步的理論計算并用實際運行數(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過程，十分復雜。本文首先解決了氨水物性計算和工藝螺桿壓縮機平衡管流量計算，并在已研究的噴水螺桿壓縮機的基礎上，利用濕壓縮和噴制冷劑壓縮的思路對該兩相壓縮過程進行了模擬計算，并將計算結果和現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)進行對比驗證。然后對排氣壓力、中間壓力、中間溫度等關鍵參數(shù)進行了優(yōu)化計算，并分析了他們對系統(tǒng)性能的影響。

　　2應用場合及技術參數(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。**級壓縮機吸入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，但壓縮后無需補液。二級氣液分離器分離得到的高壓氨氣（13濃度應達到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，實線1-3'表示實際壓縮。

　　噴入液體后，當噴液量達到一定程度時，如（a所示，壓縮機吸氣混合為兩相流，隨著壓縮進行，液體蒸發(fā)，*終得到高壓過熱蒸氣；如所示，噴液量進一步增加到臨界值時，壓縮機出口處高壓蒸氣達到飽和態(tài)；噴液量繼續(xù)增加，如（C所示，壓縮機出口處為高壓兩相流。

　　隨后壓縮機排氣進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。

　　第級氣液分離后的氣體被引入第二級壓縮機進一步壓縮，第二級壓縮過程與第級致。

　　2.3系統(tǒng)參數(shù)，見表1指標**級第二級壓縮介質過熱氨水蒸氣進氣溫度進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氣，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工藝氣壓縮機特點為保障工藝壓縮可靠性，使壓縮機運轉平穩(wěn)，該兩級無油螺桿氨氣壓縮機組設計有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）求壓縮機入口流量m2及氣液組分的焓熵值P假設噴液后m2帶液，含有液體組分ma，氣體組分。由質量守恒、能量守恒關系其中下標2表示壓縮機入口狀態(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入一個新的平衡狀態(tài)。根據(jù)物料守恒和能量平衡關系，列出下式壓縮機產(chǎn)生的熱量會蒸發(fā)部分液體持續(xù)更新壓縮機入口氣體狀態(tài)，直到時為止，有下標i表示壓縮機入口狀態(tài)，o表示壓縮機出口處狀態(tài)。

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

　　1液態(tài)時泡點溫度2氣態(tài)時露點溫度焓熵及比體積。

　　3.3平衡管計算模型分析平衡管內氣體流動，應為兩側壓差驅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，高壓側壓力Pi，低壓側壓力內，高壓側溫度Ti，計算管內的質量流量M.首先應用絕熱摩擦臨界長度的公式其中下標i=1，2，分別表示管道高壓側和低壓側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并對高壓側根據(jù)狀態(tài)方程補充下式聯(lián)立求解后可求得質量流量4結果分析4.1計算結果與實際運行數(shù)據(jù)對比選取某曰典型工況下運行數(shù)據(jù)與計算結果進行對比，結果示于表2.表2現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比指曰標**級第二級運行數(shù)據(jù)估算數(shù)據(jù)運行數(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電機輸出功率運行數(shù)據(jù)：1379kW，估算數(shù)據(jù)：1407kW分析數(shù)據(jù)對比情況：1冷卻器熱負荷。2個換熱器冷卻水溫升設計值均為10丈。**級冷卻器熱負荷較大，但卻由于**級氨路積液較多，換熱效率較差，運行時水路閥門全開才滿足換熱需求。計算表明，**級冷卻器的熱負荷受**級壓縮后補液的影響較大。**級壓縮后補液，選取參數(shù)為：溫度40丈，壓力補液量越大，越能吸收溶解氨氣，放熱就越多，后冷器熱負荷就越大。

　　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、高于設計溫差的狀態(tài)工作。

　　2噴液量。機組運行時應根據(jù)排氣溫度控制噴液量。現(xiàn)在進行校核計算，固定排氣溫度計算噴液量，并且忽略了冷卻風機對機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電機輸出功率。電機額外耗功包括電動機能量損失、變頻器能量損失、增速箱的耗功以及冷卻風機耗功。如考慮增速箱的耗功以及冷卻風機耗功，電機傳動效率應該不止估取的85.5%.4.2液氨品質控制參數(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，應注意控制第二級氣液分離器內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)品品質的話，勢必增大壓縮機的功耗。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低于40丈，對應的分離壓力也不應低于1.17MPa.- 99.6%二級排氣壓力/MPa當其他參數(shù)不變時，壓縮機噴液量與壓縮機排氣溫度及耗功的關系示于。當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，為保證壓縮機安全運行，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)實線選取第二級噴液溫度以控制*終分離出氨氣的濃度達到99.9%.表示優(yōu)化計算中間壓力的結果，圖中實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，觀察液氨的壓縮機能耗的變化情況，計算結果見、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：氨水溶液的露點溫度隨著氨濃度的升高而降低，當氨濃度升至100%時，露點溫度達到*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第二級為單位質量液氨壓縮機能耗與第二級嘖液溫度的關系事實上，對于2個單獨的壓縮機，固定噴液量，改變噴液溫度，液氨的壓縮機功耗，隨噴液溫度的升高而降低，即均應表現(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)濟效益和環(huán)境效益。無油螺桿壓縮機由于其優(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排氣溫度，改變出口含液量，防止溫度過高造成轉子咬合等問題。通過計算可以初步確定噴液量以及壓縮機功耗，并據(jù)此優(yōu)化調整噴液參數(shù)。

　　根據(jù)氨水的性質，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丈對應的壓力為1.18MPa.因此，應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%濃度所對應的臨界溫度時，中間壓力可取為**級噴液溫度越低壓縮機能耗便越低，因此應盡量降低中間冷卻的溫度。假如能將其從45丈降至35丈，便可降低壓縮機能耗約5%.對于含有平衡管的類工藝螺桿壓縮機，不能忽視平衡氣的流量。當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，并進而影響到壓縮機和整個系統(tǒng)的性能指標。