二氧化碳压缩

(二) 螺杆压缩机的基本原理 压缩机的工作原理分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转 子的旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环。下图 深色部分为其中一对齿的三个过程。



吸气过程：二氧化碳气体自进气口吸入，分别进入阴阳转子的 齿间容积。随着转子的旋转，这两个齿间容积不断扩大，该容 积达到最大值时，齿间容积与进气口断开，吸气过程结束。此 时阴阳转子的齿间容积彼此并未连通。 压缩过程：转子继续旋转，阳转子齿间容积中的气体受阴转子 的侵入先行压缩，经某一转角后，阴阳转子间容积连通。呈Y 字形的齿间容积因齿的互相挤入，其容积值逐渐减小，实现了 二氧化碳气体压缩过程，直到该齿间容积与排气口相连通时为 止。 排气过程：在齿间容积与排气口连通后，排气过程即行开始， 由于转子旋转时容积不断缩小，将压缩后具有一定压力的气体 压至排气管。此过程一直延续到该容积达到最小值为止。随着 转子继续旋转，上述三个过程重复进行。 从上述工作原理可以看出，螺杆压缩机是一种作回转运动 的容积式压缩机。气体的压缩依靠容积的变化来实现，而容积 的变化又是借助压缩机的一对转子在机壳内作回转运动来达到。

排气系数按下式计算： λ=λv·λP·λt·λg 式中：λg—气密系数； λt—温度系数； λP—压力系数； λv—容积系数。 以上系数，在有关压缩机的书籍中均有确定方法，如
式中：α—余隙容积占气缸工作容积的百分率，其值一般为0.08 ～0.12； m′—多变指数，近似计算中可用绝热指数k代替。
含二氧化碳气体的压缩
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节
目的与任务 气体压缩的基本原理 CO2需用量 生产过程对CO2的要求 CO2压缩的工艺流程 压缩机的型式及选型 简易工艺计算 压缩机的操作管理
第一节 目的与任务

二氧化碳气体的压缩是纯碱制造过程中的一个重要环节。


对于往复式压缩机的功率计算，则也要因为有余隙的存在而对理 论功的计算公式进行如下修正。修正之处主要是考虑余隙中的气 体对压缩过程所消耗功率的影响。单位时间（每秒种）内活塞对 气体所做的功，称指示功率。 绝热压缩的指示功率Ni(kW)
k p2 Ni P [( ) 1 V k 1 P 1
4 出口气体温度及功率 出口气体温度 压缩机的出气温度与入气温度和压缩比有关， 在绝热条件下： T2=T1(P2/P1) ^[(k-1)/k] 在多变压缩时： T2=T1(P2/P1) ^[(m-1)/m] 式中：T2——出气温度，K； T1——入气温度，K； P1——入气压力（绝压），Pa； P2——出气压力（绝压），Pa； K——气体绝热指数，其中KCO2＝1.3、K空气＝1.40、KNH3 ＝1.29； m——气体多变压缩指数，其大小取决于压缩过程中的冷 却条件，数值在1与K之间。
其任务是借助压缩机的吸气抽吸含二氧化碳气体 （氨碱为：石灰窑窑气及煅烧炉炉气； 联碱为：合成氨来二氧化碳气及煅烧炉炉气）， 并将其压缩到足够克服碳化塔内液柱的静压头及设备管道阻力所 需的压力，同时按碳化所需的气量，将这些气体分别送到碳化清 洗塔及制碱塔的中、下段入口，供碳化制碱之用。
第二节 气体压缩的基本原理

混合气体的绝热指数可按下式计算：

式中：k—混合气体的绝热指数；ki—i组分的绝热指数； yi—混合气体中i组分的分子分数。 对于理想气体的压缩，绝热压缩所消耗的理论功率为
式中：N—绝热压缩过程消耗的理论功率，kW； P1:吸入状态下的气体压力,Pa V1—吸入状态下的体积流量，m3/s。
3.多变压缩: 在压缩过程中，气体的温度和压力同时发生变化，并且 与外界发生热交换，此种过程为压缩的多变过程。这种过程耗功 在等温和绝热过程之间。实际生产中的压缩均属于此种过程。 压缩气体的终温为：
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实际示功图与理论示功图相比较，其主要差别在于： (1)实际示功图中有一条膨胀曲线D—A。这是因为在实际压缩循 环中，活塞作往复运动时其两个端面不能直接碰到气缸盖，即在 盖与活塞之间要有空隙存在，称之为余隙。压缩阶段结束后，当 活塞从位置D回行时，留在余隙中的气体开始膨胀，一直到气体压 强降到比P1小一点，外界气体方能顶开吸气活门而进入气缸内。 (2)实际压缩的吸气与排气阶段的曲线不是水平线，而是稍有弯 曲的波浪形线。这是由于阻力及惯性的影响，吸入及排气活门均 不能及时开关，致使P ’1＜P1，P’2＞P2，以及阀片的惯性震动 ，使曲线呈波浪形。 (3)压缩机在工作中，气缸各部分的温度基本为一稳定值，它高 于气体的吸气温度，低于排气温度。气体在每一循环中，时而受 压缩温度升高，时而膨胀温度降低，传热情况是不断变化的。

制碱厂通常使用的往复式压缩机多是双动往复式压缩机。
2 示功图 理论示功图 气体压缩过程所消耗的功可以用理论示功图表示。横座标为 气缸内气体的容积，纵座标表示气缸内对应于每一活塞位置的气 体压力。 压缩机的理论循环： (1) 压缩机气缸内没有余隙容积，即气体能全部排净。 (2) 吸气与排气阀没有阻力，即没有能量损失。 (3) 气体在压缩过程中按一定规律进行，即压缩指数不变。 (4) 压缩机在工作过程中没有向外泄漏，即进气量和排气量相 等。 (5) 吸气管内气体压力与进入气缸内的气体压力相等，即在吸 气过程中没有压力降低。

式中：m—多变指数。 应该指出，多变压缩有两种情况，当外界取走热量时：1＜m＜k 此时的压缩终温低于绝热压缩，功率消耗也低于绝热压缩。 在压缩过程中，当向气体传热时，则有：k＜m 多变压缩的理论功率消耗可按下式计算：
4.气体压缩曲线图
气体绝热压缩时所作的机械功，即图形ABCD的面积比在等温压 缩时的ABC2D的面积要大多变压缩介于等温和绝热压缩之间，因此 ，多变压缩曲线愈偏近于等温曲线，则其消耗的功也就愈小，反之 所消耗的功就愈多。在实际生产中，为了节省压缩功，通常用冷却 水来冷却压缩机的气缸和压缩后的气体。
一、气体压缩的三种过程 气体具有压缩性，气体的压缩过程将消耗较大的机械功，同 时随着压力的变化，体积和温度也随之改变，气体的压缩过程 可分为等温、绝热或多变三种过程。
1.等温压缩: 气体被压缩时所产生的热量全部传递到外界，气体压 缩前后的温度保持不变，气体压缩指数m＝1。等温压缩所消耗 的压缩功率最小。此过程为一理想过程，在实际生产中是做不 到的。 N=P1V1ln(P2/P1) 式中:P1:压缩前气体压力,Pa; P2:压缩后气体压力,Pa; V1— 吸入状态下的体积流量，m3/s。
A→B表示在吸入压强P1时的吸气过程； B→C表示绝热、多变或等温压缩过程； C—D表示在P2压强下气体的压出过程； D→A表示由压出状态改变为吸入状态。 活塞不断地重复上述动作，即吸气、压缩、排气三个过程而做 功。

实际示功图 实际压缩过程中热交换的情况较复杂，反映在实际示功图上， 可以看到多变曲线指数m不是常数。实际压缩曲线的开始阶段在 绝热线外，后一阶段在绝热线之内。
第三节、 CO2需用量
一、 CO2理论需用量 按分子量计算每制1t纯碱（按99.4%Na2CO3计）需用的CO2量为
折合为415/44=9.434kmol或9.434×22.4=210Nm3 二、氨碱法纯碱生产CO2实际需要量 依进入碳化系统的用途不同分为清洗、中段、下段三段气， 各段须按适当比例合理分配进气量。国内各厂由于流程、设备及 操作条件不尽一致，而有所差异。 如工况：(1)预碳化后液体CO2≮55tt，(2)下段CO2%：85%。一 般数值为以下计算结果：
(三) 离心式压缩机的工作原理 离心式压缩机属于速度式压缩机。 工作时压缩机的叶轮高速旋转，其中的二氧化碳气体受离心 力的作用沿径向方向流出。此时叶轮中心吸入口处的气体减少， 因而形成低压区，进气管里的气体流进来补充，即形成吸气过程。 由于叶轮继续旋转，气体受离心力的作用以及在叶轮作用下的扩 压流动，使气体压力及速度增加。气体以很高速度流出，通过流 通截面逐渐扩大的扩压器，回流器等使气体速度降低，速度能转 化为压力能，从而使压力进一步提高。气体经一级叶轮增压后， 再以接力形式送入下几个叶轮继续压缩，然后送到出气管而排出。
2.绝热压缩: 压缩过程中与外界没有热交换，热量全部用来使气体温度 升高，此时压缩指数为绝热压缩指数m＝K。此种过程消耗功率最大， 也是一种想理过程。因为在实际生产中，热量不可避免会有散失的。 气体的温度升高，压缩气体的终温为：
式中：T1—压缩机吸气绝对温度，K； T2—压缩机排气绝对温度，K； ε—压缩比，ε=P2/P1，P1为吸入压力，P2为排气压力，(均绝对压 力，Pa)； k—绝热指数，对理想气体，其值等于气体等压热容与等容热容之 比。KCO2＝1.3、K空气＝1.40、KNH3＝1.29； 气体的绝热指数k之值与温度有关，计算时可采用吸气和排气平均 温度的数值。


中段气(37.5%) 下段气(85%) 清洗气(37.5%)
510Nm3/t碱 300Nm3/t碱 255Nm3/t碱
氨碱生产过程中CO2循环示意图
三、联碱法纯碱生产CO2实际需要量 合成氨来CO2（68%） 173Nm3/t 合成氨来CO2（98%） 206Nm3/t 煅烧来炉气(86%) 214Nm3/t 68%作为中段气使用。 98%的CO2气和86%的炉气作为下段气使用， 清洗气一般由下段气和氮气配制。
式中：V—气缸每秒的工作容积，(m3/s)； P1—吸入压力，kPa ； P2—排出压力，kPa。
k 1 k
1]

驱动机的轴功率Ne′
式中：ηm—压缩机机械效率，其值为0.8～0.95； ηt—传动效率，其值为0.96～0.99。 此外，在选择原动机的功率时，还应考虑10～25%的裕量，故 驱动压缩机的电动机（或其他原动机）的功率Ne(kW)按下式确定： Ne=1.10～1.25Ne′
3 生产能力及影响因素 生产能力 指单位时间内排出气体的量，是压缩机的主要性能参数之一。 双动往复式压缩机排气量可用下式计算： V=λ(2D2-d2)Sn 式中：V——压缩机排气量（为吸入状态下体积）m3／s λ——排气系数，一般为0.55—0.9 D——气缸直径，m d——活塞杆直径，m S——活塞行程，m n——主轴转数，r／s 影响因素 在实际生产中，影响压缩机的生产能力有下列几个因素： (1)余隙容积；(2)泄漏损失；(3)吸入活门的阻力；(4)吸入气 体的温度；(5)压缩比。
气管中气体的压力及压出活门的阻力时，压缩阶段结束，压出活 门被顶开，气体被压入出气管中，开始进行气体的压出阶段，处 于压出阶段时，气缸中气体的压力维持不变。
1-气缸；2-活塞；3-活塞涨圈； 4-吸入活门； 5-压出活门

双动往复式压缩：活门安装在气缸两侧，当活塞向右移动时，活 塞左侧为吸气过程，右侧为压缩、排气过程。当活塞向左移动时 ，活塞左侧为压缩、排气过程，右侧为吸气过程，活塞在气缸里 往复一次，就进行两次吸入、压缩和排气过程。
二、压缩机的工作原理 各类压缩机按其工作原理区分，分为两大类，即：容积式 压缩机和速度式压缩机。 容积式压缩机是依靠工作容积周期性变化而工作的，例如往复 式压缩机、螺杆压缩机等属于这一类型； 速度式压缩机是依靠叶轮的高速运动而工作的，离心式压缩机 属于这一类型。 (一)往复式压缩机 实现气体压缩的设备最通用的是往复压缩机，它是利用活塞 在气缸内的往复运动而将气体压缩。 1 工作原理 单动压缩：在气缸1中有往复运动的活塞2，活塞上装有弹性涨 圈3使活塞与气缸壁保持严密，使两侧空间达到密封，当活塞 自左向右运动时，气缸中活塞左方的空间压力减小，出气管中 的气体因具有较高的压力而将压出活门5压紧关闭，同时依靠 进气管中气体的压力将吸入活门4顶开，开始吸气阶段。活塞 运动到极右的位置后，转而自右向左运动，缸内气体受到压缩 ，将吸入活门关闭，一直压缩到缸内气体的压力足以克服出