单元4任务5计算气体压缩功

*单元4单一化工过程能量衡算1任务5计算气体压缩功知识目标:掌握理想气体三种单级可逆压缩功、理想气体可逆多级最小功的计算方法，熟悉原动机功率估算的方法。能力目标：能用Excel计算理想气体各类压缩功，能用ChemCAD计算气体的各类压缩功。一、

压缩功的计算方法（1）理想气体等温可逆压缩功的计算（2）理想气体单级可逆绝热压缩功的计算（3）理想气体单级可逆多变压缩功的计算（4）多级压缩的必要性（5）多级可逆压缩功的计算（6）理想气体可逆绝热多级压缩最小功的计算（7）级间冷却二、

采用Excel计算各类压缩功三、

采用ChemCAD计算各类压缩功四、

原动机功率的估算返回*单元4单一化工过程能量衡算2一、压缩功的计算方法

☆可逆轴功的计算通式:(1)理想气体等温可逆压缩功(2)理想气体单级可逆绝热压缩功(3)理想气体单级可逆多变压缩功返回*单元4单一化工过程能量衡算3一、

压缩功的计算方法

例4-17设Air初态参数为p1=0.1033MPa,t1=15.6℃。今将1kmol的Air压缩到p2=1.760MPa。试比较等温、绝热和多变过程的理论功耗和终点温度。已知空气的多变指数

=1.25。解：空气在压力较低时可以看成是理想气体，则

(1)等温可逆压缩功(2)单级可逆绝热压缩功=10482.2kJ(3)单级可逆多变压缩功=9155.3kJ*单元4单一化工过程能量衡算4一、

压缩功的计算方法

例4-17压缩过程的终态温度为：绝热压缩:多变压缩:从上面的计算可以看出，在1＜

＜k的条件下，当压缩比一定时，等温压缩的功耗最小终温最低；绝热压缩功耗最大，终温最高；多变压缩功耗和终温介于上述二者之间。

将三种压缩过程描绘于同一p-V图t2=375.8℃

t2=235.8℃

思考:如何减小绝热或多变压缩功?如何降低这两种压缩的终温?返回*单元4单一化工过程能量衡算5一、

压缩功的计算方法措施:采用多级压缩!(4)多级压缩的必要性①降低压缩终温，防止终温过高导致输送物料的反应，甚至发生爆炸，防止润滑油结焦、设备因热胀冷缩而使材质无法承受、高温高压下材料腐蚀等；一般压缩无机气体，如合成氨原料气时，终温不超过140℃，对应的压缩比为3；压缩有机混合气体时，如烃类裂解的气体时，压缩终温一般要求控制在90~100℃，对应的压缩比只有2左右。1-2:可逆等温压缩过程1-2:可逆多变压缩过程1-2:可逆绝热压缩过程*单元4单一化工过程能量衡算6一、

压缩功的计算方法(4)多级压缩的必要性①降低压缩终温②节省压缩功功耗☆原因是多级压缩后可使压缩过程向等温度压缩靠拢;☆可以减小压缩过程余隙造成的影响,提高容积效率。

容积效率=一个循环吸入的新鲜气体积/活塞位移容积吸入的新鲜气体积

V随p2的减小增大③满足不同的工艺要求。返回*单元4单一化工过程能量衡算7一、

压缩功的计算方法(5)多级可逆压缩功的计算

多级可逆压缩的功耗，为各级压缩功耗之和。

(6)理想气体可逆绝热多级压缩最小功的计算以两级压缩为例,关键是如何选择合适的中间压力,使节省下来的面积最大?返回*单元4单一化工过程能量衡算8一、

压缩功的计算方法(6)理想气体可逆绝热多级压缩最小功的计算思考:多级可逆压缩最小功如何计算?结论:各级压缩比(r)相等

返回*单元4单一化工过程能量衡算9一、

压缩功的计算方法(6)理想气体可逆绝热多级压缩最小功的计算☆思考:已知初、终压,如何确定压缩级数?☆液体可逆压缩功的计算若将液体视为不可压缩的流体,则:WS(R)=V

p☆对进出口压差很小的风机可逆压缩功的计算返回*单元4单一化工过程能量衡算10一、

压缩功的计算方法(7)级间冷却

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段(级)间水冷却器的冷却水用量计算,可取整个水冷却器为体系,由热力学第一定律(能量守恒定律)得:

H气+

H水=Q损T压入——下一级(如第二级)压缩机入口气体温度,若不计水冷却器出口管至压缩机入口管之间的热损失,此温度也等于水冷却器出口气体的温度,K；T压出——前一级（如第一级）压缩机段间出口气体温度，同样若忽略管道热损失，此温度也等于水冷却器入口气体的温度，K。

T冷出——水冷却器出口冷却水温度，K；T冷入——水冷却器入口冷却水温度，K；h冷出——水冷却器出口冷却水焓值，kJ/kg；

h冷入——水冷却器入口冷却水焓值，kJ/kg；*单元4单一化工过程能量衡算11二、

采用Excel计算各类压缩功

☆采用Excel进行各类压缩功的计算，只需将上式压缩功计算公式编写成相应的ExcelVBA自定义函数即可例4-18设烃类裂解气(主要是C2H4、C3H6等)初参数p1=0.1MPa,T1=300K。今将1kmol原料气压缩到p2=3.5MPa。试比较等温、绝热压缩过程的理论功耗和终点温度。假设气体的绝热指数k=1.4。若采用多级绝热压缩,压缩比控制在2,你认为采用几级比较合适,并计算出对应的最小可逆压缩功和各段出口温度。返回*单元4单一化工过程能量衡算12三、

采用ChemCAD计算各类压缩功

例4-19使用一个等熵压缩机在60℉、14.7psia下把100lbmol/hr的空气压缩到147psia的压力，通过CHEMCAD模拟该系统。流程图如图6-73所示。

计算结果：压缩机理论功率131.958hp，实际功率175.944hp，物料出口温度688.15℉。

返回*单元4单一化工过程能量衡算13四、

原动机功率的估算

根据气体输送任务选择与之匹配的原动机的功率的一般步骤:①理论功率Nid——压气过程中被压缩的气体所需的最小功率。②指示功率Ni——活塞实际给气体的功率,等温指示效率为0.65~0.76;绝热指示效率为0.85~0.97。③轴功率NF——原动机给压缩机轴的功率,机械效率为0.88~0.92。④原动机的有效功率Ne——原动机必须输出的最小功率。⑤原动机功率N0

返回*单元4单一化工过程能量衡算14四、

原动机功率的估算

补充题:试估算一年产30万吨NH3厂原料气压缩的功率。已知原料煤气消耗为3100Nm3/吨氨,初始状态为0.1MPa,300K,合成工段为32MPa,气体视为ig,流量不变,一年按300天计,压缩机为7段。解:方法一,以等温可逆压缩为估算起点Ni,T=Nid,T/

i,T=2.3045104/0.65=3.5454104kWNF=Ni,T/

m=3.5454104/0.88=4.0289104kWN0=1.1NF=1.14.0289104=4.432104kW返回*单元4单一化工过程能量衡算15四、

原动机功率的估算

补充题:试估算一年产30万吨NH3厂原料气压缩的功率。已知原料煤气消耗为3100Nm3/吨氨,初始状态为0.1MPa,300K,合成工段为32MPa,气体视为ig,流量不变,一年按300天计,压缩机为7段。方法二,以可逆绝热压缩为估算起点Ni,s=Nid,s/

i,s=2.5984104/0.85=3.0570104kWNF=Ni,s/

m=3.0570104/0.88=3.4738104kWN0=1.2NF=1.23.47