噴射吸氨器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周祖杰（河北華飛科技咨詢有限責(zé)任公司 河北石家莊050091）

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噴射吸氨器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周祖杰
（河北華飛科技咨詢有限責(zé)任公司 河北石家莊050091）

1　傳統(tǒng)噴射吸氨器結(jié)構(gòu)型式

傳統(tǒng)噴射吸氨器主要由母液進(jìn)口蓋、氨氣進(jìn)入室、母液噴嘴、混合室及擴(kuò)壓器組成，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，母液進(jìn)口蓋末端制成管螺紋，噴嘴旋入與進(jìn)口蓋連接，為保證噴嘴安裝的軸向精度，對(duì)進(jìn)口蓋與噴嘴螺紋的加工精度要求較高。在運(yùn)行過(guò)程中，噴嘴出口因腐蝕和沖刷造成擴(kuò)孔與偏流，嚴(yán)重影響吸氨器的運(yùn)行。為了保證同心度和垂直度，使噴射流始終沿著一根直線前進(jìn)，各部件的連接法蘭要加工成凸凹狀法蘭的密封面。長(zhǎng)期使用后，凸凹連接部生銹、結(jié)垢，緊緊粘連在一起，拆卸不便，造成檢修困難。

2　新型噴射吸氨器的特點(diǎn)

新型噴射吸氨器軸向縱剖面示意見(jiàn)圖2。其設(shè)備能力相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，設(shè)備上封頭、進(jìn)液口和噴嘴連成一體，在噴嘴末端連接直管段，并且插入與筒體相連的定位環(huán)中。此結(jié)構(gòu)不僅在加工過(guò)程中容易保證各部件同心度和垂直度，使噴射流始終沿著一根直線前進(jìn)，而且定位環(huán)的設(shè)計(jì)，在保證安裝過(guò)程中軸向同心度的同時(shí)，可防止在吸氨器運(yùn)行過(guò)程中由于流體高速通過(guò)時(shí)引起振動(dòng)而造成的噴射流偏移。

圖1　新型噴射吸氨器軸向縱剖面示意

3　工藝參數(shù)計(jì)算

對(duì)于年產(chǎn)400 kt純堿企業(yè)，按2次吸氨流程計(jì)算，噴射吸氨器的工藝參數(shù)計(jì)算如下：母液流量V′=0.129 2 m3/s，加10%正波幅后，則母液流量VL=0.142 1 m3/s；母液密度ρL=1 140 kg/m3，則母液質(zhì)量流量WL=161.994 kg/s。按氨氣消耗定額355 kg堿計(jì)，則氨氣質(zhì)量流量WG=4.93 kg/s。

由于噴射吸氨器距離母液桶距離相對(duì)較遠(yuǎn)，取吸氨器總背壓H為196 kPa（20.0 mH2O），經(jīng)換算得母液壓力為223.58 kPa（22.8 mH2O），則母液與氨氣混合后的總質(zhì)量流量W為166.924 kg/s。由于在噴頭處混合介質(zhì)的流速應(yīng)與總背壓相平衡，即：

式中：μ——流出系數(shù)，取0.85；

ν——混合介質(zhì)的流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

由式（1）可求得ν=24.88 m/s。因忽略氨氣進(jìn)入氣室的壓力因素，按動(dòng)量守恒定律（設(shè)母液噴嘴處的流速為νL），則可求得νL=25.64 m/s。

取噴嘴的流出系數(shù)μL=0.95，則噴嘴前母液的壓頭HL=0.4 MPa（37.13 mH2O），即噴射吸氨器母液進(jìn)口壓力不應(yīng)低于0.4 MPa。

原有母液泵揚(yáng)程為80 m，吸氨器母液進(jìn)口壓力控制在0.45～0.50 MPa，能夠滿足噴嘴前母液壓頭的需求。母液溫度為35℃，在此條件下，氨氣的容積流量VG為3.320 5 m3/s，氨氣的密度ρG=1.485 kg/m3。因2次吸氨過(guò)程，對(duì)于單次吸氨母液容積流量不變，氨氣的容積流量基本為總氨氣容積流量的一半，則吸氨器下液喉管的截面積為0.072 44 m2。

大量氨氣被母液高速射流帶入喉管時(shí)，由于實(shí)際進(jìn)口氣氨具有一定壓力，吸氨器安裝高度相對(duì)比較高，有比較長(zhǎng)的下液管，相當(dāng)于高位吸氨器中的大氣腿，對(duì)氨氣也有一定的抽吸作用。由于在下降過(guò)程中，氨氣被吸收，因此，氨氣的流速和流量相應(yīng)提高，所需喉管面積相應(yīng)減小。取吸收效率為0.5，以每次吸氨由3臺(tái)吸氨器來(lái)完成（下同），則單臺(tái)設(shè)備下液喉管直徑D′為0.124 m，圓整為120 mm；單臺(tái)吸氨器噴嘴直徑d為0.048 m，圓整為50 mm。

喉管長(zhǎng)度L可取120 mm，母液進(jìn)口管流速取2.5 m/s，則單臺(tái)吸氨器母液進(jìn)口管直徑dL為0.155 m，圓整為150 mm。擴(kuò)散管出口處考慮氨氣仍未完全溶解于母液中，液體流速取2.5 m/s、氣體取20 m/s，使流體由動(dòng)能轉(zhuǎn)為壓力，則單臺(tái)吸氨器擴(kuò)散管出口直徑DL為0.204 m，圓整為210 mm。

因新型吸氨器為垂直安裝，應(yīng)盡快將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為靜壓能，從而減少不必要的能量損失，故擴(kuò)散管開(kāi)角取24°，則單臺(tái)吸氨器擴(kuò)散管長(zhǎng)度LL為0.235 m，圓整為230 mm。

由于吸氨器安裝位置比較高，下部有超過(guò)3.5 m的垂直下液管，由辛普森通過(guò)試驗(yàn)表明，當(dāng)νL/（gD）0.5＞0.31時(shí)，混入液體中的氣體將被液體帶走。根據(jù)下降管推薦公式，可求得單臺(tái)吸氨器下降管直徑DL′為0.236 m，圓整為230 mm。因其中流體是以水為計(jì)算基礎(chǔ)，用母液應(yīng)用密度進(jìn)行校驗(yàn)，可求得DL′為0.207 m，圓整為210 mm，與擴(kuò)散管出口直徑基本一致，佐證了計(jì)算結(jié)果。

取氨氣進(jìn)口流速為10 m/s，與實(shí)際平均工況相同，則單臺(tái)吸氨器氨氣進(jìn)口管直徑DG為0.266 m，圓整為260 mm。氨氣室環(huán)形通道中氨氣流速不變，仍為10 m/s，取母液噴嘴厚度4 mm，其外徑為128 mm，則單臺(tái)吸氨器氨氣室環(huán)狀氣道最大圓直徑DG′為0.294 m，圓整為300 mm。實(shí)際工況下，為滿足氨氣最低極限流速，減少氨氣總管壓力波動(dòng)對(duì)氨氣室的影響以及設(shè)備制作方面的要求，可適當(dāng)將氨氣室增大，實(shí)際為Φ426 mm× 8 mm。另外，由于去除了氨氣室尾部原有的錐形管結(jié)構(gòu)，新吸氨器在轉(zhuǎn)入喉部前，即混合室前端現(xiàn)有結(jié)構(gòu)完全能夠滿足，故可不必再進(jìn)行錐形管長(zhǎng)度的計(jì)算。

4　新型噴射吸氨器實(shí)際應(yīng)用情況

2013年3月，8臺(tái)材質(zhì)為鈦材的新型噴射吸氨器在石家莊雙聯(lián)化工有限責(zé)任公司投運(yùn)。改造前，合成工段送來(lái)的氣氨送入大小吸氨器（共17臺(tái)）；改造后，2次吸氨共用6臺(tái)新型噴射吸氨器（開(kāi)3備1），母液桶內(nèi)的母液經(jīng)母液泵打入新型噴射吸氨器，吸氨后的母液流入氨母液桶。新型噴射吸氨器投運(yùn)前、后工藝指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1　新型噴射吸氨器投運(yùn)前、后工藝指標(biāo)對(duì)比　mol/L

新型噴射吸氨器投運(yùn)后，其在材質(zhì)、結(jié)構(gòu)上得到優(yōu)化，原有吸氨器運(yùn)行周期短、檢修頻繁以及操作環(huán)境等問(wèn)題均得到很大改善。

收稿日期（2015-08-21）