噴射吸氨器的設計與應用

周祖杰（河北華飛科技咨詢有限責任公司 河北石家莊050091）

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噴射吸氨器的設計與應用

周祖杰
（河北華飛科技咨詢有限責任公司 河北石家莊050091）

1　傳統噴射吸氨器結構型式

傳統噴射吸氨器主要由母液進口蓋、氨氣進入室、母液噴嘴、混合室及擴壓器組成，其結構相對復雜，母液進口蓋末端制成管螺紋，噴嘴旋入與進口蓋連接，為保證噴嘴安裝的軸向精度，對進口蓋與噴嘴螺紋的加工精度要求較高。在運行過程中，噴嘴出口因腐蝕和沖刷造成擴孔與偏流，嚴重影響吸氨器的運行。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，各部件的連接法蘭要加工成凸凹狀法蘭的密封面。長期使用后，凸凹連接部生銹、結垢，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

新型噴射吸氨器軸向縱剖面示意見圖2。其設備能力相對較大，結構相對比較簡單，設備上封頭、進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中。此結構不僅在加工過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，而且定位環的設計，在保證安裝過程中軸向同心度的同時，可防止在吸氨器運行過程中由于流體高速通過時引起振動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　工藝參數計算

對于年產400 kt純堿企業，按2次吸氨流程計算，噴射吸氨器的工藝參數計算如下：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，則母液質量流量WL=161.994 kg/s。按氨氣消耗定額355 kg堿計，則氨氣質量流量WG=4.93 kg/s。

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

式中：μ——流出系數，取0.85；

ν——混合介質的流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81 m/s2。

由式（1）可求得ν=24.88 m/s。因忽略氨氣進入氣室的壓力因素，按動量守恒定律（設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口壓力不應低于0.4 MPa。

原有母液泵揚程為80 m，吸氨器母液進口壓力控制在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次吸氨過程，對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，由于實際進口氣氨具有一定壓力，吸氨器安裝高度相對比較高，有比較長的下液管，相當于高位吸氨器中的大氣腿，對氨氣也有一定的抽吸作用。由于在下降過程中，氨氣被吸收，因此，氨氣的流速和流量相應提高，所需喉管面積相應減小。取吸收效率為0.5，以每次吸氨由3臺吸氨器來完成（下同），則單臺設備下液喉管直徑D′為0.124 m，圓整為120 mm；單臺吸氨器噴嘴直徑d為0.048 m，圓整為50 mm。

喉管長度L可取120 mm，母液進口管流速取2.5 m/s，則單臺吸氨器母液進口管直徑dL為0.155 m，圓整為150 mm。擴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，使流體由動能轉為壓力，則單臺吸氨器擴散管出口直徑DL為0.204 m，圓整為210 mm。

因新型吸氨器為垂直安裝，應盡快將流體動能轉換為靜壓能，從而減少不必要的能量損失，故擴散管開角取24°，則單臺吸氨器擴散管長度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3.5 m的垂直下液管，由辛普森通過試驗表明，當νL/（gD）0.5＞0.31時，混入液體中的氣體將被液體帶走。根據下降管推薦公式，可求得單臺吸氨器下降管直徑DL′為0.236 m，圓整為230 mm。因其中流體是以水為計算基礎，用母液應用密度進行校驗，可求得DL′為0.207 m，圓整為210 mm，與擴散管出口直徑基本一致，佐證了計算結果。

取氨氣進口流速為10 m/s，與實際平均工況相同，則單臺吸氨器氨氣進口管直徑DG為0.266 m，圓整為260 mm。氨氣室環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，則單臺吸氨器氨氣室環狀氣道最大圓直徑DG′為0.294 m，圓整為300 mm。實際工況下，為滿足氨氣最低極限流速，減少氨氣總管壓力波動對氨氣室的影響以及設備制作方面的要求，可適當將氨氣室增大，實際為Φ426 mm× 8 mm。另外，由于去除了氨氣室尾部原有的錐形管結構，新吸氨器在轉入喉部前，即混合室前端現有結構完全能夠滿足，故可不必再進行錐形管長度的計算。

4　新型噴射吸氨器實際應用情況

2013年3月，8臺材質為鈦材的新型噴射吸氨器在石家莊雙聯化工有限責任公司投運。改造前，合成工段送來的氣氨送入大小吸氨器（共17臺）；改造后，2次吸氨共用6臺新型噴射吸氨器（開3備1），母液桶內的母液經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前、后工藝指標對比見表1。

表1　新型噴射吸氨器投運前、后工藝指標對比　mol/L

新型噴射吸氨器投運后，其在材質、結構上得到優化，原有吸氨器運行周期短、檢修頻繁以及操作環境等問題均得到很大改善。

收稿日期（2015-08-21）