影响甲铵喷射器能效因素分析

1、概述 甲铵喷射器300J01是斯那姆氨气提法生产尿素工艺的一个的重要设备，其工作原理和普通喷射器没有太大的区别。它利用高压氨泵提供的液氨在喷射器内高速喷出，从而在喷嘴处形成负压区，将气液分离器V01内的甲铵溶液带入合成塔R01再反应。调节气液分离器V01的液位是通过开关喷射器喷嘴，提高/降低喷射器PZ09206入口压力来实现的。实际的工艺流程和控制如图1所示。我厂在实际的运行中，由于生产负荷提高，气液分离器V01液位经常出现满液，继续提高高压氨泵出口压力受设备和工艺的限制，因此，提高喷射器的能效是一个较为紧迫的工作。 2、影响甲铵喷射器能效的因素 2、1加工因素 在历年的大修中，由于需要对合成塔进行通风，所以每次大修都要将甲铵喷射器的喷嘴/导流孔（为一体安装）组件拆下，在最近几年由于喷嘴/导流孔组件变形异常，每次拆下后都要更换为新加工件。对拆下的喷嘴/导流孔组件进行检查，用肉眼可以看到喷嘴/导流孔组件和阀芯明显变形。以前一直没有找到具体的原因，在2006年7月装置大修时，经过仔细测量和检查，发现加工的喷嘴/导流孔组件尺寸有较大的误差。如图2所示， L1比实际需要的尺寸多了3mm，由于前端的定位凸台已经到位，而后端有3mm的余量，在安装的时候，安装人员考虑到介质为高压液氨，如果外漏则需要停车处理，因此都紧得比较死。因为受力过大，喷嘴/导流孔组件从最薄弱的导流孔处发生挤压变形，导流孔变形，使导流发生变化，同时，导流孔变形，导致喷射器阀芯变形、偏心，其结果是喷射器真空腔内形成的负压区不稳定。而且，调节喷射压力的阀芯选用的是316L不锈钢，根据资料查得：316L不锈钢的屈服强度σ0.2＝175N/mm2，抗拉强度σb＝480N/mm2。而316不锈钢的屈服强度σ0.2＝205N/mm2，抗拉强度σb＝520N/mm2。比较而言，316L的强度较低，同时因为大修清洗中压冷凝器300E06里面的锈垢等杂质撞击，阀芯头部弯曲变形，更使喷射器工作区发生偏移，加上吸入的甲铵溶液的扰流，使形成的负压区发生变化。而且，由于L1的尺寸过大，虽然挤压变形后有微量减小，但仍然使喷嘴后移约2.5mm，高压液氨在高速喷射时真空腔内产生的负压有所减小，影响到喷射器的能效。此外，由于定位凸台已定位，定位凸台不能起到密封作用，而密封垫却没有起到密封作用，使少量的液氨从密封垫处泄漏到喷射器真空腔内，也导致喷射器真空腔内的负压减小，在2006年大修中，我们将L1的尺寸缩小2.5mm，使喷嘴前移，并消除喷嘴/导流孔变形，密封垫能密封了，这时，喷射器的负压明显提高。在开车后，高压氨泵的出口压力PT09206从原来的23Mpa下降到22.2Mpa就可以满足工艺运行要求，喷射效果也有很大改善。 2、2工艺操作因素 从流体力学和喷射理论来分析，当动力介质一定的时候，吸入介质的浓度、密度和粘度等都是影响吸入量的主要因素。喷射器的原理是用一种高速流体作为动力，使另外一种低速或静态介质达到需要的流速或流量。从图3可以看到，高压液氨经过液氨进口从喷嘴处高速喷出，甲铵喷射器的主动力源就是高压液氨，吸入介质是甲铵溶液。所以我们主要对甲铵溶液的浓度、密度和粘度几个因素进行分析。 首先，从工艺流程看：甲铵溶液是中压吸收塔T01底部的碳铵溶液通过高压甲铵泵P02和甲铵喷射器送回高压系统的。根据反应机理，在系统负荷一定（或者说合成塔反应率一定）时，汽提塔E01流出物的全部CO2在中压吸收塔T01处返回高压系统，其返回量基本为定量；而E01流出物中的NH3返回高压系统有两个途径：一个是以中压吸收塔的碳铵形式，另一个是在后段以纯液氨的形式。那么，就中压吸收而言，因为合成塔控制水量，返回的水量也基本一定，水碳比也就固定，而氨碳比则是变量。因此，碳铵溶液的浓度基本上是以氨碳比为控制点的，当然，实际操作中，水碳比和氨碳比基本上都是比较稳定的，但理论上，氨碳比越高，后面产生的碳铵溶液浓度越大。碳铵溶液在碳铵盐混合器M02中和汽提塔E01汽提出来的NH3，CO2及少量水进行混合后，甲铵溶液的浓度将会更高。 以喷射器原理进行微观分析：高速液氨分子在喷嘴处撞击甲铵分子和水分子，但液氨分子的动量远大于水分子的动量，所以液氨分子和水分子在混合的同时会沿液氨分子的运动轨迹运动。但是，甲铵分子动量相对来说要大于水分子，液氨分子撞击甲铵分子时就会发生运动轨迹偏离，在一定程度上还会影响氨/水混合物的运动。因此当液氨的射流速度和流量一定时，甲铵溶液的浓度越大，甲铵分子越多，实际上带入的甲铵分子和水分子却越少，喷射效果就越差。 而且，对甲铵溶液来说，不论是密度还是粘度，都和溶液的浓度有直接的联系。因此，甲铵溶液的浓度高，喷射器的喷射效果就偏低，要提高喷射效果，需要降低甲铵溶液的浓度，而这个浓度要根据合成塔的需要来调整，使其达到一个最佳比例。在实际操作中，甲铵溶液浓度的调整余量并不大，那么，从工艺操作的角度来提高喷射器的喷射能效基本上就不具备条件。 2、3设备因素 在以前的检修中，我们只把喷射器喷射效果差的原因集中在喷嘴组件上，在2005年大修时，我们将喷射器的喷嘴直径фA从16.4mm扩大到16.7mm，喷射器的喷射效果有一定好转。改进前后的喷射效果对比见表1。 表1 喷射器喷射效果对比 以此类推，我们认为可以继续适当扩大喷嘴的口径，因为扩大喷嘴口径实质上是增加液氨的流通面积，使喷嘴上产生的压降减小，前端高压氨泵在转速一定时所提供的流量是固定的，换句话说，从高压氨泵来的液氨所具有的动能是一定的，根据能量损失计算公式H＝ΔP/r（r：密度），ΔP小，能量损失小。就喷射器而言，在喷嘴处的能量损失小，间接的等于提高了喷射器的动力，提高喷射器动力，可以增加喷射器负压区的负压。所以，适当扩大喷嘴的直径可以在一定程度上提高喷射效果。 在经过理论核算和2006年大修的实践检验证明，影响喷射器的喷射效果并不只是喷嘴，而和整个管道都有关系，主要是从喷嘴到合成塔进料分布器这一段。合成塔进料分布器，，其结构实质上是在管道的终端均匀分布着140多个Φ10mm的小孔，根据流体小孔流量方程Q＝0.525Cfd0（ρΔP）1/2（式中Q：流量 Cf：流量系数 d0：孔径 ρ：密度 ΔP：压降 ）可以推出：当喷射器来的甲铵/液氨混合物的流量一定即Q一定时，d0越大，所需要的压降越小。在分布器前端的管道相当的短，在管道上的压降几乎可以忽略不计，所以，从喷射器出来到分布器这一段，混合物的压头有一部分损失在分布器上。2006年大修，我们把分布器的流通孔由原来的Φ10mm扩大到Φ12mm，开车后喷射器的喷射效果明显好转，高压氨泵的出口压力PT09206由23Mpa下降到22.2Mpa，气液分离器V01的液位从原来的60%下降到30%左右。 除了喷嘴和分布器，还有喷射器的出口段也对喷射器的喷射效果也有影响。从喷射器的原理分析，如果喷射器出口流通能力固定，提高进口压力到一定程度后，喷射效果不再有很明显的提高。因为在管道流动中，如果流体呈紊流状态，在一定范围内增加压力，流量不会有大的变化。流体是否呈紊流，主要取决于流体的雷洛数Re，Re越大，流体越趋向于紊流。从流量方程Q＝a•A（2gΔP/r）1/2、Q＝V•A得：V＝a（2gΔP/r）1/2（a：系数 A：流通面积），流速和压差、流量都有关系：等流量时，压差越大，流速越高；等压差时，流量越大，流速越高。而Re＝ρVL/μ（式中V：特征流速 L：开展长度），流速越高，流体就越有可能出现紊流，根据大致核算，喷射器出口处文丘里管内的介质流速达到45m/s以上。此外，出口的开展长度越大，流体也有越可能出现紊流。如果流体进入紊流状态，反而会在一定程度上限制流速和流量。这种情况，可以采取适当增加喷射器出口直径的方法，在同样的流速下，可以提高流量和降低在出口段的压头损失。需要注意的是，当动力流体液氨的流速较低或流量较小时，增大喷射器出口流通面积反而会造成负压区的负压不足，降低喷射器的喷射效果。另一种办法是适当缩短喷射器出口的文丘里管的长度，使喷射器出口迅速扩压，降低流速，同样可以达到提高喷射效果的目的，这从四川某同类厂的技改效果中已经得到验证。 3、结束语 喷射器喷射效果的好坏，影响到系统的运行负荷，危及到高压氨泵的运行安全，通过对影响喷射器能效的因素进行分析，可以看出，影响甲铵喷射器喷射效果的几个主要因素都是可以解决的，而且我们也解决了一部分，实践证明是可行的，使甲铵喷射器的能效在原有的基础上有很大的提高。