高壓甲銨噴射器的性能分析及優(yōu)化設(shè)計

尚迎春，張 范，劉孝弟

(北京航天動力研究所，北京航天石化技術(shù)裝備工程公司 北京 100076)

高壓甲銨噴射器的性能分析及優(yōu)化設(shè)計

尚迎春，張 范，劉孝弟

(北京航天動力研究所，北京航天石化技術(shù)裝備工程公司 北京 100076)

介紹了高壓甲銨噴射器的工作原理，針對某尿素裝置高壓甲銨噴射器在使用過程中出現(xiàn)出口混合流體壓力低于設(shè)計值的問題，對其性能進(jìn)行了分析并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計后的噴嘴喉道截面面積減小、噴針直徑加大，對應(yīng)工況下的液氨流通面積變小，保證了噴嘴前液氨壓力，使高壓甲銨噴射器混合物出口壓力達(dá)到了設(shè)計要求。

高壓甲銨噴射器；性能分析；優(yōu)化設(shè)計

由合成塔、汽提塔、甲銨冷凝器和分離器組成的高壓圈是氨汽提法尿素工藝的核心部分，而高壓甲銨噴射器(以下簡稱高噴)是連接甲銨分離器與合成塔的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是利用高壓液氨的富裕壓力提升來自甲銨分離器的甲銨溶液壓力，然后送至合成塔中[1]。高噴既保證了合成塔的入料條件，又實(shí)現(xiàn)了裝置的平面化布置，其升壓效果是氨汽提法尿素生產(chǎn)工藝中實(shí)現(xiàn)高壓合成和反應(yīng)物回收利用的關(guān)鍵，直接影響后續(xù)設(shè)備的工作性能、反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率及回收率，進(jìn)而影響整套尿素裝置的運(yùn)行質(zhì)量。

1 工作原理

1.執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2.噴針 3.噴嘴 4.接受室 5.混合室 6.擴(kuò)散器圖1 高噴工作原理示意

高噴的主要部件有氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、噴針、噴嘴、接受室、混合室及擴(kuò)散器，其工作原理示意如圖1所示。動力流體為高壓液氨，引射流體為低壓甲銨；液氨的入口壓力，即液氨噴嘴前的壓力用Pp表示，甲銨的吸入壓力用Ph表示。高壓液氨經(jīng)噴嘴高速噴出，壓力勢能轉(zhuǎn)換為動能，噴嘴后的液氨壓力降為Pp1。設(shè)計時，一般認(rèn)為Pp1與Ph相等。液氨通過高速卷吸作用將進(jìn)入接受室的甲銨液吸走，在混合室中進(jìn)行速度的均衡，同時伴隨壓力的升高；然后混合流體進(jìn)入擴(kuò)散器，壓力繼續(xù)升高，擴(kuò)散器出口混合流體的壓力用Pc表示。

液氨通過噴嘴時的流量與液氨壓力和流通面積有關(guān)，其關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：Gp——液氨流量，kg/h；fp1——液氨噴嘴流通面積，m2；φ1——流量系數(shù)，一般取0.95[2]； ΔPp=Pp-Ph，Pa；vp——液氨比容，m3/kg。

在實(shí)際生產(chǎn)中，需對尿素的產(chǎn)量進(jìn)行控制，這就要求對進(jìn)入高噴的液氨和甲銨流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了用同一個噴嘴滿足不同的流量要求，需在液氨噴嘴內(nèi)設(shè)置調(diào)節(jié)噴針，噴針與氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連接(圖1)，通過氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制噴針的軸向位置以調(diào)節(jié)液氨噴嘴的開度，從而控制液氨的流通面積，使得液氨流量和甲銨流量同時得到調(diào)整。調(diào)節(jié)噴針與液氨噴嘴之間的匹配關(guān)系，即可控制液氨流量，從而實(shí)現(xiàn)對尿素產(chǎn)量的控制。噴針在不同軸向位置時，高噴具有不同的定性幾何尺寸，即混合室截面積與液氨流通面積比(f3/fp1)。

在滿足流量的前提下，混合流體壓力Pc與甲銨入口壓力Ph的壓差ΔPc是判定高噴性能的重要參數(shù)，該壓差越大，可認(rèn)為高噴升壓能力越強(qiáng)，性能越好，反之亦然。對于確定的幾何尺寸，Pc與截面積比f3/fp1之間的關(guān)系可用特性曲線方程表示[2]：

(2)

式中：ΔPc=Pc-Ph，Pa；f3——混合室喉道截面面積，m2；vh——甲銨比容，m3/kg；vc——混合流體比容，m3/kg；fh1=f3-fp1，m2；u——噴射系數(shù)；φ2=0.975；φ3=0.900；φ4=0.925。

2 高噴性能分析

液氨在進(jìn)入高噴前先經(jīng)液氨泵加壓，再由流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)入高噴。根據(jù)負(fù)荷要求，由流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到需要的液氨流量。根據(jù)式(1)可知，在液氨流量確定的情況下，噴嘴前液氨壓力與液氨流通面積有關(guān)，如果液氨流通面積偏大，就會導(dǎo)致液氨噴嘴前壓力偏低。另外，甲銨吸入壓力Ph由上游設(shè)備高壓洗滌器決定，對某一負(fù)荷工況是定值。

陜西榆林某化肥廠尿素裝置選用進(jìn)口的高噴，其設(shè)計參數(shù)如表1所示。在實(shí)際運(yùn)行中，高噴出口混合物壓力Pc低于設(shè)計值，不能滿足工藝要求，裝置一直處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

為了對該進(jìn)口高噴進(jìn)行性能分析，對其幾何尺寸進(jìn)行了測繪，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)見表2。

表1 某進(jìn)口高噴設(shè)計參數(shù)

表2 某進(jìn)口高噴結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

根據(jù)表1和式(1)可計算得最大和最小負(fù)荷下的噴嘴前液氨壓力Pp分別為20.33 MPa(絕壓)和17.66 MPa(絕壓)，均低于表1中的設(shè)計值。如前述分析，噴嘴前液氨壓力低是由于液氨流通面積偏大所致，同時液氨流通面積偏大也會影響高噴出口壓力Pc的變化。在原結(jié)構(gòu)條件下，根據(jù)式(2)分別繪制出高噴最大和最小負(fù)荷工況下的特性曲線，如圖2所示。

圖2 截面積比f3/fp1與出口壓力Pc關(guān)系

由圖2可看出：最大負(fù)荷時，截面積比f3/fp1為4.57，出口壓力Pc為15.52 MPa(絕壓)，與設(shè)計值15.8 MPa(絕壓)存在偏差；最小負(fù)荷時，截面積比f3/fp1為9.40，出口壓力Pc為14.84 MPa(絕壓)，同樣低于設(shè)計值(15.2 MPa，絕壓)。由此可見，由于液氨噴嘴設(shè)計不合理，其流通面積偏大，噴嘴前的液氨壓力偏低，最終導(dǎo)致高噴出口混合物的壓力Pc在最大和最小負(fù)荷工況下均低于設(shè)計值。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

式中n為與截面積比f3/fp1相關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)表1中的設(shè)計參數(shù)，按照式(1)，可分別計算液氨最大流通面積fp1max和最小流通面積fp1min。以最大負(fù)荷作為高噴基礎(chǔ)尺寸的設(shè)計條件，對式(2)求導(dǎo)可得到最佳截面積比(f3/fp1)opt；在保持高噴混合室喉道面積不變的條件下，可計算各負(fù)荷工況下的截面積比f3/fp1。計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的液氨流通面積需減小，最簡單的措施是加大噴針直徑和減小噴嘴的喉道尺寸。

對優(yōu)化后的幾何尺寸分別繪制最大和最小負(fù)荷下的特性曲線，優(yōu)化前后最大和最小負(fù)荷特性曲線對比分別如圖3和圖4所示。

圖3 優(yōu)化前后最大負(fù)荷特性曲線對比

圖4 優(yōu)化前、后最小負(fù)荷特性曲線對比

高噴經(jīng)優(yōu)化后，最大負(fù)荷的截面積比5.02為最佳截面積比，出口壓力Pc為15.81 MPa(絕壓)；最小負(fù)荷的截面積比為14.40，出口壓力Pc為15.22 MPa(絕壓)。由此可見，優(yōu)化后的高噴出口壓力較優(yōu)化前有不同程度的提高，能滿足工藝要求。正常負(fù)荷下的截面積比為5.50， 高噴出口壓力為15.8 MPa(絕壓)，能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

優(yōu)化后的噴嘴喉道截面面積減小、噴針直徑加大，對應(yīng)工況下的液氨流通面積變小，保證了噴嘴前液氨壓力，使得高噴混合物出口壓力達(dá)到了設(shè)計要求。經(jīng)用戶反饋，優(yōu)化后的高噴運(yùn)行性能達(dá)到了有關(guān)設(shè)計要求，改善了工作性能，能滿足實(shí)際生產(chǎn)中負(fù)荷調(diào)節(jié)的要求。

[1] 袁一，王文善.化肥工學(xué)叢書：尿素[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

[2] 索科洛夫Е Я，津格爾H M.噴射器[M].北京：科學(xué)出版社，1977.

PerformanceAnalysisandOptimalDesignofHighPressureAmmoniumCarbamateEjector

SHANG Yingchun, ZHANG Fan, LIU Xiaodi

(Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Corporation, Beijing 100076, China)

The operating principle of high pressure ammonium carbamate ejector is introduced, in connection with the problem that the pressure of the mixed fluids at outlet is lower than design value during use of high pressure ammonium carbamate ejector of a certain urea unit, the performance analysis is carried out and optimal design is proceeded. After optimal design, the sectional area of throat of nozzle is reduced, and diameter of needle is increased, the liquid ammonia flow area in the operating condition is decreased, the liquid ammonia pressure in front of nozzle is ensured, making outlet pressure of mixture of high pressure ammonium carbamate ejector meet the requirements of design.

high pressure ammonium carbamate ejector; performance analysis; optimal design

尚迎春(1984—)，碩士研究生，工程師，主要從事噴射器設(shè)備的設(shè)計工作。

劉孝弟(1958—)，男，博士，研究員；liuxd2006@126.com

TQ441.41

A

1006- 7779(2017)02- 0031- 04

2016- 01- 22)