1、概述 甲銨噴射器300J01是斯那姆氨氣提法生產(chǎn)尿素工藝的一個的重要設(shè)備，其工作原理和普通噴射器沒有太大的區(qū)別。它利用高壓氨泵提供的液氨在噴射器內(nèi)高速噴出，從而在噴嘴處形成負(fù)壓區(qū)，將氣液分離器V01內(nèi)的甲銨溶液帶入合成塔R01再反應(yīng)。調(diào)節(jié)氣液分離器V01的液位是通過開關(guān)噴射器噴嘴，提高/降低噴射器PZ09206入口壓力來實現(xiàn)的。實際的工藝流程和控制如圖1所示。我廠在實際的運行中，由于生產(chǎn)負(fù)荷提高，氣液分離器V01液位經(jīng)常出現(xiàn)滿液，繼續(xù)提高高壓氨泵出口壓力受設(shè)備和工藝的限制，因此，提高噴射器的能效是一個較為緊迫的工作。 2、影響甲銨噴射器能效的因素 2、1加工因素 在歷年的大修中，由于需要對合成塔進(jìn)行通風(fēng)，所以每次大修都要將甲銨噴射器的噴嘴/導(dǎo)流孔（為一體安裝）組件拆下，在最近幾年由于噴嘴/導(dǎo)流孔組件變形異常，每次拆下后都要更換為新加工件。對拆下的噴嘴/導(dǎo)流孔組件進(jìn)行檢查，用肉眼可以看到噴嘴/導(dǎo)流孔組件和閥芯明顯變形。以前一直沒有找到具體的原因，在2006年7月裝置大修時，經(jīng)過仔細(xì)測量和檢查，發(fā)現(xiàn)加工的噴嘴/導(dǎo)流孔組件尺寸有較大的誤差。如圖2所示， L1比實際需要的尺寸多了3mm，由于前端的定位凸臺已經(jīng)到位，而后端有3mm的余量，在安裝的時候，安裝人員考慮到介質(zhì)為高壓液氨，如果外漏則需要停車處理，因此都緊得比較死。因為受力過大，噴嘴/導(dǎo)流孔組件從最薄弱的導(dǎo)流孔處發(fā)生擠壓變形，導(dǎo)流孔變形，使導(dǎo)流發(fā)生變化，同時，導(dǎo)流孔變形，導(dǎo)致噴射器閥芯變形、偏心，其結(jié)果是噴射器真空腔內(nèi)形成的負(fù)壓區(qū)不穩(wěn)定。而且，調(diào)節(jié)噴射壓力的閥芯選用的是316L不銹鋼，根據(jù)資料查得：316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度σ0.2＝175N/mm2，抗拉強(qiáng)度σb＝480N/mm2。而316不銹鋼的屈服強(qiáng)度σ0.2＝205N/mm2，抗拉強(qiáng)度σb＝520N/mm2。比較而言，316L的強(qiáng)度較低，同時因為大修清洗中壓冷凝器300E06里面的銹垢等雜質(zhì)撞擊，閥芯頭部彎曲變形，更使噴射器工作區(qū)發(fā)生偏移，加上吸入的甲銨溶液的擾流，使形成的負(fù)壓區(qū)發(fā)生變化。而且，由于L1的尺寸過大，雖然擠壓變形后有微量減小，但仍然使噴嘴后移約2.5mm，高壓液氨在高速噴射時真空腔內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)壓有所減小，影響到噴射器的能效。此外，由于定位凸臺已定位，定位凸臺不能起到密封作用，而密封墊卻沒有起到密封作用，使少量的液氨從密封墊處泄漏到噴射器真空腔內(nèi)，也導(dǎo)致噴射器真空腔內(nèi)的負(fù)壓減小，在2006年大修中，我們將L1的尺寸縮小2.5mm，使噴嘴前移，并消除噴嘴/導(dǎo)流孔變形，密封墊能密封了，這時，噴射器的負(fù)壓明顯提高。在開車后，高壓氨泵的出口壓力PT09206從原來的23Mpa下降到22.2Mpa就可以滿足工藝運行要求，噴射效果也有很大改善。 2、2工藝操作因素 從流體力學(xué)和噴射理論來分析，當(dāng)動力介質(zhì)一定的時候，吸入介質(zhì)的濃度、密度和粘度等都是影響吸入量的主要因素。噴射器的原理是用一種高速流體作為動力，使另外一種低速或靜態(tài)介質(zhì)達(dá)到需要的流速或流量。從圖3可以看到，高壓液氨經(jīng)過液氨進(jìn)口從噴嘴處高速噴出，甲銨噴射器的主動力源就是高壓液氨，吸入介質(zhì)是甲銨溶液。所以我們主要對甲銨溶液的濃度、密度和粘度幾個因素進(jìn)行分析。 首先，從工藝流程看：甲銨溶液是中壓吸收塔T01底部的碳銨溶液通過高壓甲銨泵P02和甲銨噴射器送回高壓系統(tǒng)的。根據(jù)反應(yīng)機(jī)理，在系統(tǒng)負(fù)荷一定（或者說合成塔反應(yīng)率一定）時，汽提塔E01流出物的全部CO2在中壓吸收塔T01處返回高壓系統(tǒng)，其返回量基本為定量；而E01流出物中的NH3返回高壓系統(tǒng)有兩個途徑：一個是以中壓吸收塔的碳銨形式，另一個是在后段以純液氨的形式。那么，就中壓吸收而言，因為合成塔控制水量，返回的水量也基本一定，水碳比也就固定，而氨碳比則是變量。因此，碳銨溶液的濃度基本上是以氨碳比為控制點的，當(dāng)然，實際操作中，水碳比和氨碳比基本上都是比較穩(wěn)定的，但理論上，氨碳比越高，后面產(chǎn)生的碳銨溶液濃度越大。碳銨溶液在碳銨鹽混合器M02中和汽提塔E01汽提出來的NH3，CO2及少量水進(jìn)行混合后，甲銨溶液的濃度將會更高。 以噴射器原理進(jìn)行微觀分析：高速液氨分子在噴嘴處撞擊甲銨分子和水分子，但液氨分子的動量遠(yuǎn)大于水分子的動量，所以液氨分子和水分子在混合的同時會沿液氨分子的運動軌跡運動。但是，甲銨分子動量相對來說要大于水分子，液氨分子撞擊甲銨分子時就會發(fā)生運動軌跡偏離，在一定程度上還會影響氨/水混合物的運動。因此當(dāng)液氨的射流速度和流量一定時，甲銨溶液的濃度越大，甲銨分子越多，實際上帶入的甲銨分子和水分子卻越少，噴射效果就越差。 而且，對甲銨溶液來說，不論是密度還是粘度，都和溶液的濃度有直接的聯(lián)系。因此，甲銨溶液的濃度高，噴射器的噴射效果就偏低，要提高噴射效果，需要降低甲銨溶液的濃度，而這個濃度要根據(jù)合成塔的需要來調(diào)整，使其達(dá)到一個最佳比例。在實際操作中，甲銨溶液濃度的調(diào)整余量并不大，那么，從工藝操作的角度來提高噴射器的噴射能效基本上就不具備條件。 2、3設(shè)備因素 在以前的檢修中，我們只把噴射器噴射效果差的原因集中在噴嘴組件上，在2005年大修時，我們將噴射器的噴嘴直徑фA從16.4mm擴(kuò)大到16.7mm，噴射器的噴射效果有一定好轉(zhuǎn)。改進(jìn)前后的噴射效果對比見表1。 表1 噴射器噴射效果對比 以此類推，我們認(rèn)為可以繼續(xù)適當(dāng)擴(kuò)大噴嘴的口徑，因為擴(kuò)大噴嘴口徑實質(zhì)上是增加液氨的流通面積，使噴嘴上產(chǎn)生的壓降減小，前端高壓氨泵在轉(zhuǎn)速一定時所提供的流量是固定的，換句話說，從高壓氨泵來的液氨所具有的動能是一定的，根據(jù)能量損失計算公式H＝ΔP/r（r：密度），ΔP小，能量損失小。就噴射器而言，在噴嘴處的能量損失小，間接的等于提高了噴射器的動力，提高噴射器動力，可以增加噴射器負(fù)壓區(qū)的負(fù)壓。所以，適當(dāng)擴(kuò)大噴嘴的直徑可以在一定程度上提高噴射效果。 在經(jīng)過理論核算和2006年大修的實踐檢驗證明，影響噴射器的噴射效果并不只是噴嘴，而和整個管道都有關(guān)系，主要是從噴嘴到合成塔進(jìn)料分布器這一段。合成塔進(jìn)料分布器，，其結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是在管道的終端均勻分布著140多個Φ10mm的小孔，根據(jù)流體小孔流量方程Q＝0.525Cfd0（ρΔP）1/2（式中Q：流量 Cf：流量系數(shù) d0：孔徑 ρ：密度 ΔP：壓降 ）可以推出：當(dāng)噴射器來的甲銨/液氨混合物的流量一定即Q一定時，d0越大，所需要的壓降越小。在分布器前端的管道相當(dāng)?shù)亩蹋诠艿郎系膲航祹缀蹩梢院雎圆挥嫞裕瑥膰娚淦鞒鰜淼椒植计鬟@一段，混合物的壓頭有一部分損失在分布器上。2006年大修，我們把分布器的流通孔由原來的Φ10mm擴(kuò)大到Φ12mm，開車后噴射器的噴射效果明顯好轉(zhuǎn)，高壓氨泵的出口壓力PT09206由23Mpa下降到22.2Mpa，氣液分離器V01的液位從原來的60%下降到30%左右。 除了噴嘴和分布器，還有噴射器的出口段也對噴射器的噴射效果也有影響。從噴射器的原理分析，如果噴射器出口流通能力固定，提高進(jìn)口壓力到一定程度后，噴射效果不再有很明顯的提高。因為在管道流動中，如果流體呈紊流狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)增加壓力，流量不會有大的變化。流體是否呈紊流，主要取決于流體的雷洛數(shù)Re，Re越大，流體越趨向于紊流。從流量方程Q＝a•A（2gΔP/r）1/2、Q＝V•A得：V＝a（2gΔP/r）1/2（a：系數(shù) A：流通面積），流速和壓差、流量都有關(guān)系：等流量時，壓差越大，流速越高；等壓差時，流量越大，流速越高。而Re＝ρVL/μ（式中V：特征流速 L：開展長度），流速越高，流體就越有可能出現(xiàn)紊流，根據(jù)大致核算，噴射器出口處文丘里管內(nèi)的介質(zhì)流速達(dá)到45m/s以上。此外，出口的開展長度越大，流體也有越可能出現(xiàn)紊流。如果流體進(jìn)入紊流狀態(tài)，反而會在一定程度上限制流速和流量。這種情況，可以采取適當(dāng)增加噴射器出口直徑的方法，在同樣的流速下，可以提高流量和降低在出口段的壓頭損失。需要注意的是，當(dāng)動力流體液氨的流速較低或流量較小時，增大噴射器出口流通面積反而會造成負(fù)壓區(qū)的負(fù)壓不足，降低噴射器的噴射效果。另一種辦法是適當(dāng)縮短噴射器出口的文丘里管的長度，使噴射器出口迅速擴(kuò)壓，降低流速，同樣可以達(dá)到提高噴射效果的目的，這從四川某同類廠的技改效果中已經(jīng)得到驗證。 3、結(jié)束語 噴射器噴射效果的好壞，影響到系統(tǒng)的運行負(fù)荷，危及到高壓氨泵的運行安全，通過對影響噴射器能效的因素進(jìn)行分析，可以看出，影響甲銨噴射器噴射效果的幾個主要因素都是可以解決的，而且我們也解決了一部分，實踐證明是可行的，使甲銨噴射器的能效在原有的基礎(chǔ)上有很大的提高。