高压甲铵喷射器的性能分析及优化设计

尚迎春，张 范，刘孝弟

(北京航天动力研究所，北京航天石化技术装备工程公司 北京 100076)

高压甲铵喷射器的性能分析及优化设计

尚迎春，张 范，刘孝弟

(北京航天动力研究所，北京航天石化技术装备工程公司 北京 100076)

介绍了高压甲铵喷射器的工作原理，针对某尿素装置高压甲铵喷射器在使用过程中出现出口混合流体压力低于设计值的问题，对其性能进行了分析并进行了优化设计。优化设计后的喷嘴喉道截面面积减小、喷针直径加大，对应工况下的液氨流通面积变小，保证了喷嘴前液氨压力，使高压甲铵喷射器混合物出口压力达到了设计要求。

高压甲铵喷射器；性能分析；优化设计

由合成塔、汽提塔、甲铵冷凝器和分离器组成的高压圈是氨汽提法尿素工艺的核心部分，而高压甲铵喷射器(以下简称高喷)是连接甲铵分离器与合成塔的关键设备，其功能是利用高压液氨的富裕压力提升来自甲铵分离器的甲铵溶液压力，然后送至合成塔中[1]。高喷既保证了合成塔的入料条件，又实现了装置的平面化布置，其升压效果是氨汽提法尿素生产工艺中实现高压合成和反应物回收利用的关键，直接影响后续设备的工作性能、反应物的转化率及回收率，进而影响整套尿素装置的运行质量。

1 工作原理

1.执行机构 2.喷针 3.喷嘴 4.接受室 5.混合室 6.扩散器图1 高喷工作原理示意

高喷的主要部件有气动执行机构、喷针、喷嘴、接受室、混合室及扩散器，其工作原理示意如图1所示。动力流体为高压液氨，引射流体为低压甲铵；液氨的入口压力，即液氨喷嘴前的压力用Pp表示，甲铵的吸入压力用Ph表示。高压液氨经喷嘴高速喷出，压力势能转换为动能，喷嘴后的液氨压力降为Pp1。设计时，一般认为Pp1与Ph相等。液氨通过高速卷吸作用将进入接受室的甲铵液吸走，在混合室中进行速度的均衡，同时伴随压力的升高；然后混合流体进入扩散器，压力继续升高，扩散器出口混合流体的压力用Pc表示。

液氨通过喷嘴时的流量与液氨压力和流通面积有关，其关系如式(1)所示：

(1)

式中：Gp——液氨流量，kg/h；fp1——液氨喷嘴流通面积，m2；φ1——流量系数，一般取0.95[2]； ΔPp=Pp-Ph，Pa；vp——液氨比容，m3/kg。

在实际生产中，需对尿素的产量进行控制，这就要求对进入高喷的液氨和甲铵流量进行调节。为了用同一个喷嘴满足不同的流量要求，需在液氨喷嘴内设置调节喷针，喷针与气动执行机构相连接(图1)，通过气动执行机构控制喷针的轴向位置以调节液氨喷嘴的开度，从而控制液氨的流通面积，使得液氨流量和甲铵流量同时得到调整。调节喷针与液氨喷嘴之间的匹配关系，即可控制液氨流量，从而实现对尿素产量的控制。喷针在不同轴向位置时，高喷具有不同的定性几何尺寸，即混合室截面积与液氨流通面积比(f3/fp1)。

在满足流量的前提下，混合流体压力Pc与甲铵入口压力Ph的压差ΔPc是判定高喷性能的重要参数，该压差越大，可认为高喷升压能力越强，性能越好，反之亦然。对于确定的几何尺寸，Pc与截面积比f3/fp1之间的关系可用特性曲线方程表示[2]：

(2)

式中：ΔPc=Pc-Ph，Pa；f3——混合室喉道截面面积，m2；vh——甲铵比容，m3/kg；vc——混合流体比容，m3/kg；fh1=f3-fp1，m2；u——喷射系数；φ2=0.975；φ3=0.900；φ4=0.925。

2 高喷性能分析

液氨在进入高喷前先经液氨泵加压，再由流量调节阀进入高喷。根据负荷要求，由流量调节阀调节到需要的液氨流量。根据式(1)可知，在液氨流量确定的情况下，喷嘴前液氨压力与液氨流通面积有关，如果液氨流通面积偏大，就会导致液氨喷嘴前压力偏低。另外，甲铵吸入压力Ph由上游设备高压洗涤器决定，对某一负荷工况是定值。

陕西榆林某化肥厂尿素装置选用进口的高喷，其设计参数如表1所示。在实际运行中，高喷出口混合物压力Pc低于设计值，不能满足工艺要求，装置一直处于不稳定的工作状态。

为了对该进口高喷进行性能分析，对其几何尺寸进行了测绘，其结构尺寸参数见表2。

表1 某进口高喷设计参数

表2 某进口高喷结构尺寸参数

根据表1和式(1)可计算得最大和最小负荷下的喷嘴前液氨压力Pp分别为20.33 MPa(绝压)和17.66 MPa(绝压)，均低于表1中的设计值。如前述分析，喷嘴前液氨压力低是由于液氨流通面积偏大所致，同时液氨流通面积偏大也会影响高喷出口压力Pc的变化。在原结构条件下，根据式(2)分别绘制出高喷最大和最小负荷工况下的特性曲线，如图2所示。

图2 截面积比f3/fp1与出口压力Pc关系

由图2可看出：最大负荷时，截面积比f3/fp1为4.57，出口压力Pc为15.52 MPa(绝压)，与设计值15.8 MPa(绝压)存在偏差；最小负荷时，截面积比f3/fp1为9.40，出口压力Pc为14.84 MPa(绝压)，同样低于设计值(15.2 MPa，绝压)。由此可见，由于液氨喷嘴设计不合理，其流通面积偏大，喷嘴前的液氨压力偏低，最终导致高喷出口混合物的压力Pc在最大和最小负荷工况下均低于设计值。

3 结构优化

式中n为与截面积比f3/fp1相关的系数。

根据表1中的设计参数，按照式(1)，可分别计算液氨最大流通面积fp1max和最小流通面积fp1min。以最大负荷作为高喷基础尺寸的设计条件，对式(2)求导可得到最佳截面积比(f3/fp1)opt；在保持高喷混合室喉道面积不变的条件下，可计算各负荷工况下的截面积比f3/fp1。计算结果显示，优化后的液氨流通面积需减小，最简单的措施是加大喷针直径和减小喷嘴的喉道尺寸。

对优化后的几何尺寸分别绘制最大和最小负荷下的特性曲线，优化前后最大和最小负荷特性曲线对比分别如图3和图4所示。

图3 优化前后最大负荷特性曲线对比

图4 优化前、后最小负荷特性曲线对比

高喷经优化后，最大负荷的截面积比5.02为最佳截面积比，出口压力Pc为15.81 MPa(绝压)；最小负荷的截面积比为14.40，出口压力Pc为15.22 MPa(绝压)。由此可见，优化后的高喷出口压力较优化前有不同程度的提高，能满足工艺要求。正常负荷下的截面积比为5.50， 高喷出口压力为15.8 MPa(绝压)，能满足设计要求。

4 结语

优化后的喷嘴喉道截面面积减小、喷针直径加大，对应工况下的液氨流通面积变小，保证了喷嘴前液氨压力，使得高喷混合物出口压力达到了设计要求。经用户反馈，优化后的高喷运行性能达到了有关设计要求，改善了工作性能，能满足实际生产中负荷调节的要求。

[1] 袁一，王文善.化肥工学丛书：尿素[M].北京：化学工业出版社，1997.

[2] 索科洛夫Е Я，津格尔H M.喷射器[M].北京：科学出版社，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—)，硕士研究生，工程师，主要从事喷射器设备的设计工作。

刘孝弟(1958—)，男，博士，研究员；liuxd2006@126.com

TQ441.41

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1006- 7779(2017)02- 0031- 04

2016- 01- 22)