喷射器设计
喷射器,并对其工作压力进行了核定,对于小氮肥厂解决再生的问题具有指导意义。
关键词 脱硫再生 喷射器 喷嘴
1 设计原因
我厂曾经脱硫效果不佳,脱硫后气体中ρ(H2S)长时间超过0.1 g/m3,导致中变一段触媒只使用3个月就失效。原因是脱硫再生效果差,主要有以下表现:
a)贫液混浊度极高,且再生后硫泡沫少;
b)喷射器反喷,器壁弹溅严重;
c)每天回收硫磺量只有40 kg左右。
经分析,认为导致再生效果差的根本原因是喷射器工作不稳定,吸入的空气量不够,因此必须重新设计喷射器。
2 已知设计条件
a)脱硫液流量为190 m3/h;
b)测定脱硫液密度为1100 kg/m3;
c)喷射器总个数为8个;
d)再生液位正常高度4.5 m。
3 喷射器的设计计算
3·1 喷嘴进口压力的核定及喷嘴直径的选定
由参考文献〔1〕可知符合判据
Cri2
Cri1=1.75/AR-1.07/A2R
Cri2=-ρMR-PSlnPB/PS+φ21(1+MR)×(1+ρMR)2/A2R 又有AR=AD/Ad ρ=ρm/ρe -PS=PS/(PM-PS)
Δ-PB=(PB-PS)/(PM-PS)
其中:MR———气液质量比;
AD———喷嘴口截面积;
Ad———喉管截面积;
ρm、ρe———液、气体密度;
PB———背压;
PS———抽吸压力;
PM———喷嘴进口压力;
ΔPB———无因次化压力。
3·1·1 MR的计算
一般,氨水液相催化法的硫容量为0.15~0.2 g/L,取0.2 g/L。氧化1 kgH2S需理论空气量1.57 m3(标),实际空气量可取理论的8倍,则再生空气用量为:
0.2×190×1.57×8=477.3 m3/h
ρe=1.293 kg/m3
MR=477.3×1.293/(190×1100)=2.95×10-3 3·1·2 喷嘴进口压力PM的核定及喷嘴直径的选定
a)Δ-PB
b)Δ-PB>Cri2-PS=PS/(PM-PS) = 10. 03/(PM-10·03)
PB=4.5×1.1=5 mH2O柱(表压)
ρ=ρm/ρe=1100/1.293=850.7
一般 φ1=0.95
Cri2 =-ρMR-PSlnPB/PS+φ21(1+MR)×(1+ρMR)2/A2R=- 850.7×2.95×10-3×10.03PM-10.03×ln10.33+510.33-0.3+0·952×(1+2·95×10-3)×(1+850.7×2.95×10-3)/A2R
即
-10.68/(PM-10.03)+11.122/A2R
即 PM=5.3/Δ-PB-0.3 (3)
一般脱硫液中固体颗粒较多,喷嘴口直径可适当大一些,取d=20 mm,喉管直径取D=70 mm。
AR=AD/Ad=702/202=12.25
将AR代入(1)式,并联合(3)式可得喷射器不产生反喷的条件是PM>0.38MPa(表压)。
将AR代入(2)式,并联合(3)式可得喷射液体直接越过喉管进入混合室条件是PM>7.49 MPa(表压),此时,抽吸压力不稳定,喷射器不能稳定工作,实际生产中,不可能出现这种状况,因此,不再讨论这种工况。 3·1·3 再生泵出口压力P1的计算
已有管路由下列管道及管件组成,并查得相应管件的阻力系数[2]。
a)泵出口一段长1m,直径为125mm的直管,1个90°的标准弯头ζ=0.75,一个突然扩大ζ=0.25,一个DN=125 mm闸阀全开ζ=0.17; b)总管长18 m,直径250 mm,4个标准弯头ζ=4×0.75=3;
c)喷嘴支管直径70 mm,有一个截止阀,全开ζ=6.4。
管线流程图见图1。设定3个界面,界面1指泵出口,界面2指突然扩大,界面3指喷嘴进口。
a)在界面1与界面2外侧间作机械能衡算:
3·3 喷嘴与喉管间的距离LC
LC的长度不够将可能影响抽气量,在此取喉管直径的2倍,即140 mm。 3·4 喉管长度
喉管太短,不利于气体均匀分散,在尾管中,容易形成气阻,最后形成“死气”,引起反喷。经验表明,一般喉管长度800~1000 mm已足够。
3·5 吸引室
采用内径为250 mm,长为400 mm的钢管缩口制作即可。
原结构采取侧面进气,如图2,在“死角”区域,气体不流动,H2S浓度高,对喷嘴进口管腐蚀严重,常常导致其穿孔。因此,改由上部进气,消除“死角”,以保护喷嘴。 4 效果分析
该喷射器组,经1a左右的运行,工作状态稳定,各项指标明显改善。
a)正常生产中,不再有反喷、器壁弹溅现象。
b)再生后,硫泡沫大大增加,每天能回收250 kg左右的硫磺。
c)再生后,溶液混浊度明显降低。
d)中变触媒使用了1a,未出现失活现象。
e)采集部分脱硫后气体中H2S含量数据如表2。
以上现象和数据表明,设计符合生产实际,脱硫效果达到指标要求。不但延长了中
变触媒的使用寿命,减少了设备的腐蚀,而且降低了后工段脱硫的负荷。对稳定生产起到了非常重要的作用。
5 总结
喷射器是脱硫再生的核心部件,其工作状态直接影响着再生效果。其工作状态是否稳定主要与下列因素有关:①喷射器的进口压力,②喷射器的安装高度,③再生液位高度,④喷嘴直径,⑤喉管直径。
1.3.1 喷射器参数计算
喷射器结构示意见图2。喷射器是喷射再生的关键，它直接影响到吸入空气量的多少。改造设计参考了有关文献资料和兄弟厂家的成功经验，对喷射器设计进行了优化。其主要参数选择及计算如下。
1.3.1.1 喷嘴计算
a)喷嘴个数。按照文献，喷射器喷嘴个数按公式(2-1)计算：
n=LT／Li (2—1)
式中，
n——喷射器喷嘴个数，个，
LT——脱硫液的循环量，m3／h。
根据现有的生产实际情况，脱硫液的循环量LT按400m3／h计；
Li——每个喷射器溶液处理量，m3／h。
取Li＝50m3／h。
故，
n＝400／50=8(个)
b)喷嘴孔径。喷嘴孔径的计算可按公式(2—2)：
di＝(Li／(0.785×3600×vi))0.5 (2—2)
式中，
di——喷嘴孔径，m；
Li——每个喷射器溶液处理量，m3／h。已取Li＝50m3／h；
Vi——喷嘴流速vi，m／s。现按20m／s设计(一般为17～20 m／s)； 故，
di＝(50／(0.785×3600×20))0.5＝0.0297(m)
实际选取di＝0.030m。
c)喷嘴孔长度。为减少液体阻力，增加流量系数，喷嘴采用整体流线型结构。为加工方便，直接钻孔，喷孔为短圆柱管嘴，喷孔为喷嘴孔径的2～2.5倍，根据生产实际经验取L=0.050m。
d)脱硫液入口管直径。按照文献，脱硫液入口管直径dL通常取3倍喷嘴孔径di。故，
dL=3di=3×0.030＝0.090(m)
实际选取φ108管。
1.3.1.2 混合管(喉管)计算
a)喉管直径。根据有关资料介绍，喷嘴截面与喉管截面之比约为0.11～
0.13。现取比值为0.11，则喉管截面dm计算为：
dm＝(di2／0.11)0.5=0.090m
实际选取φ108管。
b)喉管长度。喉管长度Lm可按Lm=1.8～2.1m选取，现取Lm＝2m。
1.3.1.3 扩散管计算
文献规定，扩散管截面与喉管截面之比为3.4～4.0，扩散管角度α＝2.5°。 由此可计算得出扩散管尺寸de＝0.2 m，实际选取φ219管。
设计时取扩散管长度为1m。
1.3.2 喷射再生槽计算
喷射再生槽的结构示意见图3。其相关特性参数计算选取如下。
1.3.2.1 喷射再生槽直径
喷射再生槽直径相关计算公式如(2—3)、(2—4)：
D1=(GA／0.785Ai)0.5 (2—3)
GA=LT·Ci (2—4)
上述式中，
D1——槽体直径，m；
AAi——再生槽吹风强度，m3／(m2·h)。Ai一般为70～120m3／(m2·h)，这里取100m3／(m2·h)；
Ci——喷射器抽吸系数，m3／m3。设Ci＝4.0m3／m3；
LT——脱硫液的循环量，已知按400m3／h计。
故，
D1＝[400×4／(0.785×100)]0.5=4.51(m)
实际选取D1＝4.5m
1.3.2.2 扩大部分直径
按照文献，扩大部分直径D2按D2=1.0+D1计算。故，
D2＝1.0+D1＝1.0+4.5＝5.5(m)
1.3.2.3 再生槽高度
再生槽高度HT的相关计算公式为：
HT＝H1+H2+H3 (2—
5)
上公式中，
H1——再生槽有效高度，m；
LT——脱硫液的循环量，已知按400m3／h计；
τ——溶液在再生槽内停留时间，min。一般为5～10min，这里取8min； H2——喷射器出口到槽底距离，m。本次H2取0.9m；
H3——扩大部分高度，m。现取1.7m。
故，
1HT=H1+H2+H3=3.36+0.9+1.7＝5.96(m) 实际选取HT＝6.0m
喷射器设计
喷射器,并对其工作压力进行了核定,对于小氮肥厂解决再生的问题具有指导意义。
关键词 脱硫再生 喷射器 喷嘴
1 设计原因
我厂曾经脱硫效果不佳,脱硫后气体中ρ(H2S)长时间超过0.1 g/m3,导致中变一段触媒只使用3个月就失效。原因是脱硫再生效果差,主要有以下表现:
a)贫液混浊度极高,且再生后硫泡沫少;
b)喷射器反喷,器壁弹溅严重;
c)每天回收硫磺量只有40 kg左右。
经分析,认为导致再生效果差的根本原因是喷射器工作不稳定,吸入的空气量不够,因此必须重新设计喷射器。
2 已知设计条件
a)脱硫液流量为190 m3/h;
b)测定脱硫液密度为1100 kg/m3;
c)喷射器总个数为8个;
d)再生液位正常高度4.5 m。
3 喷射器的设计计算
3·1 喷嘴进口压力的核定及喷嘴直径的选定
由参考文献〔1〕可知符合判据
Cri2
Cri1=1.75/AR-1.07/A2R
Cri2=-ρMR-PSlnPB/PS+φ21(1+MR)×(1+ρMR)2/A2R 又有AR=AD/Ad ρ=ρm/ρe -PS=PS/(PM-PS)
Δ-PB=(PB-PS)/(PM-PS)
其中:MR———气液质量比;
AD———喷嘴口截面积;
Ad———喉管截面积;
ρm、ρe———液、气体密度;
PB———背压;
PS———抽吸压力;
PM———喷嘴进口压力;
ΔPB———无因次化压力。
3·1·1 MR的计算
一般,氨水液相催化法的硫容量为0.15~0.2 g/L,取0.2 g/L。氧化1 kgH2S需理论空气量1.57 m3(标),实际空气量可取理论的8倍,则再生空气用量为:
0.2×190×1.57×8=477.3 m3/h
ρe=1.293 kg/m3
MR=477.3×1.293/(190×1100)=2.95×10-3 3·1·2 喷嘴进口压力PM的核定及喷嘴直径的选定
a)Δ-PB
b)Δ-PB>Cri2-PS=PS/(PM-PS) = 10. 03/(PM-10·03)
PB=4.5×1.1=5 mH2O柱(表压)
ρ=ρm/ρe=1100/1.293=850.7
一般 φ1=0.95
Cri2 =-ρMR-PSlnPB/PS+φ21(1+MR)×(1+ρMR)2/A2R=- 850.7×2.95×10-3×10.03PM-10.03×ln10.33+510.33-0.3+0·952×(1+2·95×10-3)×(1+850.7×2.95×10-3)/A2R
即
-10.68/(PM-10.03)+11.122/A2R
即 PM=5.3/Δ-PB-0.3 (3)
一般脱硫液中固体颗粒较多,喷嘴口直径可适当大一些,取d=20 mm,喉管直径取D=70 mm。
AR=AD/Ad=702/202=12.25
将AR代入(1)式,并联合(3)式可得喷射器不产生反喷的条件是PM>0.38MPa(表压)。
将AR代入(2)式,并联合(3)式可得喷射液体直接越过喉管进入混合室条件是PM>7.49 MPa(表压),此时,抽吸压力不稳定,喷射器不能稳定工作,实际生产中,不可能出现这种状况,因此,不再讨论这种工况。 3·1·3 再生泵出口压力P1的计算
已有管路由下列管道及管件组成,并查得相应管件的阻力系数[2]。
a)泵出口一段长1m,直径为125mm的直管,1个90°的标准弯头ζ=0.75,一个突然扩大ζ=0.25,一个DN=125 mm闸阀全开ζ=0.17; b)总管长18 m,直径250 mm,4个标准弯头ζ=4×0.75=3;
c)喷嘴支管直径70 mm,有一个截止阀,全开ζ=6.4。
管线流程图见图1。设定3个界面,界面1指泵出口,界面2指突然扩大,界面3指喷嘴进口。
a)在界面1与界面2外侧间作机械能衡算:
3·3 喷嘴与喉管间的距离LC
LC的长度不够将可能影响抽气量,在此取喉管直径的2倍,即140 mm。 3·4 喉管长度
喉管太短,不利于气体均匀分散,在尾管中,容易形成气阻,最后形成“死气”,引起反喷。经验表明,一般喉管长度800~1000 mm已足够。
3·5 吸引室
采用内径为250 mm,长为400 mm的钢管缩口制作即可。
原结构采取侧面进气,如图2,在“死角”区域,气体不流动,H2S浓度高,对喷嘴进口管腐蚀严重,常常导致其穿孔。因此,改由上部进气,消除“死角”,以保护喷嘴。 4 效果分析
该喷射器组,经1a左右的运行,工作状态稳定,各项指标明显改善。
a)正常生产中,不再有反喷、器壁弹溅现象。
b)再生后,硫泡沫大大增加,每天能回收250 kg左右的硫磺。
c)再生后,溶液混浊度明显降低。
d)中变触媒使用了1a,未出现失活现象。
e)采集部分脱硫后气体中H2S含量数据如表2。
以上现象和数据表明,设计符合生产实际,脱硫效果达到指标要求。不但延长了中
变触媒的使用寿命,减少了设备的腐蚀,而且降低了后工段脱硫的负荷。对稳定生产起到了非常重要的作用。
5 总结
喷射器是脱硫再生的核心部件,其工作状态直接影响着再生效果。其工作状态是否稳定主要与下列因素有关:①喷射器的进口压力,②喷射器的安装高度,③再生液位高度,④喷嘴直径,⑤喉管直径。
1.3.1 喷射器参数计算
喷射器结构示意见图2。喷射器是喷射再生的关键，它直接影响到吸入空气量的多少。改造设计参考了有关文献资料和兄弟厂家的成功经验，对喷射器设计进行了优化。其主要参数选择及计算如下。
1.3.1.1 喷嘴计算
a)喷嘴个数。按照文献，喷射器喷嘴个数按公式(2-1)计算：
n=LT／Li (2—1)
式中，
n——喷射器喷嘴个数，个，
LT——脱硫液的循环量，m3／h。
根据现有的生产实际情况，脱硫液的循环量LT按400m3／h计；
Li——每个喷射器溶液处理量，m3／h。
取Li＝50m3／h。
故，
n＝400／50=8(个)
b)喷嘴孔径。喷嘴孔径的计算可按公式(2—2)：
di＝(Li／(0.785×3600×vi))0.5 (2—2)
式中，
di——喷嘴孔径，m；
Li——每个喷射器溶液处理量，m3／h。已取Li＝50m3／h；
Vi——喷嘴流速vi，m／s。现按20m／s设计(一般为17～20 m／s)； 故，
di＝(50／(0.785×3600×20))0.5＝0.0297(m)
实际选取di＝0.030m。
c)喷嘴孔长度。为减少液体阻力，增加流量系数，喷嘴采用整体流线型结构。为加工方便，直接钻孔，喷孔为短圆柱管嘴，喷孔为喷嘴孔径的2～2.5倍，根据生产实际经验取L=0.050m。
d)脱硫液入口管直径。按照文献，脱硫液入口管直径dL通常取3倍喷嘴孔径di。故，
dL=3di=3×0.030＝0.090(m)
实际选取φ108管。
1.3.1.2 混合管(喉管)计算
a)喉管直径。根据有关资料介绍，喷嘴截面与喉管截面之比约为0.11～
0.13。现取比值为0.11，则喉管截面dm计算为：
dm＝(di2／0.11)0.5=0.090m
实际选取φ108管。
b)喉管长度。喉管长度Lm可按Lm=1.8～2.1m选取，现取Lm＝2m。
1.3.1.3 扩散管计算
文献规定，扩散管截面与喉管截面之比为3.4～4.0，扩散管角度α＝2.5°。 由此可计算得出扩散管尺寸de＝0.2 m，实际选取φ219管。
设计时取扩散管长度为1m。
1.3.2 喷射再生槽计算
喷射再生槽的结构示意见图3。其相关特性参数计算选取如下。
1.3.2.1 喷射再生槽直径
喷射再生槽直径相关计算公式如(2—3)、(2—4)：
D1=(GA／0.785Ai)0.5 (2—3)
GA=LT·Ci (2—4)
上述式中，
D1——槽体直径，m；
AAi——再生槽吹风强度，m3／(m2·h)。Ai一般为70～120m3／(m2·h)，这里取100m3／(m2·h)；
Ci——喷射器抽吸系数，m3／m3。设Ci＝4.0m3／m3；
LT——脱硫液的循环量，已知按400m3／h计。
故，
D1＝[400×4／(0.785×100)]0.5=4.51(m)
实际选取D1＝4.5m
1.3.2.2 扩大部分直径
按照文献，扩大部分直径D2按D2=1.0+D1计算。故，
D2＝1.0+D1＝1.0+4.5＝5.5(m)
1.3.2.3 再生槽高度
再生槽高度HT的相关计算公式为：
HT＝H1+H2+H3 (2—
5)
上公式中，
H1——再生槽有效高度，m；
LT——脱硫液的循环量，已知按400m3／h计；
τ——溶液在再生槽内停留时间，min。一般为5～10min，这里取8min； H2——喷射器出口到槽底距离，m。本次H2取0.9m；
H3——扩大部分高度，m。现取1.7m。
故，
1HT=H1+H2+H3=3.36+0.9+1.7＝5.96(m) 实际选取HT＝6.0m