高位吸氨裝置的設(shè)計計算

高振恒，王志雅

1 概 述

從上世紀(jì)六十年代末開始的二三十年里，我國曾經(jīng)出現(xiàn)過遍地都有小合成氨廠的盛況。最初設(shè)計的碳銨生產(chǎn)裝置，是用水或稀氨水通過噴射泵引射作用吸收氣氨制取氨水的。這種方法存在運行不穩(wěn)定、操作控制較困難的缺點，氨水配制常常成為生產(chǎn)的短板。后來在小化肥的小改小革熱潮中出現(xiàn)了被稱為高位吸氨的裝置，由于運行穩(wěn)定，而且節(jié)能，到七十年代末八十年代初在大部分小合成氨廠逐漸替代了原來的噴射吸氨裝置。高位吸氨裝置至今仍被廣泛使用。

圖1是高位吸氨裝置的流程示意。其最大的特點是，氣液混合容器出口連接長長的下降管，氣液混合容器可以是如圖1所示的高位吸氨器，也可以是噴射器或者其他型式混合器，下降管實際上就是俗稱的大氣腿，下降管穩(wěn)定的抽吸作用確保了高位吸氨裝置運行的穩(wěn)定性。

由于對氣液兩相豎直向下的管（道）流（體）的研究不多，加之問題本身相當(dāng)復(fù)雜，在正規(guī)的手冊或教科書中至今尚未見關(guān)于豎直向下的氣液兩相管流的計算方法。文獻(xiàn)［1］為解決自排不凝氣直接式蒸汽冷凝器下降管流速、管徑和長度的設(shè)計計算，在文獻(xiàn)［2］～［6］的基礎(chǔ)上對有關(guān)問題作一些簡化的分析，歸納出實用的下降管直徑和長度的計算公式。本文參照文獻(xiàn)［1］的方法，推導(dǎo)設(shè)計高位吸氨裝置的幾個計算公式。

圖1 高位吸氨裝置示意

2 系統(tǒng)設(shè)定

如圖1所示，水或者稀氨水從高位吸氨器頂部進(jìn)入，經(jīng)多孔板均勻分布后淋灑下來，與從高位吸氨器底部側(cè)向接管進(jìn)入的氨氣接觸，大部分氨被水溶解，剩余氨氣與氨水一同從下部豎直下降管排出。由于下降管的抽吸作用，剩余氨氣以氣泡形式被分散于氨水中，隨氨水一并向下經(jīng)過冷卻盤管流向氨水儲罐。可以認(rèn)為，在進(jìn)入氨水儲罐前，氣氨已全部溶解于氨水。

為便于分析，假設(shè)系統(tǒng)過程為穩(wěn)態(tài)，即系統(tǒng)各處的組分以及壓力、流速、密度、溫度等相關(guān)參數(shù)均不隨時間而改變。同時，忽略物料粘度的影響，也忽略溫度變化及氨氣中混入極少量不溶解氣體的影響。

3 下降管流動狀態(tài)的簡單描述

下降管中氣液兩相并流向下，根據(jù)已有的研究判斷，其流動形態(tài)為團(tuán)狀流動。氣相以不同尺寸的氣泡和氣團(tuán)分散在向下流動的液相中，在這里可以忽略重力對氣泡和氣團(tuán)的作用，氣泡和氣團(tuán)一方面受到液流向下的推動力，一方面受到液相的浮力具有向上運動的趨勢；當(dāng)液流速度大于某一數(shù)值時，氣泡和氣團(tuán)所受合力向下，隨液流一同向下運動。顯然，氣液兩相之間還存在豎直方向的滑動。文獻(xiàn)［2］引用的氣液兩相在豎直管內(nèi)向下流動時持氣量的關(guān)聯(lián)式，可以反映出這種滑動速度存在的影響，但可估計這種影響并不顯著。由于問題本身相當(dāng)復(fù)雜，以致現(xiàn)有的手段尚未有準(zhǔn)確揭示各種因素相互之間關(guān)系的研究。僅從滿足工程實用計，本文不考慮流體內(nèi)部滑動的影響。

氣泡和氣團(tuán)在向下運動中，由于所受液相的壓力逐漸增大，其體積隨之逐漸減小，液相對其浮力也相應(yīng)減小。同時，在氣液兩相并流的過程中，氣氨逐漸溶解在氨水中，氣相體積也在減小，直至完全消失。這種體積的變化也是造成下降管進(jìn)口端和出口端表觀氣速不同的原因。

4 下降管直徑的限制

文獻(xiàn)［3］在研究重力流管線時引用了辛普森（Simpson）和希爾（Hill）的研究結(jié)果：如果液體是無漩的，當(dāng)容器內(nèi)的液面低于某一高度時，氣體將被吸入到容器下部排液管的流動液體中，并給出了這個高度的理論估計方程。辛普森通過試驗表明，當(dāng)usl／（gD）0.5＞0.31時，混入液體中的氣體將被液體帶走。

文獻(xiàn)［1］利用以上成果得出了設(shè)計自排不凝氣直接式蒸汽冷凝器下降管最大直徑的判斷式。按照同樣的思路，本文將這個結(jié)果用于限制下降管最大直徑的判斷式。即：

再將π＝3.141 6、g＝9.807m／s2代入，得

這就是下降管最大直徑的判斷式。在給定稀氨水（或者清水）流量的條件下，下降管的直徑必須小于某一值，以保證下降管中液相流速不低于某一臨界值。如果流速過小，分散于液相中的氣泡將在浮力的作用下向上逃離兩相流而回到高位吸氨器氣相空間。

從可靠性考慮，推薦采用下式計算D，圓整后確定的下降管直徑為：

5 下降管設(shè)計的計算式

設(shè)下降管上端液面為截面1，下降管下端進(jìn)入氨水儲罐處為截面2。根據(jù)壓力平衡原理，可列出系統(tǒng)的基本計算式：

p2是截面2處的壓力，顯然

（2）式左邊第四項為管流摩擦壓力降，其摩擦因數(shù)的推算相當(dāng)復(fù)雜和困難，而且其精確度對本文所討論問題的結(jié)果影響甚小，因此可參照文獻(xiàn)［4］簡單地取λ＝0.03。

按定義近似地認(rèn)為：

在假設(shè)溫度不變并先不考慮氣氨溶解的條件下，根據(jù)Boyle定律［5］，有同時，在下降管中各處ρ、lusl均不變，則有：

由于在截面2處實際上氣氨已經(jīng)全部溶解，因此式（5′）可寫成：

而usg1與Wg有如下關(guān)系：

按表觀流速的定義［6］，有：

同樣，由于在截面2處實際上氣氨已經(jīng)全部溶解，因此式（8′）可寫成：

在（2）至（10）式中，D可按（1）式確定，h2可按氨水儲罐最高液位確定，p1、Ql由工藝確定，其他除h1和usg1以外的參數(shù)均可從這些公式推算出來。至此，本文已經(jīng)建立了h1和usg1的函數(shù)關(guān)系，也就是h1和Wg的函數(shù)關(guān)系。對于Wg的確定，由于在吸氨器中大部分氨氣已經(jīng)溶解，而且進(jìn)入下降管的氨氣也在行進(jìn)中逐漸溶解，在缺少準(zhǔn)確測定數(shù)據(jù)的情況下，據(jù)經(jīng)驗，可以取吸入氨氣總量的10%確定為Wg。

由于下降管的抽吸作用，通常p1接近于0.3atm，設(shè)計計算時，可以設(shè)定p1為0.3atm（絕壓），即p1＝30 398Pa；Ql按稀氨水泵額定流量取值，進(jìn)而可以利用本文的公式計算出h1，從而進(jìn)一步確定h。顯然，應(yīng)當(dāng)使：

或?qū)懗桑?/p>

為了可靠，可取n＝1.05～1.1，以使下降管中液面在任何操作狀況下均處于下降管上端面以下，保證系統(tǒng)正常運行。

6 舉 例

某生產(chǎn)碳銨的裝置，采用高位吸氨裝置制取氨水，已知p1＝30 398Pa、p0＝101 325Pa、h2＝4m、g＝9.807m／s2、ρg0＝0.76kg／m3、ρl＝1 000kg／m3、Ql＝0.017m3／s、Wg＝0.005kg／s，求h。

計算過程如下：

按（1）式計算得D＝0.8×0.0170.4＝0.157m，取D＝0.15m；

則usl＝4Ql／πD2＝0.962m／s；

按（3）式計算得p2＝101 325＋1 000×9.807 ×4＝140 553Pa；

按（7）式計算得usg1＝1.24m／s；

按（5）、（6）式計算得ρ1＝437kg／m3、ρ2＝1 000kg／m3；

按（4）式計算得ρcp＝719kg／m3；

按（8）、（9）式計算得u1＝2.20m／s、u2＝0.962m／s；

按（10）式計算得ucp＝1.58m／s。

把上述結(jié)果代入（2）式，有：

即（7051－180）h1＝111 053

則h1＝16.16m

取n＝1.1，由（11）式得h＝1.1×（16.16－4）＝13.376m

圓整尾數(shù)后得h＝13.4m。

符號表

D——下降管內(nèi)徑，m

g——重力加速度，g＝9.807m／s2

h——下降管上端面到水封液面的豎直距離，m

h1——下降管中流體柱的高度，m

h2——下降管下端面進(jìn)入氨水儲罐處到水封液面的豎直距離，m

hf——下降管流體摩擦損失，m

n——可靠性系數(shù)，無因次

p0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，p0＝101 325Pa

p1——吸氨器操作壓力（絕壓），Pa

p2——下降管下端面進(jìn)入氨水儲罐處的壓力（絕壓），Pa

Ql——稀氨水（或水）的體積流量，m3／s

u1——下降管上端液面處混合流體的流速，m／s

u2——下降管下端面進(jìn)入氨水儲罐處混合流體的流速，m／s

ucp——下降管中混合流體的平均流速，m／s

usl——下降管中液體的表觀流速，m／s

usg1——下降管上端液面處的氣體表觀流速，m／s

usg2——下降管下端面進(jìn)入氨水儲罐處的氣體表觀流速，m／s

Wg——下降管中氣相的質(zhì)量流量，kg／s

λ——摩擦因數(shù)，無因次；

ρ1——下降管上端液面處混合流體的密度，kg／m3

ρ2——下降管下端面進(jìn)入氨水儲罐處混合流體的密度，kg／m3

ρcp——下降管中混合流體的平均密度，kg／m3

ρl——稀氨水（或水）的密度，取ρl＝1 000kg／m3

ρg0——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氨氣的密度，kg／m3

ρg1——下降管上端液面處氨氣的密度，kg／m3

ρg2——下降管下端面進(jìn)入氨水儲罐處氨氣的密度，kg／m3

［1］王志雅.自排不凝氣直接式蒸汽冷凝器下降管的設(shè)計 ［J］.化肥設(shè)計，2006，45（6）：26～28.

［2］周肇義.化學(xué)工程手冊 （第1版）——第4篇.流體流動［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

［3］劉新偉.重力流管道管徑設(shè)計 ［J］.化工設(shè)計，2004，33（2）：20～22.

［4］浙江大學(xué)主編.機(jī)械工程手冊 （第1版）——第5篇.流體力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

［5］（德）L.普朗特著.流體力學(xué)概論 （第1版）［M］.郭永懷等譯.北京：科學(xué)出版社，1966.

［6］戴干策.化學(xué)工程手冊 （第2版）——第3篇.流體流動［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996.