应用于天然气脱水装置的喷射器设计.pdf

第 3 6卷第 1 期 化工机械 9 应用于天然气脱水装置的喷射器设计 桑增亮 潘琦 西安交通大学 摘 要 介 绍了喷射 器的基本工作原理 ， 将喷射 装置应用于压缩机后处理器的脱水装置中， 回收 用于干 燥 塔 吹 冷 的 那部 分 天 然 气 ， 约 占压 缩 杌 排 气 量 的 1 5 ％ 一2 0 ％ ， 从 而 实现 了节 能 和 环保 的双 重 目的。 依据 热力学原理 、 空气动 力学以及 天然 气的物性参数 ， 时喷射 器进 行 了热 力和结构上 的设计计算 ， 进而 确定 喷 射 器 具体 的结 构 参 数 和 几 何 尺 寸 。 关键词 喷射 器 结构参数 天然气 节能 环保 中图分类号T Q 0 5 1 ． 7 3 文献标识码A 文章编号0 2 5 4 - 6 0 9 4 2 0 0 9 0 l - 0 0 0 9 -0 4 符号说 明 |4 截 面 面 积 ， m ； d 直径 ， m m； h 焓值 ． J ／ k g ； k 绝 热 指 数 ； 长 度 ， in； m 质量流量 ， k s ／ s ； P 压 力 ， MP a ； Q 流 量 。 m ／ d； s 熵 值 ， J ／ k gK ； 温 度 ， K； 速 度 ， m／ s ； P 密 度 ， k g ／ m ； ‘ c ， 喷射系数 ， ∞m 0 ／mI ； ． 喷管速度系数 ； 混 合室速度系数 ； 田 扩压室效率 ； 口 临 界 压 力 比 ； 下标 0 引射流体进 口截 面； l 工作流体进 口截面 ； 2 喷嘴出 口截 面； 3 混合室出口截面 ； 4 喷射器 出口截面 ； s 理 想 状 态 。 随着人们对喷射器性能和结构的研究， 喷射 器 已被 广泛地 应用 到电 力 、 石油 化工 、 制 冷技术 和 供热 等行业 ， 在工 业 实 际生 产 中有 着 十 分重 要 的 意义 。在 2 l 世 纪 ， 作 为 主要 能 源 的天 然 气 ， 不但 是优 质 的燃 料 ， 而 且 是化 学 工业 的重要 原 料 。天 然气 作为 一种商 品 通过 管 道 输送 至 用 户 ， 自然 应 有一定 的质 量指 标 以满 足 安 全 、 平稳 输 气 和用 户 的要求 。为 了达 到 这些 指 标 ， 天 然气 要 经过 很 多 净化 干燥工 艺 。按 照工 业 生 产 的实 际需 求 ， 如 果 气体压 力较低 ， 达不 到输送 或 使用要求 ， 这些 气体 可能就 要被 浪费 掉 ， 或 者消 耗 掉 已从 外界 获 得 的 能量 。本着 节能减排 的 目的 ， 笔 者引入喷 射器 ， 回 收 了用 作干燥 塔 吹冷 气 的 那一 部 分天 然 气 ， 不但 避免 了这些 天然 气排 空 ， 造 成 能源 浪 费和 环 境污 染 ， 而 且还不需 要 其 他设 备 和 直接 消 耗 外界 能量 来 提高其压 力， 具有较 高的经 济效 益和社会效 益 。 1 喷射 器的工 作原理 喷 射器 主要 由工 作喷 嘴 、 接受 室 、 混合 室及扩 压 室等 部件组 成 j 图 1 ， 它利 用 射 流 的紊 动扩 散作用 ， 使不同压力的两股流体相互混合 ， 并引发 能量交换 的流体 机械 和混合 反应设 备 。进 入装置 前 ， 压力 较高 的流体 叫做工 作流体 ， 它 以很 高 的速 度从 喷嘴 流 出， 进入接 受室 ， 由于射 流的紊 动扩散 作用 ， 卷 吸周 围的流体 而发生 动量交换 ， 被 吸走的 } 桑增亮 ， 男 ， 1 9 8 3年 5月生 ， 硕士研究生 。陕西省西安市 ， 7 1 0 0 4 9 。 w w w . b z f x w . c o m l 0 化工 机械 2 0 0 9年 压力较低的流体 叫引射流体 。在进入混合室后 ， 工作流体与引射流体进行混合 ， 进行动量和质量 交换 ， 工作流体的动能 ， 一部分传给引射流体。流 体 在沿 喷射器 的 流动 过 程 中 速度 渐 渐 均 衡 ， 于 是 混合流体的动能相反地转变为势能或热能。 图 1 喷射 器结构 示意 图 1 工作 喷嘴； 2 接 受室 ； 3 混合室 ； 4 扩 压室 把喷射器应用于干燥脱水工 艺中， 其具体的 工 艺流程 如 图 2所示 。 压缩后的天然气 喷射器 气 图 2 天 然气干燥 工 艺流程 2喷射 器设计 计算 在计算喷射器的结 构参数和性能参数 时， 主 要是要 解决 以 下两个 问题 a ．在给定 工作流体 、 引射 流体热力参数 以 及压缩 压 力的条 件 下 ， 确 定 喷 射器 可达 到 的 喷射 系数 ； b ．在给定 工作流体 、 引射 流体 热力参数 以 及 喷射 系数 的情 况下 ， 确 定 喷 射 器 可 达 到 的压 缩 压力 。 本 文就是 结合 热 力 学 函数 和气 体 动 力 学 ， 对 喷射 器进行结 构设 计 ， 确定最 后达 到 的压 缩压 力 。 2 ． 1 假设 条件 j 在 对喷射 器设 计计 算时 ， 首先 应假设 a ．工 作流 体在 喷 嘴 中 的流 动 过 程 为等 熵 过 程 ， 且所 有流 动过 程都 与外界 绝热 ； b ．工作流体与引射流体在混合入 口处分别 是均 匀的 ， 且 在进 入混 合室前 不相 混合 ， 混合 过程 为等 压混合 ； c ．忽略流体在喷射器 内的热量损失和摩擦 损 失 ； d ． 流体在 喷射器 内的流动 为一 维流 动 。 2 ． 2设计 计算 对于所有的喷射器 的设计计算 ， 都可 以用能 量 守恒定 律 、 质量 守 恒 定律 和动 量 定理 3个 定 律 来描述 ， 喷射器的具体结构尺寸要根据工业生 产的具体情况进行设计。图 3是喷射器结构的设 计 示意 图 ， 1 - 1截 面 表 示 喷 嘴 的 进 口截 面 ， 2 - 2截 面表示喷嘴 的出 口截面， 3 3截 面表示混合室 的 出 口截 面 ， 也 即是 扩 压 室 的进 口截 面 ， 4 _ 4截 面表 示 扩压 室 的出 口截面 。 { ．L 鲋 f { ml ， P 】 ， T ] 、 ． ． ／ ＼ ＼ ； 一 ＼＼～ 一● _ ／ ] ＼ m∞ P 0 ， T o 4 2 ， P‘ I T{ 图 3 喷射 器设 计 示意 图 2 ． 2 ． 1确 定喷 管外形 被引 射 的天 然气 压 力 为 P 。 ， 喷 管 出 口压力 P 应 比 P 。 小些 ， 现 取 P 0 ． 9 5 p 。 ， 天 然 气 的绝 热 指 数为 k1 ． 3， 临界 压 力 比 卢 0 ． 5 4 6 。如 果 J B P 2 ／P ，出口速度为超音速 ， 选择缩放的拉伐尔喷 管 ， 此时 有 一 个 最 小 截 面 ， 直 径 为 D ； 如 果 p ／ p ， ，则 出 口速 度应 为亚音 速 ， 应选 择渐 缩喷 管 。 2 ． 2 ． 2喷 嘴的设 计 喷 嘴的 出 口速 度为 2 ／ 2 6 , h 。 一 h 2 上式 中 咖 。 一般取 值 0 ． 9 5 ， 理 想 状态 下 2 ． 2 截 面 的焓值 可 由式 h h s ， ， P 求得 。而 实 际 状态下 2 2截面的焓值 h h 。一咖 h 。一h 喷嘴 出 口的密度 P 2 p h 2 ， P 2 进 而确 定喷 嘴 出 口的截面 面积 和直 径 A 2 ml ／ lp 2 2 d 2 √ 订 喷嘴 长度 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 第 3 6卷第 1 期 化工 机械 8～1 5 2 ． 2 ． 3混 合室 和扩压管 尺寸 的设 计 ] 工作 流体和 引射 流 体进 入 混 合室 时 ， 有 连 续 性方程， 在混合室内流体的质量流量 m 2 m 0 m I m 2 p3 A3 引射流体的速度较小 ， 水平方 向的速度更小， 可 以忽略 。在 混 合 室 的两 个 截 面 2 - 2 、 3 - 3截 面 ， 由动量守 恒定理 得下式 P 3 一 P 2 A 3 ／ 7 ／, l l m 3 3 联立以上等式， 可以求得在混合室内压力的 变化 2 象 一 2 c t 在混 合室进 口截 面 和 出 口截 面 ， 密度 有 以下 关系 P3 P o 1 P2 1∞ P 2 1 混合 室 出口的速度 l 3 2 混 合 段 直 径 为 d ， 2 √ ，混 合 段 长 度 为 L， 1 0d 。 由能量 守恒定 律可 以计算 出理想情况 下混 合 室出 口的焓 值 ” 等 因混合 室内是两 股气体 的混合 ， 故 必须 考虑 焓增 和熵增 ，也 即考 虑 能量 损 失 Ah ， 引 入 混 合 室速 度系数 ， 取 0 ． 9 2 5 ， 即在 实际情况 下混 合 室出口的焓值 h h 进而可以求出混合室 出 E l 的熵值 s s h ， P 。 混 合后 的流体 经 混合 室 流进 扩 压 室 ， 由能量 守恒定 律可得 到扩压 室 出 口截 面 4 - 4截 面 的热 力学参数 t 7 ， 2 h 4 h 3 扩 压室 出 口速 度 影 响很 小 ， 可 以忽 略 。所 以 扩 压室 出 口压力可 由以下式子 求得 t ， 2 h 4 。 h 3 P 4 P s 3 ， h 4 其中 卵为扩压室效率 ， 一般取 0 ． 7 0 。 扩压段 长度 L 6～1 0 d 一d ， 3喷射 器设计 示例 天然气 的主要 组分 为 甲烷 ， 此外还 含有 乙烷 、 丙烷 、 丁烷等烃类气体， 氮气、 二氧化碳 、 硫化氢及 微量 氢 、 氦 、 氩等非 烃类气 体 。表 1所列 的是新 疆 某气 田的天然气 组成 。 表 1 原料 气组 成 ％ 组分cl c 2 c 3 i - c 4 n c 4 i c 5 n c 5 c 6 N 2 C O 2 组 成 8 4 ． 7 2 6 ． 3 3 2 ． 2 5 0 ． 3 9 0 ． 7 5 0 ． 1 9 0 ． 2 3 0 ． 3 2 2 ． 9 5 1 ． 8 7 天然气 的物理 性质通 常包括 天然气 的视分 子 量 、 密度 、 临 界参 数 和状 态 方程 等 ， 热 力学性 质 包 括 比热容 和绝 热 指 数 等 。参 考 天 然 气 利用 手 册分 别计算 出 以上参 数 ， 然 后 对 天然 气 喷射 器 进 行设 计 。 工作气 流 的状 态 参数 P 。 9 MP a ， T 。 2 9 3 K， Q ． 1 21 0 m ／ d 标 况 。 引 射 气 流 的 状 态 参 数 p o8 ． 7 MP a ， 7 o2 9 3 K， Q 02 ． 4 X 1 0 m ／ d 标况 。工作流体 的管道工程直径 d ． 5 0 m m， 引射 流体 的管 道 工 程 直径 d 。4 0 m m， 扩 压 室 出 口工 程直径 d 5 0 m m。天 然 气喷 射 器 的设 计 计 算结 果见表 2 。 表 2 喷射 器设计 计算 结果 喷射 器 的喷管选 择 为 渐缩 喷 管 ， 各部 分 的 长 度 喷 嘴长度 L 。 1 0 7 m m； 混 合室 长度 L 1 9 0 ra m； 扩压管 长度 L 2 1 0 mm。 4 结 束语 经过对 天然气 喷射 器热力 和结构 上的计算 表 明 ， 用 9 NP a 、 1 2 X 1 0 I l l ／ d的天 然 气 作 为 喷射 器 的工作 流体 ， 可 以把 8 ． 7 MP a 、 2 ． 41 0 m ／ d天 然 气增 压 至 8 ． 8 1 M P a 左 右 。喷射 器这 种 结构 简单 ， 1 2 化工 机械 2 0 0 9年 无 需增 加很多 辅助设 备 ， 直接提 高 流体压 力 ， 而且 操 作 可靠 ， 投 资小 ， 收益 大的节 能型设 备将 被广 泛 应 用 于工业生 产 中。 本文对 喷射器 的设计 是基 于一 维喷射 器设 计 理论来设计的， 不考虑流体的黏性 ， 忽略壁面的摩 擦 影 响 ， 也不 考虑热 量损 失 ， 还 应用 了很 多 的经 验 常数 ， 其精确 性必 然受 到 了很 大 的限制 ， 而且一 维 设 计理 论无法 给 出喷射 器 内部 流场 分布 的详 细情 况 ， 为 此 ， 对 喷射过 程进 行二维 以 及三维 的研究 是 很必要 的 。 参 考 文 献 1 潘琦 ， 许鹏先． 节能 型气体于燥 装置用 喷射器设计 ． 流 体 机 械 ， 2 0 0 8， 3 6 2 6l～6 3 2 赵静 野 ， 孙 厚钧 ， 高军． 引射 器工作 的基本 原理． 北 京 建筑工程学报 ， 2 0 0 0 ， 1 6 4 l 2～1 3 3 索科 洛夫 E且， 津 格尔 H M著 ， 黄秋云 译． 喷射 器． 北 京 科学 出版社 ， 1 9 7 7 ． 1 51 7 4季建 刚 ， 王如竹 ， 黎新立 ． 蒸 汽喷射 压缩器特 性计算 与 分析 ． 船舶工程 ， 2 0 0 6 ， 2 8 5 4 6 4 9 5 杨德伟 ， 林 日亿 ， 王 弥康 等． 利用喷 射器技术 输送 低压 气层 天然 气． 油气 田地面工程 ， 2 0 0 5 ， 2 4 4 l 0～l 2 6 Mo r t a z a Ya r i ． Ex e r g e t i e An a l y s i s o f t h e Va p o u r Co mp r e s s i o n Re f rig e r a t i o n C y c l e Us i n g E j e e t o r a s a n E x p a n d e r ． I n - t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ex e r g y ， 2 0 0 8， 5 3 3 2 6 ～3 4 0 7 徐 文渊 ， 蒋长安 ． 天然气 利用 手册． 北京 中国石化 出 版社 ， 2 0 0 1 ． 5 2～9 4 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 7 - 0 1 ， 修 回 日期 2 0 0 8 - 0 9 - 1 7 D e s ig n o f t h e E j e c t o r s f o r N a t u r a l Ga s D e h y d r a t o r s S ANG Z e n g l i a n g，P AN Qi Xi ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y， Xi ’ a n，7 1 0 0 4 9，S h a a n x i ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e s o f t h e e j e c t o r s f o r n a t u r a l g a s d e h y d r a t o r s we r e p r e s e n t e d，t h e e j e c t o r s we r e u s e d i n t h e d e h y d r a t o r o f t h e p o s t p r o c e s s o r o f a c o mpr e s s o r t o r e c o v e r a p a r t o f n a t u r a l g a s t h a t wa s u s e d t o b l o w c o l d wi n d i n t h e d r y e r ，t h e p a rt o f n a t ur a l g a s wa s a b o ut 1 5％～2 0 ％o f t h e a i r di s p l a c e me n t o f t h e c o n p r e s s o r ，a n d t h e t a r g e t s o f b o t h s a v i n g e n e r g y a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n we r e r e a l i z e d． Th e t h e r ma l a n d s t r u c t u r a l d e s i g n a n d c a l c u l a t i o n o f t h e e j e c t o r s w e r e c a r r i e d o u t b a s e d o n t h e t h e r mo d y n a mi c p r i n c i p l e ，a e r o d y na mi c s ，a n d t h e p h y s i c a l pa r a me t e r s o f n a t u r a l g a s ，a n d t h e c o n c r e t e s t r u c t u r a l p a r a me t e r s a n d g e o me t r y s i - z e s o f t h e e j e c t o r s w e r e d e t e r mi n e d ． Ke y wo r d s E j e c t o r ，S t r u c t u r e P a r a me t e r ，Na t u r a l Ga s ， S a v i n g E n e r gy ，E n v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n 广 告 索 引 彩 色 S E W． 精 密机 械 天津 有 限公 司 封 面 兰州瑞 德 干燥技 术有 限公 司 封 二 过滤设 备研 究所 封三 上 海化 工研 究 院 封 四 浙 江丰利粉 碎设 备有 限公 司 彩插 1 天 华化 工机械及 自动 化研 究设计 院 彩插 2 粉体技 术研 究所 彩插 3 杭 州 中化 信息研 究有 限公 司 彩插 4 机 泵技 术研 究所 彩插 5 无锡 定 昌过滤机 有 限公 司 彩插 6 无锡新 求精 钢铁 有 限公 司 彩插 7 珠 海 志 美电子有 限公 司 彩 插 8 博能传 动 苏州 有 限公 司 彩插 9 安徽 天 大石油 管材股份 有 限公 司 彩 插 1 0 掌 色 江都 市鹏 飞化 工设备 厂 单插 1 江阴市长江钢管有限公司 单插 2 常 州市佳 友干 燥设备 有 限公 司 单插 3 上 海迅 昌化 工装备技 术研 究所 单插 4 上 海化 工研 究院化 学 工程 及 装备研 究所 单 插 5 上海上银机械制造有限公司 单插 6 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载