淺談CO2汽提法尿素裝置的選型及設(shè)計(jì)
張朝貴
（ 成都斯杰化工機(jī)械有限公司 四川 成都 610300 ）
[摘要]在CO2氣提法尿素裝置中,，尿素高壓調(diào)節(jié)閥控制著高壓圈的關(guān)鍵閥位,，并直接影響到整個(gè)裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行，高壓調(diào)節(jié)閥的選材,、選型,、設(shè)計(jì)一直是設(shè)計(jì)單位、尿素廠設(shè)備管理方面無法回避的重要節(jié)點(diǎn),。我公司長期致力于尿素高壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì),、制造,，現(xiàn)就該類閥門選型、設(shè)計(jì)談?wù)勛约旱慕?jīng)驗(yàn)和體會(huì),。
[關(guān)鍵詞] CO2氣提法尿素裝置 尿素高壓調(diào)節(jié)閥 選型 防結(jié)晶 高壓調(diào)節(jié)蝶閥
前言
目前我們國內(nèi)尿素生產(chǎn)裝置采用二氧化碳?xì)馓岱ǖ钠髽I(yè)越來越多,，并且裝置規(guī)模越來越大，我公司從2002年開始參與該工藝的“尿素專用調(diào)節(jié)閥”-進(jìn)口閥維修,、替代進(jìn)口閥之國產(chǎn)化設(shè)計(jì),、制造，至今我公司已為近30家用戶單位提供產(chǎn)品,、服務(wù),，規(guī)模從單套裝置年產(chǎn)15萬噸/年到80萬噸/年，成套提供“尿素高壓調(diào)節(jié)閥”近200臺(tái),，替換進(jìn)口閥80臺(tái)/次,，從運(yùn)行情況來看，均達(dá)到了用戶使用要求和取得了不錯(cuò)的綜合效益,。
在為用戶服務(wù)的近二十年時(shí)間里,，我們積累了“CO2汽提法尿素裝置高壓圈調(diào)節(jié)閥”選型設(shè)計(jì)、制造的寶貴經(jīng)驗(yàn)和體會(huì),，現(xiàn)以二氧化碳汽提法尿素裝置中部分高壓調(diào)節(jié)閥為例,，試對選型及設(shè)計(jì)中的重要問題加以分析說明。
1 CO2汽提塔液位調(diào)節(jié)閥
1.1工藝參數(shù)及分析
介質(zhì)：尿液 溫度：173℃ 閥前壓力：14.2MPa 閥后壓力：0.6MPa
口徑：2″ 3″ 4″
從參數(shù)可知,，該閥的使用工況較為惡劣,，有如下特點(diǎn)：
a. 介質(zhì)尿液具有極強(qiáng)的腐蝕性，并易結(jié)晶,；
b. 閥前后壓差大,，高達(dá)到13.6MPa；
由于壓差大,，在閥座節(jié)流孔處介質(zhì)的流速高,，特別是當(dāng)開度較小時(shí)，流速更大,。從而對閥體及內(nèi)件產(chǎn)生強(qiáng)沖刷,。同時(shí)當(dāng)閥后壓力降低到進(jìn)口溫度下的飽和蒸汽壓力時(shí)，則產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,。
1.2 閥門的選型,、選材要點(diǎn)
1.2.1防結(jié)晶設(shè)計(jì)
對于介質(zhì)易結(jié)晶的特點(diǎn)，閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該力求避免在流道內(nèi)出現(xiàn)低溫易結(jié)晶區(qū)域,。如果采用傳統(tǒng)的閥體,、上閥蓋組合結(jié)構(gòu)（圖一），則在上閥蓋內(nèi)形成低溫易結(jié)晶區(qū)域。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為避免介質(zhì)在低溫易結(jié)晶區(qū)域形成結(jié)晶,，通常采取在上閥蓋外焊接一個(gè)保溫夾套的辦法來防止結(jié)晶,。根據(jù)實(shí)際使用情況來看，此防結(jié)晶措施的效果不夠理想,。
我公司采用閥體,、閥蓋一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖二），將閥體,、閥蓋設(shè)計(jì)成一個(gè)整體,，同時(shí)填料函下沉，這樣可以有效降低閥體整體高度,，從而避免了低溫易結(jié)晶區(qū)域的形成,。從實(shí)際使用情況來看，一體式結(jié)構(gòu)即使沒有蒸汽保溫夾套,，調(diào)節(jié)閥在運(yùn)行時(shí)也沒有結(jié)晶現(xiàn)象,，說明我們在防止結(jié)晶方面，采取的閥蓋,、閥體一體式設(shè)計(jì)是成功的，有效而可靠的,。
1.2.2防腐蝕,、沖刷選材
通常一臺(tái)閥門的使用壽命取決于閥門節(jié)流件的使用壽命，因尿液的強(qiáng)腐蝕性和高流速產(chǎn)生的沖刷,，使調(diào)節(jié)閥節(jié)流件的使用壽命小于閥體的使用壽命,，如何提高調(diào)節(jié)閥節(jié)流件的使用壽命成為閥門設(shè)計(jì)制造企業(yè)的主要目標(biāo)和永恒追求。
我公司CO2汽提法尿素裝置高壓調(diào)節(jié)閥節(jié)流件（閥芯,、閥座）材料采用U3（00Cr25Ni20Mn3Mo3N）,。通過休氏試驗(yàn)比較：U3的耐腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于316Lmod。U3的硬度值達(dá)到HB200,，也高于316Lmod(316Lmod的硬度值只有HB143左右),，所以U3鋼的耐腐、耐沖刷性優(yōu)于316Lmod,。實(shí)踐中證實(shí)U3鋼對尿液和甲銨液具有良好的耐腐蝕性,，且具有較好的綜合機(jī)械性能，因此閥內(nèi)件選用U3材料是目前的最好選擇,。
1.2.3防氣蝕結(jié)構(gòu)
根據(jù)氣蝕產(chǎn)生的機(jī)理,，我們將閥座流道適當(dāng)加長，把閥座的流道設(shè)計(jì)成兩段式（圖三）,，閥座節(jié)流處設(shè)計(jì)成等徑,，等徑段的上游設(shè)計(jì)成有一定的錐度。錐度段較長，起到逐漸降壓的作用,，從而促使壓差的重新分配,，以此降低氣蝕對閥內(nèi)件的破壞作用，使閥內(nèi)件的使用壽命更長,。
2 CO2汽提塔進(jìn)口尿液遙控調(diào)節(jié)閥
2.1工藝參數(shù)及分析
介質(zhì)：尿液 溫度：183℃ 閥前壓力：14.2MPa 閥后壓力：13.98MPa
口徑：14″ 10″ 8″
該閥工況條件有以下特點(diǎn)：
a. 介質(zhì)為尿液,，強(qiáng)腐蝕
b. 口徑大，壓差小僅為0.04MPa
該工位閥門在合成塔與汽提塔之間調(diào)節(jié)液位,，各設(shè)計(jì)院在這個(gè)閥位選型不一,，有選用角閥、蝶閥兩個(gè)方案,，該處閥門根據(jù)工藝要求一般選用比較大的口徑,，作用在閥門的前后壓差比較小，要求流通能力大,，流阻系數(shù)盡量小,，從工況來看選用蝶閥比較適宜。
2.2閥門的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.2.1對于高壓角式調(diào)節(jié)閥用在該處的設(shè)計(jì)已經(jīng)很成熟,，我們在此不過多介紹,，而大口徑高壓硬密封調(diào)節(jié)蝶閥國產(chǎn)化歷史不長，我們公司是該工位首臺(tái)尿素高壓蝶閥的設(shè)計(jì)制造企業(yè),，從2003年 “江蘇恒盛化工股份有限公司”成功投用以來,，已經(jīng)積累了豐厚的設(shè)計(jì)、制造經(jīng)驗(yàn),。
2.2.2 高壓蝶閥的結(jié)構(gòu)主要由閥體,、閥板、閥桿,、執(zhí)行器組成,。突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕,、安裝占用空間小,。在開啟15°～70°之間，能進(jìn)行流量調(diào)節(jié)控制,，呈近似對數(shù)流量特性,。
2.2.3 該位置對閥的調(diào)節(jié)性能要求較低，相對系統(tǒng)來 說保證安全性能的要求會(huì)更高一些,。我們在測繪進(jìn)口高壓蝶閥時(shí),，發(fā)現(xiàn)高壓蝶閥的閥板上加工有一V型缺口（圖四），目的是保證閥門在關(guān)閉時(shí)有最小流量,，避免合成塔超壓,。也有進(jìn)口高壓蝶閥的閥板上沒有這一V型缺口的設(shè)計(jì),，但采用了中線平面密封，泄漏等級最多達(dá)到III級,，不允許更高,，否則因關(guān)閉太嚴(yán)而造成合成塔超壓，引起事故,。所以此處高壓蝶閥泄漏等級要求達(dá)到IV級或更高是不科學(xué)的,。
3 進(jìn)CO2汽提塔CO2放空壓力調(diào)節(jié)閥
3.1工藝參數(shù)及分析
介質(zhì)：CO2 溫度：120℃ 閥前壓力：14.52MPa 閥后壓力：0.15MPa
口徑：2″ 3″ 4″
該閥工況條件特點(diǎn)：該閥壓差大，達(dá)到14.37MPa
此閥是CO2壓縮機(jī)出來到汽提塔之間,，介質(zhì)CO2氣體經(jīng)過調(diào)節(jié)閥節(jié)流處時(shí)速度最高,。速度越高，壓差越大,，產(chǎn)生的噪聲就越大,。故該閥的重點(diǎn)是減壓降噪。
3.2閥門的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.2.1采用迷宮式的減壓降噪結(jié)構(gòu),。
通常采用的迷宮式降噪結(jié)構(gòu)一種為圓盤式（圖五）,，由多層圓盤疊加在一起，在每層圓盤上加工出彎曲的溝槽流道,，CO2氣體經(jīng)過這些彎曲流道時(shí),，能量消耗，分段減壓,，增大壓力損失,，達(dá)到減壓降噪的目的。此種結(jié)構(gòu)的不足之處是,，因彎曲的溝槽截面細(xì)小,，介質(zhì)中的細(xì)小顆粒極易堵塞流道,，而圓盤式結(jié)構(gòu)流道清理的難度也較大,。
另一種降噪結(jié)構(gòu)是多層套筒式（圖六），每層套筒圓周分布許多節(jié)流小孔,，每層套筒上的小孔都是相互隔開和錯(cuò)開排列,。CO2介質(zhì)通過套筒時(shí)經(jīng)過套筒分段降壓，介質(zhì)流出第一層套筒后就相互撞擊,，消耗能量使壓力和流速都得到了降低,，從而降低了噪聲的產(chǎn)生。套筒式降噪結(jié)構(gòu),，不易被細(xì)小顆粒堵塞,，流道也更易清理、維護(hù),。
3.2.3 在CO2放空壓力調(diào)節(jié)時(shí),，調(diào)節(jié)閥內(nèi)腔有可能形成干冰,、少量尿素結(jié)晶體堵塞閥腔。為避免此種現(xiàn)象,，在閥體上加蒸汽夾套是不錯(cuò)的設(shè)計(jì),。
結(jié)語：
我公司在繼承原“四川化工機(jī)械廠”生產(chǎn)尿素高壓閥優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，一直致力于針對 CO2汽提法尿素裝置高壓圈調(diào)節(jié)閥國產(chǎn)化的探索,、創(chuàng)新,，尋找該類裝置更優(yōu)的設(shè)計(jì)、制造及配置,，并且在該套閥的設(shè)計(jì)制造實(shí)踐中取得了兩項(xiàng)專利,，形成了獨(dú)具特色的選型、設(shè)計(jì)思路,。作為CO2汽提法尿素裝置關(guān)鍵閥門-尿素高壓閥的合格制造商,，“成都斯杰”品牌閥門已成功在國內(nèi)近三十套尿素裝置上長周期安全運(yùn)行，完全滿足CO2汽提法尿素裝置高壓圈的苛刻工況條件和相關(guān)要求,。我公司尿素高壓調(diào)節(jié)閥系列產(chǎn)品多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的設(shè)計(jì),、制造已超越進(jìn)口同類閥門，完全具備大型尿素裝置高壓圈高壓調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì),、制造能力,。
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