二氧化碳汽提裝置尿塔液位控制閥的選擇
二氧化碳汽提尿素裝置尿素合成塔液位調節閥通常選用中線(xiàn)式氣動(dòng)蝶閥[1]。這種蝶閥的結構形式使得閥門(mén)全關(guān)時(shí)蝶板與閥體為間隙配合，密封性差，閥門(mén)的密封等級不可能太高。即使是國外知名廠(chǎng)家的閥門(mén)，密封等級也只能做到Ⅲ級。由于系統開(kāi)車(chē)時(shí)，尿素合成塔保持液位需靠高壓水封。泄漏量大會(huì )造成開(kāi)車(chē)時(shí)間延長(cháng)，物料消耗增大。合理選擇該閥門(mén)對投料和正常生產(chǎn)都是有益的。
1、尿塔液位控制閥的作用
尿塔液位控制閥在正常生產(chǎn)時(shí)起到調節尿素合成塔液位的作用，在投料階段則起到維持液封作用。
某項目高壓圈簡(jiǎn)易流程圖及位差見(jiàn)圖1。下面我們詳細說(shuō)明二氧化碳汽提尿素裝置開(kāi)車(chē)過(guò)程中汽提塔入口“U”型彎液封液位的變化過(guò)程。
圖1 高壓圈簡(jiǎn)易流程圖
進(jìn)料后某一時(shí)刻尿塔液位為h(為了方便說(shuō)明，壓力單位均為米液柱)，假設汽提塔到尿塔之間的阻力降為Δp，則下式成立：
(1) 如該時(shí)刻出料管中液封恰好平衡，則其液封液位如下圖所示：
圖2 液封液位示意圖
由圖2可得：
(2) 結合式(1)可得出：H=h+Δp。由于Δp基本保持不變，液封高度H將隨著(zhù)尿塔液位的升高而升高，且液位的升高與尿塔液位的升高是一致的。在一次充滿(mǎn)平衡后，不往“U”型彎充液的情況下，隨著(zhù)尿塔液位的增高，式(2)的平衡將會(huì )無(wú)法保持，需要更大的H才能維持平衡，二氧化碳將會(huì )進(jìn)入到“U”型彎中，“U”型彎靠蝶閥即上圖的右側液位將會(huì )降低，而左側及H會(huì )升高，且H的升高值是右側液位降低值的兩倍。隨著(zhù)右側的液位升高，式(2)將達到一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡。當靠蝶閥側也即上圖右側液位將到TR-09處，則表示液封有沖破的風(fēng)險，但距離破液封還有1.2m的液位高差。按照投料時(shí)間120min計，尿塔從塔底到喇叭口按28m計，則每分鐘液位上升：28/120=0.233m/min。液位降低2.8m所需時(shí)間：2.8×2/0.233=24min。液位到達溫度監測點(diǎn)到液封破所需時(shí)間：10min。
綜上，開(kāi)車(chē)操作時(shí)，監測TR-09溫度的變化趨勢來(lái)控制液封加水，如果TR-09有變化，說(shuō)明“U”型彎右側液位已經(jīng)將到溫度計處，液封需要補水，此時(shí)間間隔約為20min。充液閥如果頻繁啟閉，這容易造成密封不嚴。如果不想頻繁開(kāi)關(guān)充液閥，則可以在進(jìn)料后保持充液閥一個(gè)小開(kāi)度，此開(kāi)度以汽提塔中液位無(wú)明顯變化為原則。在投料過(guò)程中TR-09發(fā)生變化，則適當開(kāi)大充液閥的開(kāi)度，充液的開(kāi)度在實(shí)際開(kāi)車(chē)過(guò)程中難于掌握。出料前，為了防止出料管串氣，通常將自動(dòng)充液閥打開(kāi)，或者將充液閥打開(kāi)連續充液～15min后出料[2]。如果TR-09顯示溫度～120℃，說(shuō)明二氧化碳已經(jīng)到達溫度計處;如果TR-09溫度與塔頂溫度相同如達到170℃，則說(shuō)明液位已經(jīng)達到喇叭口。液位到達喇叭口后，出料管中將充滿(mǎn)液體，由于出料閥的密封原因，尿液將逐步泄露到汽提塔中。
由于“U”型彎的存在，液封對出料閥的密封性能沒(méi)有特別要求。在正常情況下，出料閥雖然密封不嚴，但是可以滿(mǎn)足工藝要求的。
2、尿塔液位控制閥的選擇
為了說(shuō)明液位控制閥的泄漏量，以某項目為例定量計算出料后期的泄漏量，計算公式參見(jiàn)GB/T17213.2-2005及GB/T4213-2008。計算參數如下[3]：
塔頂壓力：14.2MPa(a);液體壓力恢復系數FL查GB/T17213.2-2005表2取值0.62;閥的流量系數Cv為870;混合物臨界壓力Pc根據aspen計算取14.7MPa(a);液體密度：1150kg/m3。
液位控制閥入口壓力：
液體臨界壓力比系數：
液位控制閥前后最大壓差：
△p<1.98MPa，屬于非阻塞流。
三級密封最大泄漏量：1496×10-3=1.5m3/h
可見(jiàn)，普通蝶閥即便做到三級密封，在出料管充滿(mǎn)液體的時(shí)候其最大泄漏量～1.5m3/h。一般開(kāi)車(chē)時(shí)要求對U型彎充液15min，這個(gè)時(shí)候出料管基本是全充滿(mǎn)的，由于蝶閥密封不嚴，很快液位就會(huì )降到U型彎附近。如果蝶閥用的時(shí)間比較長(cháng)，密封面的磨損比較厲害，則泄漏量會(huì )更大。當蝶閥泄漏量比較大的時(shí)候，在操作的時(shí)候由于害怕U型彎液封破，充液閥往往一直打開(kāi)，導致開(kāi)車(chē)過(guò)程中一直有水漏到汽提塔中，汽提塔液位調節閥需要不斷排水。排水過(guò)程本身很難控制，非常容易導致二氧化碳竄到精餾塔中，導致精餾塔超壓。如果充液閥開(kāi)得太大，甚至可能導致水沿著(zhù)降液管進(jìn)入合成塔中，而導致水碳比失調。由于在投料階段，汽提塔降液管沒(méi)有形成液膜，高溫二氧化碳直接接觸汽提管，這對汽提塔的使用壽命是有影響的[4]。如果將普通蝶閥改為三偏心蝶閥，則密封等級可以做到Ⅳ級，甚至是V級。Ⅳ級的最大泄漏量只有三級密封的10%，也即0.15m3/h。如果中心管的管徑為DN200，在投料兩個(gè)小時(shí)候在不充液的情況下，相當于液位降低了～10m。根據前面分析，這時(shí)候U型彎還是安全的，二氧化碳沒(méi)有短路的可能。因此可以在出料前在打開(kāi)充液閥，或將自動(dòng)充液閥打開(kāi)，整個(gè)投料過(guò)程不需要頻繁開(kāi)啟充液閥。進(jìn)入汽提塔的液體很少，也不需要頻繁打開(kāi)汽提塔的液位調節閥。整個(gè)投料過(guò)程相對跟簡(jiǎn)單，更安全。有的廠(chǎng)如中石化安慶分公司化肥廠(chǎng)在技改時(shí)就將此閥改造成了三偏心蝶閥，實(shí)際使用效果良好[5]。但尿素裝置用三偏心蝶閥結構相對復雜，目前尚無(wú)生產(chǎn)廠(chǎng)家。如果選用角式調節閥，則不但可以保證密封等級，可選擇廠(chǎng)家也很多。當前角式尿素合成塔液位調節閥已經(jīng)在一些項目上得到應用，效果良好。
3、結論
尿塔液位控制閥選用常規蝶閥雖然能滿(mǎn)足工藝要求，但實(shí)際操作有諸多不便。采用三偏心蝶閥或者角閥，將密封等級提高到Ⅳ級可以使尿素開(kāi)車(chē)過(guò)程更簡(jiǎn)單、安全。
參考文獻
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