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(diào)節(jié)閥通常選用中線式氣動(dòng)蝶閥[1]。這種蝶閥的結(jié)構(gòu)形式使得閥門全關(guān)時(shí)蝶板與閥體為間隙配合,密封性差,閥門的密封等級(jí)不可能太高。即使是國(guó)外知名廠家的閥門,密封等級(jí)也只能做到Ⅲ級(jí)。由于系統(tǒng)開(kāi)車時(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)車時(shí)間延長(zhǎng),物料消耗增大。合理選擇該閥門對(duì)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(diào)節(jié)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(xiàng)目高壓圈簡(jiǎn)易流程圖及位差見(jiàn)圖1。下面我們?cè)敿?xì)說(shuō)明二氧化碳汽提尿素裝置開(kāi)車過(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(shè)汽提塔到尿塔之間的阻力降為Δp,則下式成立:
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:
結(jié)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。在一次充滿平衡后,不往“U”型彎充液的情況下,隨著尿塔液位的增高,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(cè)液位將會(huì)降低,而左側(cè)及H會(huì)升高,且H的升高值是右側(cè)液位降低值的兩倍。隨著右側(cè)的液位升高,式(2)將達(dá)到一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)靠蝶閥側(cè)也即上圖右側(cè)液位將到TR-09處,則表示液封有沖破的風(fēng)險(xiǎn),但距離破液封還有1.2m的液位高差。按照投料時(shí)間120min計(jì),尿塔從塔底到喇叭口按28m計(jì),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(dá)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)到液封破所需時(shí)間:10min。
綜上,開(kāi)車操作時(shí),監(jiān)測(cè)TR-09溫度的變化趨勢(shì)來(lái)控制液封加水,如果TR-09有變化,說(shuō)明“U”型彎右側(cè)液位已經(jīng)將到溫度計(jì)處,液封需要補(bǔ)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(yán)。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(dāng)開(kāi)大充液閥的開(kāi)度,充液的開(kāi)度在實(shí)際開(kāi)車過(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(xù)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(dá)溫度計(jì)處;如果TR-09溫度與塔頂溫度相同如達(dá)到170℃,則說(shuō)明液位已經(jīng)達(dá)到喇叭口。液位到達(dá)喇叭口后,出料管中將充滿液體,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(duì)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(yán),但是可以滿足工藝要求的。
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(xiàng)目為例定量計(jì)算出料后期的泄漏量,計(jì)算公式參見(jiàn)GB/T17213.2-2005及GB/T4213-2008。計(jì)算參數(shù)如下[3]:
塔頂壓力:14.2MPa(a);液體壓力恢復(fù)系數(shù)FL查GB/T17213.2-2005表2取值0.62;閥的流量系數(shù)Cv為870;混合物臨界壓力Pc根據(jù)aspen計(jì)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(shù):
液位控制閥前后最大壓差:
△p<1.98MPa,屬于非阻塞流。
三級(jí)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(jí)密封,在出料管充滿液體的時(shí)候其最大泄漏量~1.5m3/h。一般開(kāi)車時(shí)要求對(duì)U型彎充液15min,這個(gè)時(shí)候出料管基本是全充滿的,由于蝶閥密封不嚴(yán),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(zhǎng),密封面的磨損比較厲害,則泄漏量會(huì)更大。當(dāng)?shù)y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(dǎo)致開(kāi)車過(guò)程中一直有水漏到汽提塔中,汽提塔液位調(diào)節(jié)閥需要不斷排水。排水過(guò)程本身很難控制,非常容易導(dǎo)致二氧化碳竄到精餾塔中,導(dǎo)致精餾塔超壓。如果充液閥開(kāi)得太大,甚至可能導(dǎo)致水沿著降液管進(jìn)入合成塔中,而導(dǎo)致水碳比失調(diào)。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(duì)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(jí)可以做到Ⅳ級(jí),甚至是V級(jí)。Ⅳ級(jí)的最大泄漏量只有三級(jí)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(dāng)于液位降低了~10m。根據(jù)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?qū)⒆詣?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(diào)節(jié)閥。整個(gè)投料過(guò)程相對(duì)跟簡(jiǎn)單,更安全。有的廠如中石化安慶分公司化肥廠在技改時(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(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,目前尚無(wú)生產(chǎn)廠家。如果選用角式調(diào)節(jié)閥,則不但可以保證密封等級(jí),可選擇廠家也很多。當(dāng)前角式尿素合成塔液位調(diào)節(jié)閥已經(jīng)在一些項(xiàng)目上得到應(yīng)用,效果良好。
3、結(jié)論
尿塔液位控制閥選用常規(guī)蝶閥雖然能滿足工藝要求,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(jí)提高到Ⅳ級(jí)可以使尿素開(kāi)車過(guò)程更簡(jiǎn)單、安全。
參考文獻(xiàn)
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