二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东华工程科技股份有限公司 作者:严红燕

  二氧化碳汽提尿素装置尿素合成塔液位调节阀通常选用中线式气动蝶阀[1]。这种蝶阀的结构形式使得阀门全关时蝶板与阀体为间隙配合,密封性差,阀门的密封等级不可能太高。即使是国外知名厂家的阀门,密封等级也只能做到Ⅲ级。由于系统开车时,尿素合成塔保持液位需靠高压水封。泄漏量大会造成开车时间延长,物料消耗增大。合理选择该阀门对投料和正常生产都是有益的。

1、尿塔液位控制阀的作用

  尿塔液位控制阀在正常生产时起到调节尿素合成塔液位的作用,在投料阶段则起到维持液封作用。

  某项目高压圈简易流程图及位差见图1。下面我们详细说明二氧化碳汽提尿素装置开车过程中汽提塔入口“U”型弯液封液位的变化过程。

高压圈简易流程图

图1 高压圈简易流程图

  进料后某一时刻尿塔液位为h(为了方便说明,压力单位均为米液柱),假设汽提塔到尿塔之间的阻力降为Δp,则下式成立:

二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择(1)

  如该时刻出料管中液封恰好平衡,则其液封液位如下图所示:

液封液位示意图

图2 液封液位示意图

  由图2可得:

二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择(2)

  结合式(1)可得出:H=h+Δp。由于Δp基本保持不变,液封高度H将随着尿塔液位的升高而升高,且液位的升高与尿塔液位的升高是一致的。在一次充满平衡后,不往“U”型弯充液的情况下,随着尿塔液位的增高,式(2)的平衡将会无法保持,需要更大的H才能维持平衡,二氧化碳将会进入到“U”型弯中,“U”型弯靠蝶阀即上图的右侧液位将会降低,而左侧及H会升高,且H的升高值是右侧液位降低值的两倍。随着右侧的液位升高,式(2)将达到一个不断变化的动态平衡。当靠蝶阀侧也即上图右侧液位将到TR-09处,则表示液封有冲破的风险,但距离破液封还有1.2m的液位高差。按照投料时间120min计,尿塔从塔底到喇叭口按28m计,则每分钟液位上升:28/120=0.233m/min。液位降低2.8m所需时间:2.8×2/0.233=24min。液位到达温度监测点到液封破所需时间:10min。

  综上,开车操作时,监测TR-09温度的变化趋势来控制液封加水,如果TR-09有变化,说明“U”型弯右侧液位已经将到温度计处,液封需要补水,此时间间隔约为20min。充液阀如果频繁启闭,这容易造成密封不严。如果不想频繁开关充液阀,则可以在进料后保持充液阀一个小开度,此开度以汽提塔中液位无明显变化为原则。在投料过程中TR-09发生变化,则适当开大充液阀的开度,充液的开度在实际开车过程中难于掌握。出料前,为了防止出料管串气,通常将自动充液阀打开,或者将充液阀打开连续充液~15min后出料[2]。如果TR-09显示温度~120℃,说明二氧化碳已经到达温度计处;如果TR-09温度与塔顶温度相同如达到170℃,则说明液位已经达到喇叭口。液位到达喇叭口后,出料管中将充满液体,由于出料阀的密封原因,尿液将逐步泄露到汽提塔中。

  由于“U”型弯的存在,液封对出料阀的密封性能没有特别要求。在正常情况下,出料阀虽然密封不严,但是可以满足工艺要求的。

2、尿塔液位控制阀的选择

  为了说明液位控制阀的泄漏量,以某项目为例定量计算出料后期的泄漏量,计算公式参见GB/T17213.2-2005及GB/T4213-2008。计算参数如下[3]

  塔顶压力:14.2MPa(a);液体压力恢复系数FL查GB/T17213.2-2005表2取值0.62;阀的流量系数Cv为870;混合物临界压力Pc根据aspen计算取14.7MPa(a);液体密度:1150kg/m3

  液位控制阀入口压力:

二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择

  液体临界压力比系数:

二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择

  液位控制阀前后最大压差:

二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择

  △p<1.98MPa,属于非阻塞流。

二氧化碳汽提装置尿塔液位控制阀的选择

  三级密封最大泄漏量:1496×10-3=1.5m3/h

  可见,普通蝶阀即便做到三级密封,在出料管充满液体的时候其最大泄漏量~1.5m3/h。一般开车时要求对U型弯充液15min,这个时候出料管基本是全充满的,由于蝶阀密封不严,很快液位就会降到U型弯附近。如果蝶阀用的时间比较长,密封面的磨损比较厉害,则泄漏量会更大。当蝶阀泄漏量比较大的时候,在操作的时候由于害怕U型弯液封破,充液阀往往一直打开,导致开车过程中一直有水漏到汽提塔中,汽提塔液位调节阀需要不断排水。排水过程本身很难控制,非常容易导致二氧化碳窜到精馏塔中,导致精馏塔超压。如果充液阀开得太大,甚至可能导致水沿着降液管进入合成塔中,而导致水碳比失调。由于在投料阶段,汽提塔降液管没有形成液膜,高温二氧化碳直接接触汽提管,这对汽提塔的使用寿命是有影响的[4]。如果将普通蝶阀改为三偏心蝶阀,则密封等级可以做到Ⅳ级,甚至是V级。Ⅳ级的最大泄漏量只有三级密封的10%,也即0.15m3/h。如果中心管的管径为DN200,在投料两个小时候在不充液的情况下,相当于液位降低了~10m。根据前面分析,这时候U型弯还是安全的,二氧化碳没有短路的可能。因此可以在出料前在打开充液阀,或将自动充液阀打开,整个投料过程不需要频繁开启充液阀。进入汽提塔的液体很少,也不需要频繁打开汽提塔的液位调节阀。整个投料过程相对跟简单,更安全。有的厂如中石化安庆分公司化肥厂在技改时就将此阀改造成了三偏心蝶阀,实际使用效果良好[5]。但尿素装置用三偏心蝶阀结构相对复杂,目前尚无生产厂家。如果选用角式调节阀,则不但可以保证密封等级,可选择厂家也很多。当前角式尿素合成塔液位调节阀已经在一些项目上得到应用,效果良好。

3、结论

  尿塔液位控制阀选用常规蝶阀虽然能满足工艺要求,但实际操作有诸多不便。采用三偏心蝶阀或者角阀,将密封等级提高到Ⅳ级可以使尿素开车过程更简单、安全。

参考文献

  [1]大连工学院.日产千吨合成氨厂气提法尿素生产工艺[M].北京:石油化学工业出版社,1978:23-24.

  [2]中国石油化工集团公司人事部等.尿素装置操作工[M].北京:中国石化出版社,2007:259-266

  [3]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册(第四版,下)[M].北京:化学工业出版社,2009:432-438.

  [4]刘晓敏,等.尿素优化生产工艺技术与设备操控及维护实用手册[M].北京:北方工业出版社,2006:326-328

  [5]程锦昌.尿素合成塔液位调节蝶阀的技术改造[J].大氮肥,2007,30(2):87-88.

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