催化剂加氢还原反应器进出口开关阀选型研究

楼灵（霍尼韦尔（中国）有限公司，上海 201203）



催化剂加氢还原反应器进出口开关阀选型研究

楼灵
（霍尼韦尔（中国）有限公司，上海 201203）

摘 要在化工生产工艺装置的控制系统中，阀门是关键的控制元件，起到隔离设备和管道、调节流量以达到控制过程变量的目的。所以，根据阀门的特性选择适合当前工况的阀型十分重要。探讨催化剂工艺中加氢还原反应器进出口开关阀的应用。

关键词阀门；选型；固料；滑板阀；特性；高温；腐蚀

化工生产工艺装置中，经常使用的控制阀， 从阀门的结构特征分类主要有：截门形，关闭件沿着阀座的中心移动；闸门形，关闭件沿着垂直于阀座中心线的方向移动；旋塞和球形，关闭件是柱塞、锥塞或球体，围绕本身的周线旋转；蝶形，关闭件的圆盘围绕阀座内的轴线旋转或围绕阀座外的轴线旋转的结构；滑阀形，关闭件在垂直于通道的上方滑动等。[1]分别应用于调节或切断工况。

针对众多的阀门结构，我们需要根据使用工况特点、操作要求及性价比综合考虑阀门的选型。接下来我们就来探讨一下在催化剂工艺中加氢反应器进出口开关阀的选型及应用。本文是以某国际知名催化剂工艺包专利商于国内新建工厂为研究对象，工艺流程中的主要介质为固体颗粒的催化剂载体，流程中存在高温工段，部分流程中存在酸性腐蚀环境。

1 工艺流程简介

此次讨论的两台开关阀位于加氢还原反应器的入口及出口，用途为切断作用。局部工艺流程如图1所示，出于技术保护考虑，流程图做了简化处理，并且只截取部分内容作说明，图中XV-001及XV-002为此次探讨的阀门：

反应器的工作温度为565 ℃，反应器内部为纯氢气环境，被还原的介质为浸泡过贵金属溶液的蜂窝状氧化金属颗粒，介质本体松脆且昂贵。另外，介质中还含有一定量的氯离子。整个流程为间歇操作，首先关闭反应器出口，开始装填催化剂载体，当反应器中填满介质后，反应器开始以氮气置换空气，当达到纯氮气环境开始以氢气置换氮气，当达到纯氢环境切断入口，加温并开始还原反应，当反应结束开始以氮气置换反应器中氢气，当达到纯氮气环境，开始通入空气进行置换，置换完成后然后打开反应器底部切断阀卸料。如此循环每天1至2次。

图 1 简化流程Fig. 1 Simplified P&ID

2 选型研究

针对以上工艺操作，XV-001和XV-002均应选用开关阀。对开关阀的选型，一般化工装置的应用总是首选球阀。笔者在设计过程中对加氢还原反应器进出口的应用场合，分别对球阀、偏心旋转阀、蝶阀、刀闸阀和滑板阀5种阀型进行了分析研究，结果如下。

2.1 球阀

结构上的优点：

（1）全开时为通径，没有任何死角，当介质通过时不会对阀门其他部件造成冲刷磨损。

（2）关闭时密封效果较好，金属密封也有较多厂家可以做到五级以上。

但是在催化剂反应器进出口工况下，从结构上考虑，球阀由于以下不足，却不适合使用：

（1）当阀门处于半开状态时，物料有可能会进入阀腔，考虑到开关时间较短，在短时间内可能影响并不显著，但是长期必然容易出现阀杆卡死或阀球抱死等问题。球阀动作流道状态见图2。

图 2 球阀动作时的流道状态Fig. 2 Product flow status for ball valve

（2）由于工作温度为565 ℃，因此必须为金属密封球阀，而介质管道为8 in（1 in = 2.54 cm），一个8 in高温金属密封球阀的价格会是十分昂贵的，因此这也是一个不经济的选择。

2.2 偏心旋转阀

既然球阀不合适，那么由球阀演变而来的偏心旋转阀也可用作高性能的开关阀。偏心旋转阀没有了球阀的阀腔，可以解决阀腔积料的问题。但是新的问题随之而来：

（1）偏心旋转阀在全开时的流道并不是光滑的圆柱型通径，在物料通过时，特别是固体颗粒物料会对阀杆等其他阀门部件产生冲刷及磨损，并且这种金属间长时间的冲刷和撞击可能会损坏脆弱且昂贵的催化剂载体。偏心旋转阀动作时的流道状态见图 3。

图 3 偏心旋转阀动作时的流道状态Fig. 3 Product flow status for rotary eccentric plug valve

（2）该处应用需选用8 in口径的阀门，对于偏心旋转阀而言，口径偏大，不好选型。

因此，偏心旋转阀也不适合此次工况。

2.3 蝶阀

蝶阀用来调节液体、气体、蒸汽的流量，由于这种阀具有自己的清晰作用，因此可广泛使用于有悬浮颗粒物和浓浊浆状的流体，他特别适用于大口径、大流量、低压差的场合[2]，同时蝶阀也常用于开关作用，蝶阀阀动作时的流道状态见图4。

图 4 蝶阀动作时的流道状态Fig. 4 Product flow status for butterfly valve

但是蝶阀应用在此次工况也有其存在的问题：

（1）即使在全开状态下，蝶阀的阀板也是完全暴露在介质中，收到的冲刷非常严重，寿命较低。

（2）在关闭时阀板容易被颗粒固料卡死，对催化剂载体可能造成伤害，并且影响关闭效果。

基于以上考虑，蝶阀也不适合用在这个工况。2.4 刀闸阀

刀闸阀也常用于切断作用，并且普遍应用于固体物料的阀门。刀闸阀动作时的流道状态图见图5。

图 5 刀闸阀动作时的流道状态Fig. 5 Product flow status for knife gate valve

刀闸阀从结构上有以下优点：

（1）流阻系数小，全开时流道为圆柱型通径，阀门的其他部件不会收到介质的冲刷造成相互损伤。

（2）大口径阀门容易选型且价格较为经济。

但也有缺点：

（1）关闭时阀杆的行程比较长，高度尺寸比较大，保证完全密封困难，密封面遭受擦伤，工作条件差，在楔式闸阀中，楔形闸板与阀体的组装复杂。[3]

（2）刀闸的底部容易积料，在关闭时容易损坏催化剂载体，且影响关闭效果。

（3）由于结构限制，容易产生外漏，但是由于此次存在氢气工况，外漏问题必须得到解决。

由于以上问题，刀闸也无法满足工况要求。2.4 滑板阀

滑板阀的设计思路来源于刀闸阀，但绝不是一个刀闸阀。滑板阀的结构特点是：滑板贯通阀体两端，滑板中间开有一个孔。滑板阀结构见图6。

图 6 滑板阀结构Fig. 6 Slide gate valve structure

当滑板阀在全开时也是一个圆柱形的通径流道，不会受到介质的冲刷。但关闭时由于滑板阀没有所谓的阀座，因此也不会造成介质的堆积，同样也就不会造成催化剂载体的损伤。而由于滑板阀没有如球阀的阀腔，所以也不会产生物料的堆积从而产生抱死等情况。唯一有可能积存物料的地方是当滑板阀关闭时正

好处于圆形孔洞处的少量物料被暂时带进阀内，当下一次打开时物料被原路带回管道内，不会造成阀内物料的堆积。

3 实际应用

图 7 双层填料密封阀杆结构Fig. 7 Double packing structure for stem

在对某催化剂加氢装置进行设计时，经过以上研究比对，初步选择了滑板阀。考虑到防止外漏的要求，对滑板阀的阀杆密封进行了研究。由于整个阀板被完全密封在阀体内，只有阀杆露出阀体与执行机构相连，这样大大减少了填料需要密封的面积，降低了外漏的可能性。最终确定滑板阀是最适合催化剂加氢反应器进出口开关控制的阀型，并结合工艺过程操作工况和设计工况的温度、压力、介质的特殊性和管径等，选择了合适口径、压力等级和材质的滑板阀。

为了进一步减少外漏和对外漏进行监控，选用了采用双层填料密封阀杆的设计结构，如图7所示。

此结构在两层填料间有一段空隙，在空隙处开两个小孔。实际应用时，一个用于接吹扫氮气，其主要目的在于密封，防止氢气外漏；另一个用于接压力开关，当填料环间的压力发生较大变化时说明第一层填料可能已经发生损坏，压力开关发出报警信号至DCS系统，DCS操作画面发出报警提示，可以及时派人进行检修处理。

4 结束语

整个流程工艺的控制和切断最终是由控制阀来完成的，因此，阀门的选择是否合适会直接影响到控制效果及投资回报。而各种阀门本身根据各自的结构特点存在不同的优点和缺点，实际应用中必须根据工艺介质特点、操作工况、环境条件等因素进行综合考量，正确选用适合的阀门。

参考文献

[1]孙叔平，等. 工业自动化仪表与系统手册[M]. 北京：中国电力出版社，2008.

[2]陆德民，等. 石油化工自动控制设计手册（第三版）[M]. 北京：化学工业出版社，2000.

[3]王匡时. 阀门设计与计算[M]. 安徽：合肥通用机械研究所，1974.

Study of Selection of On-off Valve in Hydrogenating and Reducing Reactor for Catalyst

Lou Ling
（Honeywell China Co. Ltd, Shanghai 201203）

Abstract:Valve is a key component in process control system. It can be applied for blocking the equipments from pipe systems, controlling the flow and pressure, and relieving the pressure and etc. Thus it is important to select the right valve as per the process condition. In this article, the application of shut-off valve in the hydrogenating and reducing reactor in catalyst process was discussed. Keywords: valve; selection; solid; slide gate valve; characteristics; high temperature; corrosion

作者简介：楼灵（1981—），男，高级工程师（硕士），研究方向：化工装置自控工程设计。

收稿日期：2015-11-23

中图分类号：TQ 055.8+1

文献标识码：A

文章编号：2095-817X（2016）01-0018-000