关于BDO装置关键阀门的设计及选型

2018-04-26任小龙

石油化工自动化 2018年2期

任小龙

(北京石油化工工程有限公司西安分公司，西安 710075)

1，4-丁二醇(BDO)是一种重要的有机和精细化工原料，广泛应用于化工、医药、纺织、造纸、汽车和日用化工等领域。随着国民经济的快速发展，对BDO产品的需求日趋增长，目前产能规模已超过2.5 Mt/a，并还在继续扩产中。在BDO装置仪表专业设计过程中会涉及大量阀门的选型设计，阀门选型是否合理关系到日后整个装置运行得好坏，因而需要高度重视。

1 工艺流程概况

全球生产BDO的工艺路线有很多种方法，如炔醛法、顺酐法以及烯丙醇法，但炔醛法在原料、技术等方面的优势占据主流，中国采用炔醛法生产BDO产量占80%以上。其工艺流程大致如下：

1) 一阶段天然气制乙炔气，乙炔与甲醛为原料在反应器中反应生成丁炔二醇(B3D)。

2) 二阶段粗B3D精制后进入BDO反应器，在催化剂的作用下两段加氢生成1，4-丁二醇。两段加氢工艺可提高最终产品的纯度和整体收率，但该反应也会产生一些如丁醇的副产品。

3) 三阶段高压加氢后的粗BDO中含有BDO水溶液，其余是丁醇、轻组分和重组分杂质，精馏工段根据这些物质在不同的温度和压力下的沸点不同，利用精馏原理进行分离回收，最终得到符合要求的BDO产品。

2 特殊阀门

BDO装置的主要阀门有：乙炔切断阀、催化剂切断阀及调节阀、高压临氢调节角阀、BDO溶液高压调节角阀，下面对这些阀门逐一进行说明。

2.1 BDO装置乙炔切断阀

在第一阶段乙炔经过水环式压缩机升压至0.31 MPa、温度75 ℃后送到B3D反应器进行反应，由于乙炔压力高会造成反应器温升使得乙炔易自聚产生爆炸危险，因而管路设置气动切断阀触发联锁关阀门。

2.1.1乙炔介质对阀门的技术要求

1) 乙炔为爆炸性危险气体，防爆级别和引燃温度分组为ⅡCT2，因而所选定位器、电磁阀等部件应采用相应防爆产品。

2) 乙炔气易产生分解，它是碳和氢元素的自发反应，即便在压力小于0.02 MPa的低压环境下都可能发生。如果爆燃产生的最终反应压力是由反应释放的能量产生的初始压力的10～11倍，因而阀门的设计压力至少可承受大于10倍的操作压力，通常阀门的设计压力等级至少比操作压力高1个等级。

3) 关于阀结构的选择。GB 50031—1991《乙炔站设计规范》中规定管内径大于50 mm的中压乙炔管道，不应选用闸阀。在欧洲气体协会IGC 123新规范中不建议在中压或高压管道采用锥形旋塞阀和球阀，除非特殊设计可防止绝热压缩导致乙炔分解，例如：执行机构为慢开型。但目前国内小尺寸管径DN80及以下的气动切断阀门大都采用球阀型式，开关时间5 s，目前尚未出现问题但仍需持续关注。大尺寸乙炔阀门建议采用高性能三偏心蝶阀以保证乙炔分解时具有足够的关断差压。

2.1.2材质选择

1) 材料选择。当乙炔与铜、银、汞及其金属盐接触时，会形成爆炸性的乙炔化物。这些乙炔化物对冲击或摩擦非常敏感，因而严禁选用含铜量70%以上的铜合金，以及银、汞、锌、镉及其合金材料制造的产品。阀门和附件应采用钢、可锻铸铁或球墨铸铁材料。

2) 阀门附件及密封件也不能采用塑料材料和人造纤维以防产生静电。

2.1.3其他要求

1) 防火要求。阀门需满足API 607防火要求。由于乙炔为易燃易爆物质，极易引发火灾和爆炸事故，在易燃工况，阀门在遭受一定时间的火烧后，仍应具有一定的密封性能及操作性能。

2) 防静电要求。由于乙炔为易燃介质,因而阀门应设计成防静电结构，以保证阀门的导电性。例如：球阀或旋塞阀座是PTFE非金属，而球是金属，转动过程中可能产生静电，若不导出静电就会积累，阀座和球之间会有电压，高到一定程度阀腔就可能产生电火花引起事故。

3) 乙炔阀门通常不需要脱脂处理。在安装后的乙炔管道系统，特别是高压工况应通过压缩空气或氮气进行清扫以消除杂质。由于冰和干冰均为固体，因而会发生摩擦有产生静电的风险，建议不要使用二氧化碳进行净化。

2.2 催化剂切断阀及调节阀

第一阶段中浓缩过滤器出口催化剂浆液返回至B3D反应器，催化剂为B3D与最小粒径为2 mm的金属粉末状颗粒的混合物呈较为黏稠料浆状。根据工艺包要求及HAZOP分析结果，需设置1个气动切断阀及带切断功能的流量调节阀。阀前、阀后操作压力分别为1.2 MPa，0.3 MPa，温度95 ℃，切断阀需满足API 598级密封。工艺参数虽并不苛刻，但对于固体颗粒及黏稠性介质来说，为避免介质在管道中堆积，控制阀一般使用全通径阀门，而像截止阀等流阻较大的阀门则不宜采用。由于密封性要求很高，球阀和旋塞阀均为首选。

2.2.1旋塞切断阀技术特点

1) 旋塞阀阀体内嵌有聚四氟乙烯套，其阀体构造如图1所示。旋塞以锥面与套配合，但旋塞开有窗口，旋塞转动与套筒之间节流，关闭时旋塞与四氟乙烯(PTFE)衬套之间密封，由于采用软密封可满足高密封等级要求。

图1 旋塞阀结构示意

2) 由于旋塞阀密封面之间运动带有擦拭作用，而在全开时可完全防止与流动介质的接触，故它通常也能够用于带悬浮颗粒的介质。

3) 目前大部分旋塞阀旋塞下部不固定，当阀启闭过程中，阀前后的差压很大，若旋塞两侧长期处于高压力差的状态，易造成衬套的偏移，一旦暴露在管道内，随着旋塞的转动会将突出的衬套撕裂，因而该结构建议用作切断而非调节。

4) 旋塞阀由于采用面密封，在开关过程中旋塞切割衬套并产生极大摩擦力，执行机构较同尺寸球阀操作压力较大，因而通常用在小于100 mm口径的场合。

2.2.2V型调节球阀技术要求

由于管线接入反应器，该管线切断阀前带流量调节阀用于与反应器内液位进行串级调节。由于介质为浆料且密封要求较高，采用V形球阀较为合理。V形球阀是在O形球阀基础上发展起来，因V形口与阀座之间有剪切作用，可切断纤维状的流体，如纤维、纸浆、含颗粒的介质，密封性能好，流通能力大且具有可调比宽等特点，但仍需考虑如下因素：

1) 当密封面为硬质合金时，所需要的密封比压比软密封要高得多，阀座的密封结构也有不同的设计。一般来说，金属密封的阀座结构，其背部会采取相关弹簧或碟簧等弹性配件，以提供阀门必需的预紧力和密封比压。

2) 由于催化剂颗粒硬度较高，在该工况下阀门处于关闭状态时就要求球体表面具有较高的硬度，否则，当阀门开启的过程中会有催化剂颗粒镶嵌在球体表面上，从而破坏球体表面，以至于影响到阀门的整体密封性能。

3) 由于介质中颗粒粒径较小，在阀门启闭过程中，介质颗粒被带到阀座与球体的密封面之间，破坏了球体与阀座之间的密封面，从而影响阀门的密封性能，使阀门的使用寿命大幅缩短。因此，要求阀门具有很好的“自洁”功能，从而保证球体和阀座密封副不被破坏。

2.3 高压差临氢阀门

第二阶段B3D溶液高压加氢反应生成BDO，其中氢气介质操作温度为120 ℃，压力接近30 MPa，在气分罐出口氢气压力泄放时，阀后压力仅3 MPa，前后差压为27 MPa，苛刻的工况对阀门选型提出了很高的要求。

2.3.1材料的选择

在氢压力较低时，在200 ℃以下氢分子离解为氢原子的量可以忽略不计，但当氢气压力很高时，常温下氢的离解是不能忽视的。气体氢从分子状态离解成原子态后，进入金属中可能发生氢脆。

由温度-压力曲线可知，阀门压力等级为Class2500，根据JB/T 11484—2013《高压加氢装置用阀门技术规范》，阀体可选择低碳、低硫、低磷的优质碳素钢或含Nb或Ti合金元素的优质稳定化不锈钢。但如果采用不锈钢在该温度下已不能满足压力等级要求，则碳素钢却有更高的强度。根据API 941纳尔逊曲线发现采用碳钢不会发生高温氢腐蚀，导致阀门表面脱碳、内部脱碳和裂纹。因而建议阀体材质采用A105，内件材质采用F321。

2.3.2阀门结构

根据以上工艺要求，由于压降过大，气体通过阀门产生阻塞流，节流孔附近的介质流速已经接近并达到了音速，若采用普通的单座直通阀则噪音大，会产生机械振动且阀内件磨损严重，因而需要选择合适的阀门结构。通常建议采用迷宫式高压角阀实现,迷宫式阀芯曲折流道如图2所示。介质经过任何一个阻力件都将引起一定压降，增大流道的阻力系数,可实现多级降压且满足在高差压下的相对低流速，可大副缓解高差压阀门中的振动、噪声和冲蚀等现象，同时介质为洁净气体并不会阻塞流道。该结构阀门也被应用在其他行业，如：尿素合成塔压力放空调节阀及电力行业的锅炉给水泵再循环阀。

图2 迷宫型阀芯和盘片流道示意

2.4 BDO溶液高压调节阀

BDO反应器生成产品BDO后经减压送到BDO缓冲槽，气动调节阀与反应器上的液位计形成液位调节回路。阀前压力接近30 MPa，阀后降为0.5 MPa，操作温度最高可达140 ℃。由于压降过大，如采用普通结构单座调节阀，阀内部阀芯和阀座处介质迅速闪蒸并产生巨大的汽蚀作用，导致阀内件短时间内就会损坏而无法使用，因而要求这些位置的阀门内部结构必须采用多级降压避免产生闪蒸从而消除汽蚀的结构。

阀门结构通常使用糖葫芦串型多级降压调节阀，该方式为轴流式结构采用多级阀芯串联逐级降压，将压降分散开使每级压力降低平稳以确保不发生闪蒸，以彻底消除气蚀的发生同时节流孔处的湍流效果减弱。

1) 独特的阀芯设计可有效地降低小开度工况下流体流经阀门密封面时的速度，以达到降低噪声且减少阀门密封面磨损的目的。

2) 流道畅通，最大可通过粒径12 mm的颗粒，可有效防止流体内颗粒杂质造成的堵塞问题。

3) 对于高压液体泵出口的角形调节阀流向，一般采用流开方向，即底进侧出方式，其特点：允许压降调节性能较好；压降与阀杆运动方向一致避免径向振动稳定性高；执行机构及阀杆质量可抵消部分压差压力，减小执行机构操作力。基于以上几点，通常Class900以上角型调节阀一般无反作用阀芯。

4) 阀门执行机构动作方式为气关，而联锁时要求阀开，失气的动作方向一致，故直接在进气气路上加放空电磁阀即能满足联锁要求，无需配套储气罐。