催化劑加氫還原反應(yīng)器進(jìn)出口開關(guān)閥選型研究

樓靈（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

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催化劑加氫還原反應(yīng)器進(jìn)出口開關(guān)閥選型研究

樓靈
（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

摘 要在化工生產(chǎn)工藝裝置的控制系統(tǒng)中，閥門是關(guān)鍵的控制元件，起到隔離設(shè)備和管道、調(diào)節(jié)流量以達(dá)到控制過程變量的目的。所以，根據(jù)閥門的特性選擇適合當(dāng)前工況的閥型十分重要。探討催化劑工藝中加氫還原反應(yīng)器進(jìn)出口開關(guān)閥的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞閥門；選型；固料；滑板閥；特性；高溫；腐蝕

化工生產(chǎn)工藝裝置中，經(jīng)常使用的控制閥， 從閥門的結(jié)構(gòu)特征分類主要有：截門形，關(guān)閉件沿著閥座的中心移動；閘門形，關(guān)閉件沿著垂直于閥座中心線的方向移動；旋塞和球形，關(guān)閉件是柱塞、錐塞或球體，圍繞本身的周線旋轉(zhuǎn)；蝶形，關(guān)閉件的圓盤圍繞閥座內(nèi)的軸線旋轉(zhuǎn)或圍繞閥座外的軸線旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)；滑閥形，關(guān)閉件在垂直于通道的上方滑動等。[1]分別應(yīng)用于調(diào)節(jié)或切斷工況。

針對眾多的閥門結(jié)構(gòu)，我們需要根據(jù)使用工況特點(diǎn)、操作要求及性價(jià)比綜合考慮閥門的選型。接下來我們就來探討一下在催化劑工藝中加氫反應(yīng)器進(jìn)出口開關(guān)閥的選型及應(yīng)用。本文是以某國際知名催化劑工藝包專利商于國內(nèi)新建工廠為研究對象，工藝流程中的主要介質(zhì)為固體顆粒的催化劑載體，流程中存在高溫工段，部分流程中存在酸性腐蝕環(huán)境。

1 工藝流程簡介

此次討論的兩臺開關(guān)閥位于加氫還原反應(yīng)器的入口及出口，用途為切斷作用。局部工藝流程如圖1所示，出于技術(shù)保護(hù)考慮，流程圖做了簡化處理，并且只截取部分內(nèi)容作說明，圖中XV-001及XV-002為此次探討的閥門：

反應(yīng)器的工作溫度為565 ℃，反應(yīng)器內(nèi)部為純氫氣環(huán)境，被還原的介質(zhì)為浸泡過貴金屬溶液的蜂窩狀氧化金屬顆粒，介質(zhì)本體松脆且昂貴。另外，介質(zhì)中還含有一定量的氯離子。整個流程為間歇操作，首先關(guān)閉反應(yīng)器出口，開始裝填催化劑載體，當(dāng)反應(yīng)器中填滿介質(zhì)后，反應(yīng)器開始以氮?dú)庵脫Q空氣，當(dāng)達(dá)到純氮?dú)猸h(huán)境開始以氫氣置換氮?dú)猓?dāng)達(dá)到純氫環(huán)境切斷入口，加溫并開始還原反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束開始以氮?dú)庵脫Q反應(yīng)器中氫氣，當(dāng)達(dá)到純氮?dú)猸h(huán)境，開始通入空氣進(jìn)行置換，置換完成后然后打開反應(yīng)器底部切斷閥卸料。如此循環(huán)每天1至2次。

圖 1 簡化流程Fig. 1 Simplified P&ID

2 選型研究

針對以上工藝操作，XV-001和XV-002均應(yīng)選用開關(guān)閥。對開關(guān)閥的選型，一般化工裝置的應(yīng)用總是首選球閥。筆者在設(shè)計(jì)過程中對加氫還原反應(yīng)器進(jìn)出口的應(yīng)用場合，分別對球閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥、蝶閥、刀閘閥和滑板閥5種閥型進(jìn)行了分析研究，結(jié)果如下。

2.1 球閥

結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)：

（1）全開時為通徑，沒有任何死角，當(dāng)介質(zhì)通過時不會對閥門其他部件造成沖刷磨損。

（2）關(guān)閉時密封效果較好，金屬密封也有較多廠家可以做到五級以上。

但是在催化劑反應(yīng)器進(jìn)出口工況下，從結(jié)構(gòu)上考慮，球閥由于以下不足，卻不適合使用：

（1）當(dāng)閥門處于半開狀態(tài)時，物料有可能會進(jìn)入閥腔，考慮到開關(guān)時間較短，在短時間內(nèi)可能影響并不顯著，但是長期必然容易出現(xiàn)閥桿卡死或閥球抱死等問題。球閥動作流道狀態(tài)見圖2。

圖 2 球閥動作時的流道狀態(tài)Fig. 2 Product flow status for ball valve

（2）由于工作溫度為565 ℃，因此必須為金屬密封球閥，而介質(zhì)管道為8 in（1 in = 2.54 cm），一個8 in高溫金屬密封球閥的價(jià)格會是十分昂貴的，因此這也是一個不經(jīng)濟(jì)的選擇。

2.2 偏心旋轉(zhuǎn)閥

既然球閥不合適，那么由球閥演變而來的偏心旋轉(zhuǎn)閥也可用作高性能的開關(guān)閥。偏心旋轉(zhuǎn)閥沒有了球閥的閥腔，可以解決閥腔積料的問題。但是新的問題隨之而來：

（1）偏心旋轉(zhuǎn)閥在全開時的流道并不是光滑的圓柱型通徑，在物料通過時，特別是固體顆粒物料會對閥桿等其他閥門部件產(chǎn)生沖刷及磨損，并且這種金屬間長時間的沖刷和撞擊可能會損壞脆弱且昂貴的催化劑載體。偏心旋轉(zhuǎn)閥動作時的流道狀態(tài)見圖 3。

圖 3 偏心旋轉(zhuǎn)閥動作時的流道狀態(tài)Fig. 3 Product flow status for rotary eccentric plug valve

（2）該處應(yīng)用需選用8 in口徑的閥門，對于偏心旋轉(zhuǎn)閥而言，口徑偏大，不好選型。

因此，偏心旋轉(zhuǎn)閥也不適合此次工況。

2.3 蝶閥

蝶閥用來調(diào)節(jié)液體、氣體、蒸汽的流量，由于這種閥具有自己的清晰作用，因此可廣泛使用于有懸浮顆粒物和濃濁漿狀的流體，他特別適用于大口徑、大流量、低壓差的場合[2]，同時蝶閥也常用于開關(guān)作用，蝶閥閥動作時的流道狀態(tài)見圖4。

圖 4 蝶閥動作時的流道狀態(tài)Fig. 4 Product flow status for butterfly valve

但是蝶閥應(yīng)用在此次工況也有其存在的問題：

（1）即使在全開狀態(tài)下，蝶閥的閥板也是完全暴露在介質(zhì)中，收到的沖刷非常嚴(yán)重，壽命較低。

（2）在關(guān)閉時閥板容易被顆粒固料卡死，對催化劑載體可能造成傷害，并且影響關(guān)閉效果。

基于以上考慮，蝶閥也不適合用在這個工況。2.4 刀閘閥

刀閘閥也常用于切斷作用，并且普遍應(yīng)用于固體物料的閥門。刀閘閥動作時的流道狀態(tài)圖見圖5。

圖 5 刀閘閥動作時的流道狀態(tài)Fig. 5 Product flow status for knife gate valve

刀閘閥從結(jié)構(gòu)上有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）流阻系數(shù)小，全開時流道為圓柱型通徑，閥門的其他部件不會收到介質(zhì)的沖刷造成相互損傷。

（2）大口徑閥門容易選型且價(jià)格較為經(jīng)濟(jì)。

但也有缺點(diǎn)：

（1）關(guān)閉時閥桿的行程比較長，高度尺寸比較大，保證完全密封困難，密封面遭受擦傷，工作條件差，在楔式閘閥中，楔形閘板與閥體的組裝復(fù)雜。[3]

（2）刀閘的底部容易積料，在關(guān)閉時容易損壞催化劑載體，且影響關(guān)閉效果。

（3）由于結(jié)構(gòu)限制，容易產(chǎn)生外漏，但是由于此次存在氫氣工況，外漏問題必須得到解決。

由于以上問題，刀閘也無法滿足工況要求。2.4 滑板閥

滑板閥的設(shè)計(jì)思路來源于刀閘閥，但絕不是一個刀閘閥。滑板閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：滑板貫通閥體兩端，滑板中間開有一個孔?；彘y結(jié)構(gòu)見圖6。

圖 6 滑板閥結(jié)構(gòu)Fig. 6 Slide gate valve structure

當(dāng)滑板閥在全開時也是一個圓柱形的通徑流道，不會受到介質(zhì)的沖刷。但關(guān)閉時由于滑板閥沒有所謂的閥座，因此也不會造成介質(zhì)的堆積，同樣也就不會造成催化劑載體的損傷。而由于滑板閥沒有如球閥的閥腔，所以也不會產(chǎn)生物料的堆積從而產(chǎn)生抱死等情況。唯一有可能積存物料的地方是當(dāng)滑板閥關(guān)閉時正

好處于圓形孔洞處的少量物料被暫時帶進(jìn)閥內(nèi)，當(dāng)下一次打開時物料被原路帶回管道內(nèi)，不會造成閥內(nèi)物料的堆積。

3 實(shí)際應(yīng)用

圖 7 雙層填料密封閥桿結(jié)構(gòu)Fig. 7 Double packing structure for stem

在對某催化劑加氫裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)時，經(jīng)過以上研究比對，初步選擇了滑板閥?？紤]到防止外漏的要求，對滑板閥的閥桿密封進(jìn)行了研究。由于整個閥板被完全密封在閥體內(nèi)，只有閥桿露出閥體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，這樣大大減少了填料需要密封的面積，降低了外漏的可能性。最終確定滑板閥是最適合催化劑加氫反應(yīng)器進(jìn)出口開關(guān)控制的閥型，并結(jié)合工藝過程操作工況和設(shè)計(jì)工況的溫度、壓力、介質(zhì)的特殊性和管徑等，選擇了合適口徑、壓力等級和材質(zhì)的滑板閥。

為了進(jìn)一步減少外漏和對外漏進(jìn)行監(jiān)控，選用了采用雙層填料密封閥桿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

此結(jié)構(gòu)在兩層填料間有一段空隙，在空隙處開兩個小孔。實(shí)際應(yīng)用時，一個用于接吹掃氮?dú)?，其主要目的在于密封，防止氫氣外漏；另一個用于接壓力開關(guān)，當(dāng)填料環(huán)間的壓力發(fā)生較大變化時說明第一層填料可能已經(jīng)發(fā)生損壞，壓力開關(guān)發(fā)出報(bào)警信號至DCS系統(tǒng)，DCS操作畫面發(fā)出報(bào)警提示，可以及時派人進(jìn)行檢修處理。

4 結(jié)束語

整個流程工藝的控制和切斷最終是由控制閥來完成的，因此，閥門的選擇是否合適會直接影響到控制效果及投資回報(bào)。而各種閥門本身根據(jù)各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)工藝介質(zhì)特點(diǎn)、操作工況、環(huán)境條件等因素進(jìn)行綜合考量，正確選用適合的閥門。

參考文獻(xiàn)

[1]孫叔平，等. 工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[2]陸德民，等. 石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊（第三版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]王匡時. 閥門設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 安徽：合肥通用機(jī)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

作者簡介：樓靈（1981—），男，高級工程師（碩士），研究方向：化工裝置自控工程設(shè)計(jì)。

收稿日期：2015-11-23

中圖分類號：TQ 055.8+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）01-0018-000