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        技术文献

        浅谈CO2汽提法尿素装置的选型及设计
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        信息来源:成都斯杰化工机械有限公司  2018-8-9 11:50:13

        浅谈CO2汽提法尿素装置的选型及设计

        张朝贵

        ( 成都斯杰化工机械有限公司  四川 成都  610300 )

          [摘要]在CO2气提法尿素装置中,尿素高压调节阀控制着高压圈的关键阀位,并直接影响到整个装置长周期稳定运行,高压调节阀的选材、选型、设计一直是设计单位、尿素厂设备管理方面无法回避的重要节点。我公司长期致力于尿素高压调节阀设计、制造,现就该类阀门选型、设计谈谈自己的经验和体会。
        [关键词] CO2气提法尿素装置 尿素高压调节阀 选型 防结晶 高压调节蝶阀
         
        前言
        目前我们国内尿素生产装置采用二氧化碳气提法的企业越来越多,并且装置规模越来越大,我公司从2002年开始参与该工艺的“尿素专用调节阀”-进口阀维修、替代进口阀之国产化设计、制造,至今我公司已为近30家用户单位提供产品、服务,规模从单套装置年产15万吨/年到80万吨/年,成套提供“尿素高压调节阀”近200台,替换进口阀80台/次,从运行情况来看,均达到了用户使用要求和取得了不错的综合效益。
        在为用户服务的近二十年时间里,我们积累了“CO2汽提法尿素装置高压圈调节阀”选型设计、制造的宝贵经验和体会,现以二氧化碳汽提法尿素装置中部分高压调节阀为例,试对选型及设计中的重要问题加以分析说明。
        1  CO2汽提塔液位调节阀
        1.1工艺参数及分析
        介质:尿液   温度:173℃   阀前压力:14.2MPa   阀后压力:0.6MPa
        口径:2″ 3″ 4″
        从参数可知,该阀的使用工况较为恶劣,有如下特点:
        a. 介质尿液具有极强的腐蚀性,并易结晶;
        b. 阀前后压差大,高达到13.6MPa;
        由于压差大,在阀座节流孔处介质的流速高,特别是当开度较小时,流速更大。从而对阀体及内件产生强冲刷。同时当阀后压力降低到进口温度下的饱和蒸汽压力时,则产生气蚀现象。
        1.2 阀门的选型、选材要点
        1.2.1防结晶设计
        对于介质易结晶的特点,阀门的结构设计应该力求避免在流道内出现低温易结晶区域。如果采用传统的阀体、上阀盖组合结构(图一),则在上阀盖内形成低温易结晶区域。传统设计为避免介质在低温易结晶区域形成结晶,通常采取在上阀盖外焊接一个保温夹套的办法来防止结晶。根据实际使用情况来看,此防结晶措施的效果不够理想。
        我公司采用阀体、阀盖一体式结构设计(图二),将阀体、阀盖设计成一个整体,同时填料函下沉,这样可以有效降低阀体整体高度,从而避免了低温易结晶区域的形成。从实际使用情况来看,一体式结构即使没有蒸汽保温夹套,调节阀在运行时也没有结晶现象,说明我们在防止结晶方面,采取的阀盖、阀体一体式设计是成功的,有效而可靠的。
        1.2.2防腐蚀、冲刷选材
        通常一台阀门的使用寿命取决于阀门节流件的使用寿命,因尿液的强腐蚀性和高流速产生的冲刷,使调节阀节流件的使用寿命小于阀体的使用寿命,如何提高调节阀节流件的使用寿命成为阀门设计制造企业的主要目标和永恒追求。
        我公司CO2汽提法尿素装置高压调节阀节流件(阀芯、阀座)材料采用U3(00Cr25Ni20Mn3Mo3N)。通过休氏试验比较:U3的耐腐蚀性能远优于316Lmod。U3的硬度值达到HB200,也高于316Lmod(316Lmod的硬度值只有HB143左右),所以U3钢的耐腐、耐冲刷性优于316Lmod。实践中证实U3钢对尿液和甲铵液具有良好的耐腐蚀性,且具有较好的综合机械性能,因此阀内件选用U3材料是目前的最好选择。
        1.2.3防气蚀结构
        根据气蚀产生的机理,我们将阀座流道适当加长,把阀座的流道设计成两段式(图三),阀座节流处设计成等径,等径段的上游设计成有一定的锥度。锥度段较长,起到逐渐降压的作用,从而促使压差的重新分配,以此降低气蚀对阀内件的破坏作用,使阀内件的使用寿命更长。
        2  CO2汽提塔进口尿液?氐鹘诜
        2.1工艺参数及分析
        介质:尿液  温度:183℃   阀前压力:14.2MPa   阀后压力:13.98MPa 
        口径:14″ 10″ 8″
        该阀工况条件有以下特点:
        a. 介质为尿液,强腐蚀
        b. 口径大,压差小仅为0.04MPa
        该工位阀门在合成塔与汽提塔之间调节液位,各设计院在这个阀位选型不一,有选用角阀、蝶阀两个方案,该处阀门根据工艺要求一般选用比较大的口径,作用在阀门的前后压差比较小,要求流通能力大,流阻系数尽量小,从工况来看选用蝶阀比较适宜。
        2.2阀门的设计要点
        2.2.1对于高压角式调节阀用在该处的设计已经很成熟,我们在此不过多介绍,而大口径高压硬密封调节蝶阀国产化历史不长,我们公司是该工位首台尿素高压蝶阀的设计制造企业,从2003年 “江苏恒盛化工股份有限公司”成功投用以来,已经积累了丰厚的设计、制造经验。
        2.2.2 高压蝶阀的结构主要由阀体、阀板、阀杆、执行器组成。突出优点是体积小、重量轻、安装占用空间小。在开启15°~70°之间,能进行流量调节控制,呈近似对数流量特性。
        2.2.3 该位置对阀的调节性能要求较低,相对系统来 说保证安全性能的要求会更高一些。我们在测绘进口高压蝶阀时,发现高压蝶阀的阀板上加工有一V型缺口(图四),目的是保证阀门在关闭时有最小流量,避免合成塔超压。也有进口高压蝶阀的阀板上没有这一V型缺口的设计,但采用了中线平面密封,泄漏等级最多达到III级,不允许更高,否则因关闭太严而造成合成塔超压,引起事故。所以此处高压蝶阀泄漏等级要求达到IV级或更高是不科学的。
        进CO2汽提塔CO2放空压力调节阀
        3.1工艺参数及分析
        介质:CO2  温度:120℃  阀前压力:14.52MPa  阀后压力:0.15MPa
        口径:2″ 3″ 4″
        该阀工况条件特点:该阀压差大,达到14.37MPa
        此阀是CO2压缩机出来到汽提塔之间,介质CO2气体经过调节阀节流处时速度最高。速度越高,压差越大,产生的噪声就越大。故该阀的重点是减压降噪。
        3.2阀门的设计要点
        3.2.1采用迷宫式的减压降噪结构。
        通常采用的迷宫式降噪结构一种为圆盘式(图五),由多层圆盘叠加在一起,在每层圆盘上加工出弯曲的沟槽流道,CO2气体经过这些弯曲流道时,能量消耗,分段减压,增大压力损失,达到减压降噪的目的。此种结构的不足之处是,因弯曲的沟槽截面细小,介质中的细小颗粒极易堵塞流道,而圆盘式结构流道清理的难度也较大。
        另一种降噪结构是多层套筒式(图六),每层套筒圆周分布许多节流小孔,每层套筒上的小孔都是相互隔开和错开排列。CO2介质通过套筒时经过套筒分段降压,介质流出第一层套筒后就相互撞击,消耗能量使压力和流速都得到了降低,从而降低了噪声的产生。套筒式降噪结构,不易被细小颗粒堵塞,流道也更易清理、维护。
        3.2.3 在CO2放空压力调节时,调节阀内腔有可能形成干冰、少量尿素结晶体堵塞阀腔。为避免此种现象,在阀体上加蒸汽夹套是不错的设计。
         
        结语:
         我公司在继承原“四川化工机械厂”生产尿素高压阀优势的基础上,一直致力于针对 CO2汽提法尿素装置高压圈调节阀国产化的探索、创新,寻找该类装置更优的设计、制造及配置,并且在该套阀的设计制造实践中取得了两项专利,形成了独具特色的选型、设计思路。作为CO2汽提法尿素装置关键阀门-尿素高压阀的合格制造商,“成都斯杰”品牌阀门已成功在国内近三十套尿素装置上长周期安全运行,完全满足CO2汽提法尿素装置高压圈的苛刻工况条件和相关要求。我公司尿素高压调节阀系列产品多个关键点的设计、制造已超越进口同类阀门,完全具备大型尿素装置高压圈高压调节阀的设计、制造能力。

         

         
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