二氧化碳汽提尿素裝置尿素合成塔液位調(diào)節(jié)閥通常選用中線式氣動(dòng)蝶閥^[1]。這種蝶閥的結(jié)構(gòu)形式使得閥門全關(guān)時(shí)蝶板與閥體為間隙配合，密封性差，閥門的密封等級(jí)不可能太高。即使是國(guó)外知名廠家的閥門，密封等級(jí)也只能做到Ⅲ級(jí)。由于系統(tǒng)開(kāi)車時(shí)，尿素合成塔保持液位需靠高壓水封。泄漏量大會(huì)造成開(kāi)車時(shí)間延長(zhǎng)，物料消耗增大。合理選擇該閥門對(duì)投料和正常生產(chǎn)都是有益的。

1、尿塔液位控制閥的作用

　　尿塔液位控制閥在正常生產(chǎn)時(shí)起到調(diào)節(jié)尿素合成塔液位的作用，在投料階段則起到維持液封作用。

　　某項(xiàng)目高壓圈簡(jiǎn)易流程圖及位差見(jiàn)圖1。下面我們?cè)敿?xì)說(shuō)明二氧化碳汽提尿素裝置開(kāi)車過(guò)程中汽提塔入口“U”型彎液封液位的變化過(guò)程。

圖1 高壓圈簡(jiǎn)易流程圖

　　進(jìn)料后某一時(shí)刻尿塔液位為h(為了方便說(shuō)明，壓力單位均為米液柱)，假設(shè)汽提塔到尿塔之間的阻力降為Δp，則下式成立：

(1)

　　如該時(shí)刻出料管中液封恰好平衡，則其液封液位如下圖所示：

圖2 液封液位示意圖

　　由圖2可得：

(2)

　　結(jié)合式(1)可得出：H=h+Δp。由于Δp基本保持不變，液封高度H將隨著尿塔液位的升高而升高，且液位的升高與尿塔液位的升高是一致的。在一次充滿平衡后，不往“U”型彎充液的情況下，隨著尿塔液位的增高，式(2)的平衡將會(huì)無(wú)法保持，需要更大的H才能維持平衡，二氧化碳將會(huì)進(jìn)入到“U”型彎中，“U”型彎靠蝶閥即上圖的右側(cè)液位將會(huì)降低，而左側(cè)及H會(huì)升高，且H的升高值是右側(cè)液位降低值的兩倍。隨著右側(cè)的液位升高，式(2)將達(dá)到一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)靠蝶閥側(cè)也即上圖右側(cè)液位將到TR-09處，則表示液封有沖破的風(fēng)險(xiǎn)，但距離破液封還有1.2m的液位高差。按照投料時(shí)間120min計(jì)，尿塔從塔底到喇叭口按28m計(jì)，則每分鐘液位上升：28/120=0.233m/min。液位降低2.8m所需時(shí)間：2.8×2/0.233=24min。液位到達(dá)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)到液封破所需時(shí)間：10min。

　　綜上，開(kāi)車操作時(shí)，監(jiān)測(cè)TR-09溫度的變化趨勢(shì)來(lái)控制液封加水，如果TR-09有變化，說(shuō)明“U”型彎右側(cè)液位已經(jīng)將到溫度計(jì)處，液封需要補(bǔ)水，此時(shí)間間隔約為20min。充液閥如果頻繁啟閉，這容易造成密封不嚴(yán)。如果不想頻繁開(kāi)關(guān)充液閥，則可以在進(jìn)料后保持充液閥一個(gè)小開(kāi)度，此開(kāi)度以汽提塔中液位無(wú)明顯變化為原則。在投料過(guò)程中TR-09發(fā)生變化，則適當(dāng)開(kāi)大充液閥的開(kāi)度，充液的開(kāi)度在實(shí)際開(kāi)車過(guò)程中難于掌握。出料前，為了防止出料管串氣，通常將自動(dòng)充液閥打開(kāi)，或者將充液閥打開(kāi)連續(xù)充液～15min后出料^[2]。如果TR-09顯示溫度～120℃，說(shuō)明二氧化碳已經(jīng)到達(dá)溫度計(jì)處;如果TR-09溫度與塔頂溫度相同如達(dá)到170℃，則說(shuō)明液位已經(jīng)達(dá)到喇叭口。液位到達(dá)喇叭口后，出料管中將充滿液體，由于出料閥的密封原因，尿液將逐步泄露到汽提塔中。

　　由于“U”型彎的存在，液封對(duì)出料閥的密封性能沒(méi)有特別要求。在正常情況下，出料閥雖然密封不嚴(yán)，但是可以滿足工藝要求的。

2、尿塔液位控制閥的選擇

　　為了說(shuō)明液位控制閥的泄漏量，以某項(xiàng)目為例定量計(jì)算出料后期的泄漏量，計(jì)算公式參見(jiàn)GB/T17213.2-2005及GB/T4213-2008。計(jì)算參數(shù)如下^[3]：

　　塔頂壓力：14.2MPa(a);液體壓力恢復(fù)系數(shù)FL查GB/T17213.2-2005表2取值0.62;閥的流量系數(shù)Cv為870;混合物臨界壓力Pc根據(jù)aspen計(jì)算取14.7MPa(a);液體密度：1150kg/m³。

　　液位控制閥入口壓力：

　　液體臨界壓力比系數(shù)：

　　液位控制閥前后最大壓差：

　　△p<1.98MPa，屬于非阻塞流。

　　三級(jí)密封最大泄漏量：1496×10-3=1.5m3/h

　　可見(jiàn)，普通蝶閥即便做到三級(jí)密封，在出料管充滿液體的時(shí)候其最大泄漏量～1.5m³/h。一般開(kāi)車時(shí)要求對(duì)U型彎充液15min，這個(gè)時(shí)候出料管基本是全充滿的，由于蝶閥密封不嚴(yán)，很快液位就會(huì)降到U型彎附近。如果蝶閥用的時(shí)間比較長(zhǎng)，密封面的磨損比較厲害，則泄漏量會(huì)更大。當(dāng)?shù)�閥泄漏量比較大的時(shí)候，在操作的時(shí)候由于害怕U型彎液封破，充液閥往往一直打開(kāi)，導(dǎo)致開(kāi)車過(guò)程中一直有水漏到汽提塔中，汽提塔液位調(diào)節(jié)閥需要不斷排水。排水過(guò)程本身很難控制，非常容易導(dǎo)致二氧化碳竄到精餾塔中，導(dǎo)致精餾塔超壓。如果充液閥開(kāi)得太大，甚至可能導(dǎo)致水沿著降液管進(jìn)入合成塔中，而導(dǎo)致水碳比失調(diào)。由于在投料階段，汽提塔降液管沒(méi)有形成液膜，高溫二氧化碳直接接觸汽提管，這對(duì)汽提塔的使用壽命是有影響的^[4]。如果將普通蝶閥改為三偏心蝶閥，則密封等級(jí)可以做到Ⅳ級(jí)，甚至是V級(jí)。Ⅳ級(jí)的最大泄漏量只有三級(jí)密封的10%，也即0.15m3/h。如果中心管的管徑為DN200，在投料兩個(gè)小時(shí)候在不充液的情況下，相當(dāng)于液位降低了～10m。根據(jù)前面分析，這時(shí)候U型彎還是安全的，二氧化碳沒(méi)有短路的可能。因此可以在出料前在打開(kāi)充液閥，或?qū)⒆詣?dòng)充液閥打開(kāi)，整個(gè)投料過(guò)程不需要頻繁開(kāi)啟充液閥。進(jìn)入汽提塔的液體很少，也不需要頻繁打開(kāi)汽提塔的液位調(diào)節(jié)閥。整個(gè)投料過(guò)程相對(duì)跟簡(jiǎn)單，更安全。有的廠如中石化安慶分公司化肥廠在技改時(shí)就將此閥改造成了三偏心蝶閥，實(shí)際使用效果良好^[5]。但尿素裝置用三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，目前尚無(wú)生產(chǎn)廠家。如果選用角式調(diào)節(jié)閥，則不但可以保證密封等級(jí)，可選擇廠家也很多。當(dāng)前角式尿素合成塔液位調(diào)節(jié)閥已經(jīng)在一些項(xiàng)目上得到應(yīng)用，效果良好。

3、結(jié)論

　　尿塔液位控制閥選用常規(guī)蝶閥雖然能滿足工藝要求，但實(shí)際操作有諸多不便。采用三偏心蝶閥或者角閥，將密封等級(jí)提高到Ⅳ級(jí)可以使尿素開(kāi)車過(guò)程更簡(jiǎn)單、安全。

參考文獻(xiàn)

　　[1]大連工學(xué)院.日產(chǎn)千噸合成氨廠氣提法尿素生產(chǎn)工藝[M].北京：石油化學(xué)工業(yè)出版社，1978：23-24.

　　[2]中國(guó)石油化工集團(tuán)公司人事部等.尿素裝置操作工[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：259-266

　　[3]中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(第四版，下)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：432-438.

　　[4]劉曉敏，等.尿素優(yōu)化生產(chǎn)工藝技術(shù)與設(shè)備操控及維護(hù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：北方工業(yè)出版社，2006：326-328

　　[5]程錦昌.尿素合成塔液位調(diào)節(jié)蝶閥的技術(shù)改造[J].大氮肥，2007，30(2)：87-88.