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蝶閥^[1]。這種蝶閥的結(jié)構(gòu)形式使得閥門全關(guān)時蝶板與閥體為間隙配合，密封性差，閥門的密封等級不可能太高。即使是國外知名廠家的閥門，密封等級也只能做到Ⅲ級。由于系統(tǒng)開車時，尿素合成塔保持液位需靠高壓水封。泄漏量大會造成開車時間延長，物料消耗增大。合理選擇該閥門對投料和正常生產(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。

　　某項目高壓圈簡易流程圖及位差見圖1。下面我們詳細說明二氧化碳汽提尿素裝置開車過程中汽提塔入口“U”型彎液封液位的變化過程。

圖1 高壓圈簡易流程圖

　　進料后某一時刻尿塔液位為h(為了方便說明，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)的平衡將會無法保持，需要更大的H才能維持平衡，二氧化碳將會進入到“U”型彎中，“U”型彎靠蝶閥即上圖的右側(cè)液位將會降低，而左側(cè)及H會升高，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)將達到一個不斷變化的動態(tài)平衡。當靠蝶閥側(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險，但距離破液封還有1.2m的液位高差。按照投料時間120min計，尿塔從塔底到喇叭口按28m計，則每分鐘液位上升：28/120=0.233m/min。液位降低2.8m所需時間：2.8×2/0.233=24min。液位到達溫度監(jiān)測點到液封破所需時間：10min。

　　綜上，開車操作時，監(jiān)測TR-09溫度的變化趨勢來控制液封加水，如果TR-09有變化，說明“U”型彎右側(cè)液位已經(jīng)將到溫度計處，液封需要補水，此時間間隔約為20min。充液閥如果頻繁啟閉，這容易造成密封不嚴。如果不想頻繁開關(guān)充液閥，則可以在進料后保持充液閥一個小開度，此開度以汽提塔中液位無明顯變化為原則。在投料過程中TR-09發(fā)生變化，則適當開大充液閥的開度，充液的開度在實際開車過程中難于掌握。出料前，為了防止出料管串氣，通常將自動充液閥打開，或者將充液閥打開連續(xù)充液～15min后出料^[2]。如果TR-09顯示溫度～120℃，說明二氧化碳已經(jīng)到達溫度計處;如果TR-09溫度與塔頂溫度相同如達到170℃，則說明液位已經(jīng)達到喇叭口。液位到達喇叭口后，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，液封對出料閥的密封性能沒有特別要求。在正常情況下，出料閥雖然密封不嚴，但是可以滿足工藝要求的。

2、尿塔液位控制閥的選擇

　　為了說明液位控制閥的泄漏量，以某項目為例定量計算出料后期的泄漏量，計算公式參見GB/T17213.2-2005及GB/T4213-2008。計算參數(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。

　　三級密封最大泄漏量：1496×10-3=1.5m3/h

　　可見，普通蝶閥即便做到三級密封，在出料管充滿液體的時候其最大泄漏量～1.5m³/h。一般開車時要求對U型彎充液15min，這個時候出料管基本是全充滿的，由于蝶閥密封不嚴，很快液位就會降到U型彎附近。如果蝶閥用的時間比較長，密封面的磨損比較厲害，則泄漏量會更大。當?shù)�閥泄漏量比較大的時候，在操作的時候由于害怕U型彎液封破，充液閥往往一直打開，導(dǎo)致開車過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。如果充液閥開得太大，甚至可能導(dǎo)致水沿著降液管進入合成塔中，而導(dǎo)致水碳比失調(diào)。由于在投料階段，汽提塔降液管沒有形成液膜，高溫二氧化碳直接接觸汽提管，這對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，則密封等級可以做到Ⅳ級，甚至是V級。Ⅳ級的最大泄漏量只有三級密封的10%，也即0.15m3/h。如果中心管的管徑為DN200，在投料兩個小時候在不充液的情況下，相當于液位降低了～10m。根據(jù)前面分析，這時候U型彎還是安全的，二氧化碳沒有短路的可能。因此可以在出料前在打開充液閥，或?qū)⒆詣映湟洪y打開，整個投料過程不需要頻繁開啟充液閥。進入汽提塔的液體很少，也不需要頻繁打開汽提塔的液位調(diào)節(jié)閥。整個投料過程相對跟簡單，更安全。有的廠如中石化安慶分公司化肥廠在技改時就將此閥改造成了三偏心蝶閥，實際使用效果良好^[5]。但尿素裝置用三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，目前尚無生產(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，可選擇廠家也很多。當前角式尿素合成塔液位調(diào)節(jié)閥已經(jīng)在一些項目上得到應(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，但實際操作有諸多不便。采用三偏心蝶閥或者角閥，將密封等級提高到Ⅳ級可以使尿素開車過程更簡單、安全。

參考文獻

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　　[3]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊(第四版，下)[M].北京：化學工業(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)備操控及維護實用手冊[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.