淺談CO2汽提法尿素裝置的選型及設計
張朝貴
（ 成都斯杰化工機械有限公司 四川 成都 610300 ）
[摘要]在CO2氣提法尿素裝置中，尿素高壓調節閥控制著高壓圈的關鍵閥位，并直接影響到整個裝置長周期穩定運行，高壓調節閥的選材、選型、設計一直是設計單位、尿素廠設備管理方面無法回避的重要節點。我公司長期致力于尿素高壓調節閥設計、制造，現就該類閥門選型、設計談談自己的經驗和體會。
[關鍵詞] CO2氣提法尿素裝置 尿素高壓調節閥 選型 防結晶 高壓調節蝶閥
前言
目前我們國內尿素生產裝置采用二氧化碳氣提法的企業越來越多，并且裝置規模越來越大，我公司從2002年開始參與該工藝的“尿素專用調節閥”-進口閥維修、替代進口閥之國產化設計、制造，至今我公司已為近30家用戶單位提供產品、服務，規模從單套裝置年產15萬噸/年到80萬噸/年，成套提供“尿素高壓調節閥”近200臺，替換進口閥80臺/次，從運行情況來看，均達到了用戶使用要求和取得了不錯的綜合效益。
在為用戶服務的近二十年時間里，我們積累了“CO2汽提法尿素裝置高壓圈調節閥”選型設計、制造的寶貴經驗和體會，現以二氧化碳汽提法尿素裝置中部分高壓調節閥為例，試對選型及設計中的重要問題加以分析說明。
1 CO2汽提塔液位調節閥
1.1工藝參數及分析
介質：尿液 溫度：173℃ 閥前壓力：14.2MPa 閥后壓力：0.6MPa
口徑：2″ 3″ 4″
從參數可知，該閥的使用工況較為惡劣，有如下特點：
a. 介質尿液具有極強的腐蝕性，并易結晶；
b. 閥前后壓差大，高達到13.6MPa；
由于壓差大，在閥座節流孔處介質的流速高，特別是當開度較小時，流速更大。從而對閥體及內件產生強沖刷。同時當閥后壓力降低到進口溫度下的飽和蒸汽壓力時，則產生氣蝕現象。
1.2 閥門的選型、選材要點
1.2.1防結晶設計
對于介質易結晶的特點，閥門的結構設計應該力求避免在流道內出現低溫易結晶區域。如果采用傳統的閥體、上閥蓋組合結構（圖一），則在上閥蓋內形成低溫易結晶區域。傳統設計為避免介質在低溫易結晶區域形成結晶，通常采取在上閥蓋外焊接一個保溫夾套的辦法來防止結晶。根據實際使用情況來看，此防結晶措施的效果不夠理想。
我公司采用閥體、閥蓋一體式結構設計（圖二），將閥體、閥蓋設計成一個整體，同時填料函下沉，這樣可以有效降低閥體整體高度，從而避免了低溫易結晶區域的形成。從實際使用情況來看，一體式結構即使沒有蒸汽保溫夾套，調節閥在運行時也沒有結晶現象，說明我們在防止結晶方面，采取的閥蓋、閥體一體式設計是成功的，有效而可靠的。
1.2.2防腐蝕、沖刷選材
通常一臺閥門的使用壽命取決于閥門節流件的使用壽命，因尿液的強腐蝕性和高流速產生的沖刷，使調節閥節流件的使用壽命小于閥體的使用壽命，如何提高調節閥節流件的使用壽命成為閥門設計制造企業的主要目標和永恒追求。
我公司CO2汽提法尿素裝置高壓調節閥節流件（閥芯、閥座）材料采用U3（00Cr25Ni20Mn3Mo3N）。通過休氏試驗比較：U3的耐腐蝕性能遠優于316Lmod。U3的硬度值達到HB200，也高于316Lmod(316Lmod的硬度值只有HB143左右)，所以U3鋼的耐腐、耐沖刷性優于316Lmod。實踐中證實U3鋼對尿液和甲銨液具有良好的耐腐蝕性，且具有較好的綜合機械性能，因此閥內件選用U3材料是目前的最好選擇。
1.2.3防氣蝕結構
根據氣蝕產生的機理，我們將閥座流道適當加長，把閥座的流道設計成兩段式（圖三），閥座節流處設計成等徑，等徑段的上游設計成有一定的錐度。錐度段較長，起到逐漸降壓的作用，從而促使壓差的重新分配，以此降低氣蝕對閥內件的破壞作用，使閥內件的使用壽命更長。
2.1工藝參數及分析
介質：尿液 溫度：183℃ 閥前壓力：14.2MPa 閥后壓力：13.98MPa
口徑：14″ 10″ 8″
該閥工況條件有以下特點：
a. 介質為尿液，強腐蝕
b. 口徑大，壓差小僅為0.04MPa
該工位閥門在合成塔與汽提塔之間調節液位，各設計院在這個閥位選型不一，有選用角閥、蝶閥兩個方案，該處閥門根據工藝要求一般選用比較大的口徑，作用在閥門的前后壓差比較小，要求流通能力大，流阻系數盡量小，從工況來看選用蝶閥比較適宜。
2.2閥門的設計要點
2.2.1對于高壓角式調節閥用在該處的設計已經很成熟，我們在此不過多介紹，而大口徑高壓硬密封調節蝶閥國產化歷史不長，我們公司是該工位首臺尿素高壓蝶閥的設計制造企業，從2003年 “江蘇恒盛化工股份有限公司”成功投用以來，已經積累了豐厚的設計、制造經驗。
2.2.2 高壓蝶閥的結構主要由閥體、閥板、閥桿、執行器組成。突出優點是體積小、重量輕、安裝占用空間小。在開啟15°～70°之間，能進行流量調節控制，呈近似對數流量特性。
2.2.3 該位置對閥的調節性能要求較低，相對系統來 說保證安全性能的要求會更高一些。我們在測繪進口高壓蝶閥時，發現高壓蝶閥的閥板上加工有一V型缺口（圖四），目的是保證閥門在關閉時有最小流量，避免合成塔超壓。也有進口高壓蝶閥的閥板上沒有這一V型缺口的設計，但采用了中線平面密封，泄漏等級最多達到III級，不允許更高，否則因關閉太嚴而造成合成塔超壓，引起事故。所以此處高壓蝶閥泄漏等級要求達到IV級或更高是不科學的。
3 進CO2汽提塔CO2放空壓力調節閥
3.1工藝參數及分析
介質：CO2 溫度：120℃ 閥前壓力：14.52MPa 閥后壓力：0.15MPa
口徑：2″ 3″ 4″
該閥工況條件特點：該閥壓差大，達到14.37MPa
此閥是CO2壓縮機出來到汽提塔之間，介質CO2氣體經過調節閥節流處時速度最高。速度越高，壓差越大，產生的噪聲就越大。故該閥的重點是減壓降噪。
3.2閥門的設計要點
3.2.1采用迷宮式的減壓降噪結構。
通常采用的迷宮式降噪結構一種為圓盤式（圖五），由多層圓盤疊加在一起，在每層圓盤上加工出彎曲的溝槽流道，CO2氣體經過這些彎曲流道時，能量消耗，分段減壓，增大壓力損失，達到減壓降噪的目的。此種結構的不足之處是，因彎曲的溝槽截面細小，介質中的細小顆粒極易堵塞流道，而圓盤式結構流道清理的難度也較大。
另一種降噪結構是多層套筒式（圖六），每層套筒圓周分布許多節流小孔，每層套筒上的小孔都是相互隔開和錯開排列。CO2介質通過套筒時經過套筒分段降壓，介質流出第一層套筒后就相互撞擊，消耗能量使壓力和流速都得到了降低，從而降低了噪聲的產生。套筒式降噪結構，不易被細小顆粒堵塞，流道也更易清理、維護。
3.2.3 在CO2放空壓力調節時，調節閥內腔有可能形成干冰、少量尿素結晶體堵塞閥腔。為避免此種現象，在閥體上加蒸汽夾套是不錯的設計。
結語：
我公司在繼承原“四川化工機械廠”生產尿素高壓閥優勢的基礎上，一直致力于針對 CO2汽提法尿素裝置高壓圈調節閥國產化的探索、創新，尋找該類裝置更優的設計、制造及配置，并且在該套閥的設計制造實踐中取得了兩項專利，形成了獨具特色的選型、設計思路。作為CO2汽提法尿素裝置關鍵閥門-尿素高壓閥的合格制造商，“成都斯杰”品牌閥門已成功在國內近三十套尿素裝置上長周期安全運行，完全滿足CO2汽提法尿素裝置高壓圈的苛刻工況條件和相關要求。我公司尿素高壓調節閥系列產品多個關鍵點的設計、制造已超越進口同類閥門，完全具備大型尿素裝置高壓圈高壓調節閥的設計、制造能力。
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