李騫

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

?

PTA裝置精制反應(yīng)器出料閥的選用

李騫

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

摘要：為了避免PTA生產(chǎn)裝置的精制反應(yīng)器物料出口控制閥在長(zhǎng)期使用中出現(xiàn)故障，進(jìn)而影響裝置連續(xù)運(yùn)行,在設(shè)計(jì)過(guò)程中需根據(jù)使用工況選擇合適的閥門口徑和結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)采用耐腐蝕的內(nèi)部材料以滿足使用需求。從工程應(yīng)用的角度對(duì)此閥門進(jìn)行闡述，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的運(yùn)行、維護(hù)狀況進(jìn)行說(shuō)明。探討如何使閥門在高溫、高壓的閃蒸工況時(shí)保持良好穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：PTA裝置精制反應(yīng)器出料閥門角閥

1概述

精制反應(yīng)器是PTA生產(chǎn)裝置精制單元的重要設(shè)備，其反應(yīng)條件為高溫、高壓工況。通過(guò)加入氫氣將TA漿料中的雜質(zhì)(主要為4-CBA)還原為可溶于水的PT酸，再通過(guò)下游一系列結(jié)晶器進(jìn)行降壓閃蒸，從溶液中逐步結(jié)晶析出符合要求的PTA晶粒。由于該設(shè)備操作工況苛刻，其出料控制閥(PV-007)始終是設(shè)計(jì)和使用的難點(diǎn)，并且隨著裝置大型化的不斷發(fā)展，該閥門所需承受的工況愈顯嚴(yán)苛，在項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中暴露出一系列問(wèn)題。筆者將從工程應(yīng)用角度對(duì)此閥門的設(shè)計(jì)和選用進(jìn)行分析、說(shuō)明。

2工況說(shuō)明及口徑計(jì)算

閥門是工藝流程的一部分，其工作狀況與所處位置和操作方法密切相關(guān)。合適的設(shè)計(jì)和選型必須充分了解和考慮相關(guān)流程的特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際操作方法。CTA粉料打漿后由精制進(jìn)料泵(21-P02A/B/C)增壓，經(jīng)一組漿料加熱器(21-E01/E02/E03)加熱升溫后送至精制反應(yīng)器(22-R01)；物料在精制反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行加氫反應(yīng)后經(jīng)由控制閥(PV-007)進(jìn)入精制第一結(jié)晶器(22-T01)進(jìn)行閃蒸結(jié)晶，流程過(guò)程如圖1所示。

控制閥PV-007是精制工段控制產(chǎn)能和調(diào)節(jié)產(chǎn)品品質(zhì)的主要設(shè)備，因而在整個(gè)流程的開/停車和生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中均起到至關(guān)重要的作用。其存在操作和開車兩個(gè)工況，筆者選取近期投產(chǎn)的某項(xiàng)目作為示例，具體工況參數(shù)見(jiàn)表1所列。

2.1操作工況

流體經(jīng)過(guò)閥芯之后隨即出現(xiàn)閃蒸，并且是一個(gè)比較特殊的固/液/汽三相工況，無(wú)法直接引用ISA S75.01Flowequationsforsizingcontrolvavles中的公式進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。由于固相析出對(duì)總體積的影響較小，因而在忽略固相的情況下，對(duì)表1中的操作工況進(jìn)行計(jì)算得出此時(shí)所需CV=204?？紤]閥門流量特性及塊狀物料的影響，此處較為合適的開度范圍應(yīng)控制在30%～45%，在圓整后選擇了額定CVS=600的閥內(nèi)件(此時(shí)開度應(yīng)為34%)。但在裝置實(shí)際運(yùn)行中，雖然各項(xiàng)參數(shù)均與計(jì)算條件相符，但閥門的開度僅為28%，與計(jì)算結(jié)果存在較大偏差。因此，以目前的計(jì)算方法得出的數(shù)據(jù)不能直接用于閥門流通能力的選擇。

圖1　PTA裝置精制反應(yīng)器流程示意

使用工況操作工況開車工況工藝介質(zhì)TA漿料(固含量約30%,以水作為溶劑)水介質(zhì)流量/(t·h-1)595250介質(zhì)溫度/℃28740逐步升至287入口壓力p1/MPa8.08.0(可能達(dá)到10.0)閥門壓降dp/MPa4.04.0～5.0(可能達(dá)到8.0)飽和蒸汽壓pv/MPa6.69(A)根據(jù)介質(zhì)溫度確定臨界壓力pc/MPa22.1(A)22.1(A)

雖然通過(guò)理論計(jì)算無(wú)法得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但對(duì)于閥門流通能力的選擇還是有規(guī)律可循。根據(jù)以往項(xiàng)目數(shù)據(jù)的積累、驗(yàn)證，此閥門所需額定流通能力CVS與裝置小時(shí)產(chǎn)能基本為正向線性關(guān)系。因此，CVS值可借此經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)以成熟項(xiàng)目中相同位置閥門的CVS為基點(diǎn)，再對(duì)照當(dāng)前項(xiàng)目的小時(shí)產(chǎn)能進(jìn)行線性化估算確定?？紤]到裝置生產(chǎn)需要，閥內(nèi)件的選擇需根據(jù)實(shí)際情況選用最恰當(dāng)?shù)某叽?，但閥體可適當(dāng)留有余量，以便日后提升產(chǎn)能。

2.2開車工況

結(jié)晶器22-T01在開始時(shí)并沒(méi)有建立壓力，需要經(jīng)過(guò)循環(huán)過(guò)程使其內(nèi)部壓力逐步提升，而22-R01的壓力取決于泵的出口壓力和整個(gè)流路壓降。為了避免給PV-007造成過(guò)為嚴(yán)苛的工況，需使用HV-001A/B/C，HV-002，PV-007來(lái)共同分擔(dān)所需壓降。該操作過(guò)程中閥門所需承受的最大負(fù)荷，必須在設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行充分的考慮，以保證開車過(guò)程中閥門的正常運(yùn)行。需要特別注意此時(shí)由于流量不高，閥門開度將比正常運(yùn)行時(shí)小很多，應(yīng)嚴(yán)格避免其在小于10%的開度時(shí)工作，否則將會(huì)對(duì)閥內(nèi)件密封面造成嚴(yán)重沖蝕，從而破壞閥門密封性能。

總結(jié)上述工況分析和計(jì)算，可以得出此處閥門存在以下特點(diǎn)：

1) 介質(zhì)為飽和狀態(tài)TA溶液，易結(jié)晶、沉積。

2) 溫度、壓力較高，溶液處于含氫飽和狀態(tài)，因而存在氫腐蝕趨勢(shì)。

3) 閥門壓降大，在閃蒸狀態(tài)下介質(zhì)流速很高，沖刷性強(qiáng)。

4) 經(jīng)節(jié)流后流體為三相狀態(tài)，計(jì)算數(shù)據(jù)難于直接應(yīng)用于流通能力選擇。

5) 裝置運(yùn)行及開車過(guò)程中此閥門有可能承擔(dān)超出正常操作范圍的壓降。

其中，第4)和5)項(xiàng)已在上文中給出分析和解決方案，其余事項(xiàng)將在下文中進(jìn)行分析、處理。

3閥門結(jié)構(gòu)

此處介質(zhì)在減溫、減壓過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶，而該閥門長(zhǎng)期在閃蒸工況下工作，因而在設(shè)計(jì)中選擇采用貼壁角閥形式。即閥門與設(shè)備之間使用凸緣法蘭(PAD)進(jìn)行連接，閥座伸入凸緣法蘭內(nèi)；閥芯向設(shè)備內(nèi)伸入時(shí)流道開啟，關(guān)閉時(shí)閥芯與設(shè)備內(nèi)壁齊平。此種結(jié)構(gòu)使介質(zhì)的閃蒸發(fā)生在設(shè)備內(nèi)部，從而避免含顆粒高速流體對(duì)閥體的沖刷。

為了應(yīng)對(duì)介質(zhì)易結(jié)晶、沖刷性強(qiáng)的特點(diǎn)，閥體內(nèi)流道應(yīng)采用大曲率半徑，且平滑順暢、無(wú)死角。60度或45度閥體是較好的選擇，可以最大限度地降低流阻系數(shù)和對(duì)流道內(nèi)壁的沖刷。但有時(shí)由于設(shè)備及管道布置的限制而采用90度閥體時(shí)，曲率半徑的選擇和流道設(shè)計(jì)就更加重要。閥體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　閥門結(jié)構(gòu)示意

向外開啟的閥芯結(jié)構(gòu)具有自清潔功能，保證了流道通暢，有效防止物料堆積。由于該閥門為罐側(cè)安裝且口徑較大，因而閥芯處常規(guī)采用4個(gè)導(dǎo)向片進(jìn)行支撐即可滿足要求。但隨著產(chǎn)量提升閥門口徑也在不斷增大，導(dǎo)向片支撐方式對(duì)于大尺寸閥芯的支撐不穩(wěn)定且容易出現(xiàn)不對(duì)中的狀況，這使得正常運(yùn)行時(shí)閥芯易產(chǎn)生振動(dòng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)導(dǎo)向片會(huì)對(duì)閥座造成損壞，進(jìn)而破壞密封面，影響閥門密封性能。因此，目前在大型化的PTA裝置上此閥門采用了閥籠導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在閥芯外側(cè)設(shè)置了一個(gè)閥籠，閥籠側(cè)部開有4個(gè)方孔，以保證所需的流通面積。閥芯部分由閥籠及頂部導(dǎo)向軸共同提供支撐力，在閥芯移動(dòng)的全行程范圍內(nèi)均可提供穩(wěn)固的導(dǎo)向支撐。閥籠頂部蓋板使用自鎖螺母/螺栓進(jìn)行固定，以便在閥芯維護(hù)、更換時(shí)可進(jìn)行拆卸。

4閥門材質(zhì)

4.1閥體材質(zhì)

此閥門所處位置為高溫、高壓的含氫工況，使用常規(guī)不銹鋼測(cè)試時(shí)，沖刷異常嚴(yán)重。在以往項(xiàng)目中該閥體采用了ASTM A494 CW-2M為鑄件材料。該材料是以鎳、鉬為基體的高強(qiáng)度合金，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的耐腐蝕性和抗沖刷性。同時(shí)由于碳含量極低，且有良好的抗晶間腐蝕性能，可以承受此位置氫腐蝕的侵害。因此，ASTM A494 CW-2M是此位置理想的材料選擇。

但隨著大尺寸閥體的需求，由于ASTM A494 CW-2M鑄造流動(dòng)性較低，其鑄造難度很大，鑄件成品率大幅降低。在保證閥門使用要求的前提下為了提高鑄件成品率，經(jīng)與制造商進(jìn)行了多次方案分析、討論，最終決定改為采用同樣以鎳、鉬為基體的高強(qiáng)度合金ASTM A494 CW-12MW作為閥體鑄造材料。該材料增加了碳和硅的含量，因而在同等鑄造條件下具有相對(duì)好的流動(dòng)性，但由于相對(duì)提高了碳含量，考慮選用依據(jù)時(shí)僅存在理論支持，尚缺乏實(shí)際使用中抗氫腐蝕的數(shù)據(jù)積累。在連續(xù)運(yùn)行6個(gè)月后的例行維護(hù)檢修中未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損和氫腐蝕的痕跡，因而證明此材質(zhì)適用于此工況。

閥體鑄件的關(guān)鍵位置需進(jìn)行X射線探傷，確保鑄件沒(méi)有裂痕、收縮孔等缺陷，并需供貨商提供相應(yīng)的第三方檢驗(yàn)報(bào)告。

4.2閥內(nèi)件材質(zhì)

氫腐蝕會(huì)降低材料耐沖刷能力，而閥內(nèi)件腐蝕裕度相對(duì)較小。因而為了應(yīng)對(duì)介質(zhì)強(qiáng)沖刷，根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)此處選擇ASTM B348 Gr.5作為閥內(nèi)件材料進(jìn)行加工制造。

閥芯、閥桿及閥芯導(dǎo)向結(jié)構(gòu)需采用棒材或鍛件作為原料，整體機(jī)加工而成，不得進(jìn)行焊接，以提高其耐用度并避免局部耐腐蝕性能的降低。為了進(jìn)一步增加材料抗沖刷性能，閥芯、閥桿應(yīng)進(jìn)行滲氮硬化處理。鈦材表面的滲氮技術(shù)目前比較成熟，處理后材料表面會(huì)形成含有錫的氮化層，其硬度將由HV198～240，提升至HV630～870。該滲氮層與基底材料之間沒(méi)有不連續(xù)界面，結(jié)合強(qiáng)度高，從而提高材質(zhì)硬度和耐磨性。

4.3填料形式

閥桿密封填料采用雙層石墨密封環(huán)結(jié)構(gòu)，兩層填料中需設(shè)有填料套環(huán)。定期通過(guò)注油孔向其注入油脂保持其潤(rùn)滑度，降低阻力系數(shù)。同時(shí)在填料函下部設(shè)計(jì)一個(gè)蒸汽凝液注入口，接入高壓凝液在閥門工作時(shí)對(duì)襯套進(jìn)行持續(xù)沖洗，防止?jié){料顆粒進(jìn)入填料函內(nèi)部，此項(xiàng)措施還有吸收閥桿振動(dòng)的作用。

5其他措施

此閥門是精制反應(yīng)器至下游設(shè)備之間唯一的節(jié)流控制元件，下游設(shè)備安全閥數(shù)據(jù)確定后需對(duì)其在泄放條件下的流通量進(jìn)行安全核算，以確保其在該條件下的最大流通量不超過(guò)下游設(shè)備安全閥的最大泄放能力。如果核算超過(guò)限制，則需根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)此閥門進(jìn)行最大行程的機(jī)械限位。

在該閥門所處的設(shè)備內(nèi)部，需在其出口處制作防護(hù)擋板，以避免高速閃蒸物料對(duì)設(shè)備攪拌器造成沖擊，否則高速物料將直接沖擊攪拌器槳葉和軸，使其偏向一側(cè)，造成其頂部密封軸承偏磨。

6結(jié)束語(yǔ)

由于此閥門對(duì)精制工段的運(yùn)行至關(guān)重要，因而其連續(xù)穩(wěn)定的工作性能直接關(guān)系到裝置的平穩(wěn)運(yùn)行以及產(chǎn)品指標(biāo)。經(jīng)過(guò)多個(gè)項(xiàng)目長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、驗(yàn)證，該閥體的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)選用在此工況下可以滿足長(zhǎng)期連續(xù)生產(chǎn)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸培文.調(diào)節(jié)閥實(shí)用技術(shù).北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]小若正倫.金屬的腐蝕破壞與防蝕技術(shù).北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

[3]朱飛.PTA裝置加氫反應(yīng)器出料控制閥國(guó)產(chǎn)化改造的探討

.中國(guó)儀器儀表，2008(10)： 48-51.

[4]李紹偉.PTA裝置中貼壁角型控制閥的設(shè)計(jì)和應(yīng)用.石油化工自動(dòng)化，2012(05)： 56-59.

[5]ASTM. ASTM A494/A494M-00 Standard Specification for Casting, Nickel and Nickel Alloy. West Conshohocken： American Society for Testing and Materials, 2000.

[6]ASTM. ASTM B348-06a Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Bars and Billets. West Conshohocken： American Society for Testing and Materials, 2006.

[7]DRISKELL L, ARANT J, BAUMANN H.ISA-S75.01-1985(R1995) Flow Equations for Sizing Control Vavles. The Instrument Society of Automation, 1995.

[8]CAIN F, WEIDMAN W, BARB G. ISA-RP75.23-1995 Considerations for Evaluating Control Valve Cavitation. The Instrument Society of Automation, 1995.

[9]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè). 3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[10]王森,紀(jì)綱.儀表常用數(shù)據(jù)手冊(cè). 2版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Selection of Outlet Valve of Purification Reactor for PTA Installation

Li Qian

(China Kunlun Contracting & Engineering Corporation,Beijing,100037, China)

Abstract：To avoid the outlet control valve of purification reactor in PTA plant breaking down during long period operation to further affect continuous operation of installation, it is in need to select right valve diameter and structure with adopting anti-corrosive material as inner material to meet the application requirements during design process according to the application condition. This valve is expounded from the point of engineering application. It is illustrated combining the operation and maintenance in actual practice. How to keep a good stable operation condition under high temperature and pressure for flashing working condition is discussed.

Key words：PTA plant； purification reactor; outlet valve； angle valve

中圖分類號(hào)：TH138

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7324(2015)02-0016-03

作者簡(jiǎn)介：李騫(1981—)，男，天津人，2003年畢業(yè)于北京化工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國(guó)昆侖工程公司電氣儀表部，主要從事自控儀表的工程設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2014-09-29，修改稿收到日期： 2015-01-15。