任小龍

(北京石油化工工程有限公司 西安分公司，西安 710075)

1，4-丁二醇(BDO)是一種重要的有機和精細(xì)化工原料，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、紡織、造紙、汽車和日用化工等領(lǐng)域。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對BDO產(chǎn)品的需求日趨增長，目前產(chǎn)能規(guī)模已超過2.5 Mt/a，并還在繼續(xù)擴(kuò)產(chǎn)中。在BDO裝置儀表專業(yè)設(shè)計過程中會涉及大量閥門的選型設(shè)計，閥門選型是否合理關(guān)系到日后整個裝置運行得好壞，因而需要高度重視。

1 工藝流程概況

全球生產(chǎn)BDO的工藝路線有很多種方法，如炔醛法、順酐法以及烯丙醇法，但炔醛法在原料、技術(shù)等方面的優(yōu)勢占據(jù)主流，中國采用炔醛法生產(chǎn)BDO產(chǎn)量占80%以上。其工藝流程大致如下：

1) 一階段天然氣制乙炔氣，乙炔與甲醛為原料在反應(yīng)器中反應(yīng)生成丁炔二醇(B3D)。

2) 二階段粗B3D精制后進(jìn)入BDO反應(yīng)器，在催化劑的作用下兩段加氫生成1，4-丁二醇。兩段加氫工藝可提高最終產(chǎn)品的純度和整體收率，但該反應(yīng)也會產(chǎn)生一些如丁醇的副產(chǎn)品。

3) 三階段高壓加氫后的粗BDO中含有BDO水溶液，其余是丁醇、輕組分和重組分雜質(zhì)，精餾工段根據(jù)這些物質(zhì)在不同的溫度和壓力下的沸點不同，利用精餾原理進(jìn)行分離回收，最終得到符合要求的BDO產(chǎn)品。

2 特殊閥門

BDO裝置的主要閥門有： 乙炔切斷閥、催化劑切斷閥及調(diào)節(jié)閥、高壓臨氫調(diào)節(jié)角閥、BDO溶液高壓調(diào)節(jié)角閥，下面對這些閥門逐一進(jìn)行說明。

2.1 BDO裝置乙炔切斷閥

在第一階段乙炔經(jīng)過水環(huán)式壓縮機升壓至0.31 MPa、溫度75 ℃后送到B3D反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，由于乙炔壓力高會造成反應(yīng)器溫升使得乙炔易自聚產(chǎn)生爆炸危險，因而管路設(shè)置氣動切斷閥觸發(fā)聯(lián)鎖關(guān)閥門。

2.1.1乙炔介質(zhì)對閥門的技術(shù)要求

1) 乙炔為爆炸性危險氣體，防爆級別和引燃溫度分組為ⅡCT2，因而所選定位器、電磁閥等部件應(yīng)采用相應(yīng)防爆產(chǎn)品。

2) 乙炔氣易產(chǎn)生分解，它是碳和氫元素的自發(fā)反應(yīng)，即便在壓力小于0.02 MPa的低壓環(huán)境下都可能發(fā)生。如果爆燃產(chǎn)生的最終反應(yīng)壓力是由反應(yīng)釋放的能量產(chǎn)生的初始壓力的10～11倍，因而閥門的設(shè)計壓力至少可承受大于10倍的操作壓力，通常閥門的設(shè)計壓力等級至少比操作壓力高1個等級。

3) 關(guān)于閥結(jié)構(gòu)的選擇。GB 50031—1991《乙炔站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定管內(nèi)徑大于50 mm的中壓乙炔管道，不應(yīng)選用閘閥。在歐洲氣體協(xié)會IGC 123新規(guī)范中不建議在中壓或高壓管道采用錐形旋塞閥和球閥，除非特殊設(shè)計可防止絕熱壓縮導(dǎo)致乙炔分解，例如： 執(zhí)行機構(gòu)為慢開型。但目前國內(nèi)小尺寸管徑DN80及以下的氣動切斷閥門大都采用球閥型式，開關(guān)時間5 s，目前尚未出現(xiàn)問題但仍需持續(xù)關(guān)注。大尺寸乙炔閥門建議采用高性能三偏心蝶閥以保證乙炔分解時具有足夠的關(guān)斷差壓。

2.1.2材質(zhì)選擇

1) 材料選擇。當(dāng)乙炔與銅、銀、汞及其金屬鹽接觸時，會形成爆炸性的乙炔化物。這些乙炔化物對沖擊或摩擦非常敏感，因而嚴(yán)禁選用含銅量70%以上的銅合金，以及銀、汞、鋅、鎘及其合金材料制造的產(chǎn)品。閥門和附件應(yīng)采用鋼、可鍛鑄鐵或球墨鑄鐵材料。

2) 閥門附件及密封件也不能采用塑料材料和人造纖維以防產(chǎn)生靜電。

2.1.3其他要求

1) 防火要求。閥門需滿足API 607防火要求。由于乙炔為易燃易爆物質(zhì)，極易引發(fā)火災(zāi)和爆炸事故，在易燃工況，閥門在遭受一定時間的火燒后，仍應(yīng)具有一定的密封性能及操作性能。

2) 防靜電要求。由于乙炔為易燃介質(zhì),因而閥門應(yīng)設(shè)計成防靜電結(jié)構(gòu)，以保證閥門的導(dǎo)電性。例如： 球閥或旋塞閥座是PTFE非金屬，而球是金屬，轉(zhuǎn)動過程中可能產(chǎn)生靜電，若不導(dǎo)出靜電就會積累，閥座和球之間會有電壓，高到一定程度閥腔就可能產(chǎn)生電火花引起事故。

3) 乙炔閥門通常不需要脫脂處理。在安裝后的乙炔管道系統(tǒng)，特別是高壓工況應(yīng)通過壓縮空氣或氮氣進(jìn)行清掃以消除雜質(zhì)。由于冰和干冰均為固體，因而會發(fā)生摩擦有產(chǎn)生靜電的風(fēng)險，建議不要使用二氧化碳進(jìn)行凈化。

2.2 催化劑切斷閥及調(diào)節(jié)閥

第一階段中濃縮過濾器出口催化劑漿液返回至B3D反應(yīng)器，催化劑為B3D與最小粒徑為2 mm的金屬粉末狀顆粒的混合物呈較為黏稠料漿狀。根據(jù)工藝包要求及HAZOP分析結(jié)果，需設(shè)置1個氣動切斷閥及帶切斷功能的流量調(diào)節(jié)閥。閥前、閥后操作壓力分別為1.2 MPa，0.3 MPa，溫度95 ℃，切斷閥需滿足API 598級密封。工藝參數(shù)雖并不苛刻，但對于固體顆粒及黏稠性介質(zhì)來說，為避免介質(zhì)在管道中堆積，控制閥一般使用全通徑閥門，而像截止閥等流阻較大的閥門則不宜采用。由于密封性要求很高，球閥和旋塞閥均為首選。

2.2.1旋塞切斷閥技術(shù)特點

1) 旋塞閥閥體內(nèi)嵌有聚四氟乙烯套，其閥體構(gòu)造如圖1所示。旋塞以錐面與套配合，但旋塞開有窗口，旋塞轉(zhuǎn)動與套筒之間節(jié)流，關(guān)閉時旋塞與四氟乙烯(PTFE)襯套之間密封，由于采用軟密封可滿足高密封等級要求。

圖1 旋塞閥結(jié)構(gòu)示意

2) 由于旋塞閥密封面之間運動帶有擦拭作用，而在全開時可完全防止與流動介質(zhì)的接觸，故它通常也能夠用于帶懸浮顆粒的介質(zhì)。

3) 目前大部分旋塞閥旋塞下部不固定，當(dāng)閥啟閉過程中，閥前后的差壓很大，若旋塞兩側(cè)長期處于高壓力差的狀態(tài)，易造成襯套的偏移，一旦暴露在管道內(nèi)，隨著旋塞的轉(zhuǎn)動會將突出的襯套撕裂，因而該結(jié)構(gòu)建議用作切斷而非調(diào)節(jié)。

4) 旋塞閥由于采用面密封，在開關(guān)過程中旋塞切割襯套并產(chǎn)生極大摩擦力，執(zhí)行機構(gòu)較同尺寸球閥操作壓力較大，因而通常用在小于100 mm口徑的場合。

2.2.2V型調(diào)節(jié)球閥技術(shù)要求

由于管線接入反應(yīng)器，該管線切斷閥前帶流量調(diào)節(jié)閥用于與反應(yīng)器內(nèi)液位進(jìn)行串級調(diào)節(jié)。由于介質(zhì)為漿料且密封要求較高，采用V形球閥較為合理。V形球閥是在O形球閥基礎(chǔ)上發(fā)展起來，因V形口與閥座之間有剪切作用，可切斷纖維狀的流體，如纖維、紙漿、含顆粒的介質(zhì)，密封性能好，流通能力大且具有可調(diào)比寬等特點，但仍需考慮如下因素：

1) 當(dāng)密封面為硬質(zhì)合金時，所需要的密封比壓比軟密封要高得多，閥座的密封結(jié)構(gòu)也有不同的設(shè)計。一般來說，金屬密封的閥座結(jié)構(gòu)，其背部會采取相關(guān)彈簧或碟簧等彈性配件，以提供閥門必需的預(yù)緊力和密封比壓。

2) 由于催化劑顆粒硬度較高，在該工況下閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時就要求球體表面具有較高的硬度，否則，當(dāng)閥門開啟的過程中會有催化劑顆粒鑲嵌在球體表面上，從而破壞球體表面，以至于影響到閥門的整體密封性能。

3) 由于介質(zhì)中顆粒粒徑較小，在閥門啟閉過程中，介質(zhì)顆粒被帶到閥座與球體的密封面之間，破壞了球體與閥座之間的密封面，從而影響閥門的密封性能，使閥門的使用壽命大幅縮短。因此，要求閥門具有很好的“自潔”功能，從而保證球體和閥座密封副不被破壞。

2.3 高壓差臨氫閥門

第二階段B3D溶液高壓加氫反應(yīng)生成BDO，其中氫氣介質(zhì)操作溫度為120 ℃，壓力接近30 MPa，在氣分罐出口氫氣壓力泄放時，閥后壓力僅3 MPa，前后差壓為27 MPa，苛刻的工況對閥門選型提出了很高的要求。

2.3.1材料的選擇

在氫壓力較低時，在200 ℃以下氫分子離解為氫原子的量可以忽略不計，但當(dāng)氫氣壓力很高時，常溫下氫的離解是不能忽視的。氣體氫從分子狀態(tài)離解成原子態(tài)后，進(jìn)入金屬中可能發(fā)生氫脆。

由溫度-壓力曲線可知，閥門壓力等級為Class2500，根據(jù)JB/T 11484—2013《高壓加氫裝置用閥門技術(shù)規(guī)范》，閥體可選擇低碳、低硫、低磷的優(yōu)質(zhì)碳素鋼或含Nb或Ti合金元素的優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定化不銹鋼。但如果采用不銹鋼在該溫度下已不能滿足壓力等級要求，則碳素鋼卻有更高的強度。根據(jù)API 941納爾遜曲線發(fā)現(xiàn)采用碳鋼不會發(fā)生高溫氫腐蝕，導(dǎo)致閥門表面脫碳、內(nèi)部脫碳和裂紋。因而建議閥體材質(zhì)采用A105，內(nèi)件材質(zhì)采用F321。

2.3.2閥門結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上工藝要求，由于壓降過大，氣體通過閥門產(chǎn)生阻塞流，節(jié)流孔附近的介質(zhì)流速已經(jīng)接近并達(dá)到了音速，若采用普通的單座直通閥則噪音大，會產(chǎn)生機械振動且閥內(nèi)件磨損嚴(yán)重，因而需要選擇合適的閥門結(jié)構(gòu)。通常建議采用迷宮式高壓角閥實現(xiàn),迷宮式閥芯曲折流道如圖2所示。介質(zhì)經(jīng)過任何一個阻力件都將引起一定壓降，增大流道的阻力系數(shù),可實現(xiàn)多級降壓且滿足在高差壓下的相對低流速，可大副緩解高差壓閥門中的振動、噪聲和沖蝕等現(xiàn)象，同時介質(zhì)為潔凈氣體并不會阻塞流道。該結(jié)構(gòu)閥門也被應(yīng)用在其他行業(yè)，如： 尿素合成塔壓力放空調(diào)節(jié)閥及電力行業(yè)的鍋爐給水泵再循環(huán)閥。

圖2 迷宮型閥芯和盤片流道示意

2.4 BDO溶液高壓調(diào)節(jié)閥

BDO反應(yīng)器生成產(chǎn)品BDO后經(jīng)減壓送到BDO緩沖槽，氣動調(diào)節(jié)閥與反應(yīng)器上的液位計形成液位調(diào)節(jié)回路。閥前壓力接近30 MPa，閥后降為0.5 MPa，操作溫度最高可達(dá)140 ℃。由于壓降過大，如采用普通結(jié)構(gòu)單座調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)部閥芯和閥座處介質(zhì)迅速閃蒸并產(chǎn)生巨大的汽蝕作用，導(dǎo)致閥內(nèi)件短時間內(nèi)就會損壞而無法使用，因而要求這些位置的閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須采用多級降壓避免產(chǎn)生閃蒸從而消除汽蝕的結(jié)構(gòu)。

閥門結(jié)構(gòu)通常使用糖葫蘆串型多級降壓調(diào)節(jié)閥，該方式為軸流式結(jié)構(gòu)采用多級閥芯串聯(lián)逐級降壓，將壓降分散開使每級壓力降低平穩(wěn)以確保不發(fā)生閃蒸，以徹底消除氣蝕的發(fā)生同時節(jié)流孔處的湍流效果減弱。

1) 獨特的閥芯設(shè)計可有效地降低小開度工況下流體流經(jīng)閥門密封面時的速度，以達(dá)到降低噪聲且減少閥門密封面磨損的目的。

2) 流道暢通，最大可通過粒徑12 mm的顆粒，可有效防止流體內(nèi)顆粒雜質(zhì)造成的堵塞問題。

3) 對于高壓液體泵出口的角形調(diào)節(jié)閥流向，一般采用流開方向，即底進(jìn)側(cè)出方式，其特點： 允許壓降調(diào)節(jié)性能較好；壓降與閥桿運動方向一致避免徑向振動穩(wěn)定性高；執(zhí)行機構(gòu)及閥桿質(zhì)量可抵消部分壓差壓力，減小執(zhí)行機構(gòu)操作力?；谝陨蠋c，通常Class900以上角型調(diào)節(jié)閥一般無反作用閥芯。

4) 閥門執(zhí)行機構(gòu)動作方式為氣關(guān)，而聯(lián)鎖時要求閥開，失氣的動作方向一致，故直接在進(jìn)氣氣路上加放空電磁閥即能滿足聯(lián)鎖要求，無需配套儲氣罐。

3 結(jié) 論

要實現(xiàn)BDO生產(chǎn)裝置過程自動化，閥門作為控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行元件，特別是關(guān)鍵閥門對整個裝置的正常生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。因而必須認(rèn)真研究其工況特殊性及類似裝置中的使用狀況。工程使用情況表明，各工況對應(yīng)的閥門選型能夠滿足使用要求。本文希望能對設(shè)計同類裝置的同行起到一定的參考作用。

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