催化劑加氫還原反應器進出口開關閥選型研究

樓靈（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

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催化劑加氫還原反應器進出口開關閥選型研究

樓靈
（霍尼韋爾（中國）有限公司，上海 201203）

摘 要在化工生產工藝裝置的控制系統中，閥門是關鍵的控制元件，起到隔離設備和管道、調節流量以達到控制過程變量的目的。所以，根據閥門的特性選擇適合當前工況的閥型十分重要。探討催化劑工藝中加氫還原反應器進出口開關閥的應用。

關鍵詞閥門；選型；固料；滑板閥；特性；高溫；腐蝕

化工生產工藝裝置中，經常使用的控制閥， 從閥門的結構特征分類主要有：截門形，關閉件沿著閥座的中心移動；閘門形，關閉件沿著垂直于閥座中心線的方向移動；旋塞和球形，關閉件是柱塞、錐塞或球體，圍繞本身的周線旋轉；蝶形，關閉件的圓盤圍繞閥座內的軸線旋轉或圍繞閥座外的軸線旋轉的結構；滑閥形，關閉件在垂直于通道的上方滑動等。[1]分別應用于調節或切斷工況。

針對眾多的閥門結構，我們需要根據使用工況特點、操作要求及性價比綜合考慮閥門的選型。接下來我們就來探討一下在催化劑工藝中加氫反應器進出口開關閥的選型及應用。本文是以某國際知名催化劑工藝包專利商于國內新建工廠為研究對象，工藝流程中的主要介質為固體顆粒的催化劑載體，流程中存在高溫工段，部分流程中存在酸性腐蝕環境。

1 工藝流程簡介

此次討論的兩臺開關閥位于加氫還原反應器的入口及出口，用途為切斷作用。局部工藝流程如圖1所示，出于技術保護考慮，流程圖做了簡化處理，并且只截取部分內容作說明，圖中XV-001及XV-002為此次探討的閥門：

反應器的工作溫度為565 ℃，反應器內部為純氫氣環境，被還原的介質為浸泡過貴金屬溶液的蜂窩狀氧化金屬顆粒，介質本體松脆且昂貴。另外，介質中還含有一定量的氯離子。整個流程為間歇操作，首先關閉反應器出口，開始裝填催化劑載體，當反應器中填滿介質后，反應器開始以氮氣置換空氣，當達到純氮氣環境開始以氫氣置換氮氣，當達到純氫環境切斷入口，加溫并開始還原反應，當反應結束開始以氮氣置換反應器中氫氣，當達到純氮氣環境，開始通入空氣進行置換，置換完成后然后打開反應器底部切斷閥卸料。如此循環每天1至2次。

圖 1 簡化流程Fig. 1 Simplified P&ID

2 選型研究

針對以上工藝操作，XV-001和XV-002均應選用開關閥。對開關閥的選型，一般化工裝置的應用總是首選球閥。筆者在設計過程中對加氫還原反應器進出口的應用場合，分別對球閥、偏心旋轉閥、蝶閥、刀閘閥和滑板閥5種閥型進行了分析研究，結果如下。

2.1 球閥

結構上的優點：

（1）全開時為通徑，沒有任何死角，當介質通過時不會對閥門其他部件造成沖刷磨損。

（2）關閉時密封效果較好，金屬密封也有較多廠家可以做到五級以上。

但是在催化劑反應器進出口工況下，從結構上考慮，球閥由于以下不足，卻不適合使用：

（1）當閥門處于半開狀態時，物料有可能會進入閥腔，考慮到開關時間較短，在短時間內可能影響并不顯著，但是長期必然容易出現閥桿卡死或閥球抱死等問題。球閥動作流道狀態見圖2。

圖 2 球閥動作時的流道狀態Fig. 2 Product flow status for ball valve

（2）由于工作溫度為565 ℃，因此必須為金屬密封球閥，而介質管道為8 in（1 in = 2.54 cm），一個8 in高溫金屬密封球閥的價格會是十分昂貴的，因此這也是一個不經濟的選擇。

2.2 偏心旋轉閥

既然球閥不合適，那么由球閥演變而來的偏心旋轉閥也可用作高性能的開關閥。偏心旋轉閥沒有了球閥的閥腔，可以解決閥腔積料的問題。但是新的問題隨之而來：

（1）偏心旋轉閥在全開時的流道并不是光滑的圓柱型通徑，在物料通過時，特別是固體顆粒物料會對閥桿等其他閥門部件產生沖刷及磨損，并且這種金屬間長時間的沖刷和撞擊可能會損壞脆弱且昂貴的催化劑載體。偏心旋轉閥動作時的流道狀態見圖 3。

圖 3 偏心旋轉閥動作時的流道狀態Fig. 3 Product flow status for rotary eccentric plug valve

（2）該處應用需選用8 in口徑的閥門，對于偏心旋轉閥而言，口徑偏大，不好選型。

因此，偏心旋轉閥也不適合此次工況。

2.3 蝶閥

蝶閥用來調節液體、氣體、蒸汽的流量，由于這種閥具有自己的清晰作用，因此可廣泛使用于有懸浮顆粒物和濃濁漿狀的流體，他特別適用于大口徑、大流量、低壓差的場合[2]，同時蝶閥也常用于開關作用，蝶閥閥動作時的流道狀態見圖4。

圖 4 蝶閥動作時的流道狀態Fig. 4 Product flow status for butterfly valve

但是蝶閥應用在此次工況也有其存在的問題：

（1）即使在全開狀態下，蝶閥的閥板也是完全暴露在介質中，收到的沖刷非常嚴重，壽命較低。

（2）在關閉時閥板容易被顆粒固料卡死，對催化劑載體可能造成傷害，并且影響關閉效果。

基于以上考慮，蝶閥也不適合用在這個工況。2.4 刀閘閥

刀閘閥也常用于切斷作用，并且普遍應用于固體物料的閥門。刀閘閥動作時的流道狀態圖見圖5。

圖 5 刀閘閥動作時的流道狀態Fig. 5 Product flow status for knife gate valve

刀閘閥從結構上有以下優點：

（1）流阻系數小，全開時流道為圓柱型通徑，閥門的其他部件不會收到介質的沖刷造成相互損傷。

（2）大口徑閥門容易選型且價格較為經濟。

但也有缺點：

（1）關閉時閥桿的行程比較長，高度尺寸比較大，保證完全密封困難，密封面遭受擦傷，工作條件差，在楔式閘閥中，楔形閘板與閥體的組裝復雜。[3]

（2）刀閘的底部容易積料，在關閉時容易損壞催化劑載體，且影響關閉效果。

（3）由于結構限制，容易產生外漏，但是由于此次存在氫氣工況，外漏問題必須得到解決。

由于以上問題，刀閘也無法滿足工況要求。2.4 滑板閥

滑板閥的設計思路來源于刀閘閥，但絕不是一個刀閘閥?；彘y的結構特點是：滑板貫通閥體兩端，滑板中間開有一個孔?；彘y結構見圖6。

圖 6 滑板閥結構Fig. 6 Slide gate valve structure

當滑板閥在全開時也是一個圓柱形的通徑流道，不會受到介質的沖刷。但關閉時由于滑板閥沒有所謂的閥座，因此也不會造成介質的堆積，同樣也就不會造成催化劑載體的損傷。而由于滑板閥沒有如球閥的閥腔，所以也不會產生物料的堆積從而產生抱死等情況。唯一有可能積存物料的地方是當滑板閥關閉時正

好處于圓形孔洞處的少量物料被暫時帶進閥內，當下一次打開時物料被原路帶回管道內，不會造成閥內物料的堆積。

3 實際應用

圖 7 雙層填料密封閥桿結構Fig. 7 Double packing structure for stem

在對某催化劑加氫裝置進行設計時，經過以上研究比對，初步選擇了滑板閥?？紤]到防止外漏的要求，對滑板閥的閥桿密封進行了研究。由于整個閥板被完全密封在閥體內，只有閥桿露出閥體與執行機構相連，這樣大大減少了填料需要密封的面積，降低了外漏的可能性。最終確定滑板閥是最適合催化劑加氫反應器進出口開關控制的閥型，并結合工藝過程操作工況和設計工況的溫度、壓力、介質的特殊性和管徑等，選擇了合適口徑、壓力等級和材質的滑板閥。

為了進一步減少外漏和對外漏進行監控，選用了采用雙層填料密封閥桿的設計結構，如圖7所示。

此結構在兩層填料間有一段空隙，在空隙處開兩個小孔。實際應用時，一個用于接吹掃氮氣，其主要目的在于密封，防止氫氣外漏；另一個用于接壓力開關，當填料環間的壓力發生較大變化時說明第一層填料可能已經發生損壞，壓力開關發出報警信號至DCS系統，DCS操作畫面發出報警提示，可以及時派人進行檢修處理。

4 結束語

整個流程工藝的控制和切斷最終是由控制閥來完成的，因此，閥門的選擇是否合適會直接影響到控制效果及投資回報。而各種閥門本身根據各自的結構特點存在不同的優點和缺點，實際應用中必須根據工藝介質特點、操作工況、環境條件等因素進行綜合考量，正確選用適合的閥門。

參考文獻

[1]孫叔平，等. 工業自動化儀表與系統手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[2]陸德民，等. 石油化工自動控制設計手冊（第三版）[M]. 北京：化學工業出版社，2000.

[3]王匡時. 閥門設計與計算[M]. 安徽：合肥通用機械研究所，1974.

Study of Selection of On-off Valve in Hydrogenating and Reducing Reactor for Catalyst

Lou Ling
（Honeywell China Co. Ltd, Shanghai 201203）

Abstract:Valve is a key component in process control system. It can be applied for blocking the equipments from pipe systems, controlling the flow and pressure, and relieving the pressure and etc. Thus it is important to select the right valve as per the process condition. In this article, the application of shut-off valve in the hydrogenating and reducing reactor in catalyst process was discussed. Keywords: valve; selection; solid; slide gate valve; characteristics; high temperature; corrosion

作者簡介：樓靈（1981—），男，高級工程師（碩士），研究方向：化工裝置自控工程設計。

收稿日期：2015-11-23

中圖分類號：TQ 055.8+1

文獻標識碼：A

文章編號：2095-817X（2016）01-0018-000