三偏心閥在分子篩工藝的應(yīng)用

本文探討了石油天然氣、煉油石化、煤化工行業(yè)中分子篩脫水與凈化工藝對(duì)閥門(mén)的高要求，特別介紹了三偏心閥（TOV）在分子篩工藝中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括減少維護(hù)需求、下降成本及適應(yīng)嚴(yán)苛工況的能力，正逐步取代傳統(tǒng)軌道球閥成為行業(yè)趨勢(shì)。

石油天然氣、煉油、石化、煤化工等行業(yè)中通常使用分子篩來(lái)脫水或分離天然氣或者合成氣中的雜質(zhì)。這一工藝過(guò)程對(duì)閥門(mén)的要求很高，因?yàn)殚y門(mén)處于嚴(yán)酷壓力溫度變換之下，可能造成閥門(mén)損壞和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)被中斷。

三偏心閥(TOV)由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)和處理極端工況的能力，非常適合應(yīng)用在分子篩工況。與傳統(tǒng)球閥相比，使用三偏心閥可以最大限度地減少維護(hù)需求和維護(hù)成本，同時(shí)顯著減少安裝空間。

天然氣/合成氣分子篩工藝

固體床和膜分子篩

石油天然氣、煉油石化、煤化工行業(yè)中的脫水和凈化工藝都依賴于固體床分子篩的吸附原理。它們由微孔材料制成，具有挑選性吸附氣體和液體的能力。較小直徑的流體分子通過(guò)靜電吸引或微孔吸附從原料中分離出來(lái)，剩余的保留在吸附劑內(nèi)。之后，分子篩通過(guò)溫度變化和再生氣體進(jìn)行再生，從而在恢復(fù)分子篩吸附能力的同時(shí)充分回收截留的分子（圖1）。

圖1 分子篩的內(nèi)部孔隙允許通過(guò)不高于其微晶結(jié)構(gòu)的自由體積的分子。

相反，從天然氣（通常未經(jīng)預(yù)處理）中去除二氧化碳是通過(guò)使用薄膜進(jìn)行溶液擴(kuò)散分離（吸收原理）的過(guò)程。這些膜由螺旋狀的聚合物制成的，允許流體在其表層溶解并通過(guò)其擴(kuò)散，使具有特定滲透速率的分子滯留在內(nèi)部（圖2）。

圖2 膜分子篩 - 再生過(guò)程是通過(guò)溫度變換后氣體在相反方向上的吹掃來(lái)實(shí)現(xiàn)。

不管固體床分子篩工藝還是膜分子篩工藝都對(duì)閥門(mén)要求極為苛刻，工藝要求閥門(mén)執(zhí)行頻繁的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將一個(gè)或多個(gè)容器從氣體凈化模式切換到再生模式。閥門(mén)的運(yùn)行故障可能造成重大的工廠停工、產(chǎn)品損失、潛在的環(huán)境污染和其他安全問(wèn)題。

適用于苛刻工況的閥門(mén)解決方案

氣體凈化閥門(mén)目前在兩種分子篩工藝中都面臨嚴(yán)苛挑戰(zhàn)（圖3）：

高頻開(kāi)/關(guān)動(dòng)作，通常每4小時(shí)一次，每天最多8次。

凈化和再生模式下的頻繁熱循環(huán)操作，分子篩通常在350°C下用熱氣體吹掃，進(jìn)行再生。而在凈化模式下，溫度下降至環(huán)境溫度，甚至最低可達(dá)到-70°C。

圖3 分子篩工藝原理圖 - 高頻開(kāi)/關(guān)動(dòng)作和頻繁熱循環(huán)是分子篩工藝面臨的兩大挑戰(zhàn)。

氣體凈化殘余物（壓碎磨損掉的吸附劑）通常存在于出口氣體中，再通過(guò)濾網(wǎng)并流經(jīng)閥門(mén)進(jìn)入下游管線，造成密封部件磨損并危害閥門(mén)的整體使用性能。同樣，當(dāng)使用膜去除不經(jīng)過(guò)預(yù)處理的二氧化碳時(shí)，會(huì)出現(xiàn)腐蝕性氣體（酸性），尤其是在海上裝置中。

在以往的經(jīng)驗(yàn)中，天然氣、煉油石化以及煤化工分子篩一般采用無(wú)摩擦升啟式閥桿（傾斜式）的軌道球閥。然而，大口徑和高壓力等級(jí)的軌道球閥都非常笨重，體積也大，產(chǎn)生了大量的直接（材料）和間接（安裝）成本，以至于工程師在項(xiàng)目前端工程設(shè)計(jì)階段(FEED)必須考慮到這些高額成本。將角行程轉(zhuǎn)成直行程的傾斜設(shè)計(jì)本身是標(biāo)準(zhǔn)角行程球閥上的一個(gè)變種，容易磨損且使用年限短。雖然閥門(mén)密封元件可能不會(huì)帶來(lái)摩擦，但摩擦同時(shí)會(huì)傳遞到閥桿凸輪（朝向芯銷(xiāo)）和S形銷(xiāo)槽。這種閥門(mén)的設(shè)計(jì)需要專業(yè)的維護(hù)，包括使用昂貴的特殊備件、額外花費(fèi)的時(shí)間和精力。

無(wú)摩擦、金屬密封三偏心閥

擁有更長(zhǎng)期的可靠性

工藝設(shè)計(jì)人員和工廠操作人員如果希望挑選可靠且經(jīng)濟(jì)的分子篩閥門(mén)，建議不僅僅考慮球閥，三偏心閥也是一個(gè)不錯(cuò)的挑選。三偏心閥與截止閥（圖4）具有相同的錐對(duì)錐自對(duì)中密封原理，但有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：三偏心閥門(mén)通過(guò)角行程旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，三個(gè)偏心設(shè)計(jì)消除了任何摩擦的可能性。

圖4 三偏心蝶閥和截止閥的密封副結(jié)構(gòu)比較

艾默生Vanessa三偏心設(shè)計(jì)帶有創(chuàng)新的柔性金屬密封圈，非常適合應(yīng)用在高頻開(kāi)/關(guān)動(dòng)作工況。由于采用無(wú)摩擦設(shè)計(jì)，密封件之間的磨損完全消除。包括滑動(dòng)軸承和止推軸承的閥內(nèi)件均是為重載型應(yīng)用設(shè)計(jì)。為了保護(hù)裝置不受頻繁的熱循環(huán)和壓力循環(huán)的影響，Vanessa三偏心閥采用金屬對(duì)金屬密封、彈性密封圈和扭矩密封補(bǔ)償了閥內(nèi)件和閥體兩邊的不同熱膨脹率，同時(shí)確保優(yōu)秀的密封性并消除閥門(mén)卡滯風(fēng)險(xiǎn)。

Vanessa三偏心閥采用Stellite 21硬質(zhì)合金堆焊閥座，具有很高的抗流體耐磨性（可能包括從分子篩反應(yīng)罐中流出的顆粒）。該閥門(mén)還包括一個(gè)易于更換的一體式金屬實(shí)心密封圈，性能已經(jīng)在多個(gè)分子篩裝置中獲得實(shí)際驗(yàn)證。

每個(gè)部件材料的挑選保證了必要的機(jī)械性能、耐腐蝕性和同等膨脹收縮系數(shù)之間的理想選配，使Vanessa三偏心閥適用于各種腐蝕性氣體。Vanessa還可通過(guò)使用高質(zhì)量的耐腐蝕合金(CRA)堆焊層方式保護(hù)與流體接觸的所有內(nèi)表層，這種具有經(jīng)濟(jì)成本效益的解決方案使碳鋼閥體的閥門(mén)適用于腐蝕性環(huán)境。

一個(gè)正在發(fā)展的行業(yè)趨勢(shì)

用三偏心閥取代軌道球閥

三偏心閥可以安全地替代軌道球閥。由于三偏心閥的材料使用量較低，閥體更緊湊，可以節(jié)省體積和重量，尤其是在較大口徑(>DN150)和較高壓力等級(jí)(ASME 300和600#)上優(yōu)勢(shì)更為明顯。Vanessa三偏心閥只需要很少量的維護(hù)，且非常方便的現(xiàn)場(chǎng)操作，其無(wú)摩擦旋轉(zhuǎn)和全金屬結(jié)構(gòu)顯著延長(zhǎng)了閥門(mén)的使用年限。

艾默生在分子篩應(yīng)用的首個(gè)成功案例可以追溯到1999年，當(dāng)時(shí)該公司向馬來(lái)西亞海上平臺(tái)項(xiàng)目提供了Vanessa三偏心閥，將二氧化碳膜分離凈化系統(tǒng)的一些軌道球閥替換為Vanessa三偏心閥，要求每2-4小時(shí)開(kāi)關(guān)一次，目前這些三偏心閥還在運(yùn)轉(zhuǎn)中；墨西哥天然氣廠在固體床分子篩應(yīng)用中也應(yīng)用了數(shù)百個(gè)Vanessa三偏心閥取代軌道球閥；還有更多的案例是根據(jù)主要分子篩工藝商的建議進(jìn)行三偏心閥評(píng)估后采購(gòu)的。