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閥門的高要求，特別介紹了三偏心閥（TOV）在分子篩工藝中的應(yīng)用優(yōu)勢，包括減少維護需求、下降成本及適應(yīng)嚴苛工況的能力，正逐步取代傳統(tǒng)軌道球閥成為行業(yè)趨勢。

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脫水或分離天然氣或者合成氣中的雜質(zhì)。這一工藝過程對閥門的要求很高，因為閥門處于嚴酷壓力溫度變換之下，可能造成閥門損壞和生產(chǎn)運營被中斷。

三偏心閥(TOV)由于其獨特的設(shè)計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需求和維護成本，同時顯著減少安裝空間。

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靜電吸引或微孔吸附從原料中分離出來，剩余的保留在吸附劑內(nèi)。之后，分子篩通過溫度變化和再生氣體進行再生，從而在恢復(fù)分子篩吸附能力的同時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使用薄膜進行溶液擴散分離（吸收原理）的過程。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其擴散，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 - 再生過程是通過溫度變換后氣體在相反方向上的吹掃來實現(xiàn)。

不管固體床分子篩工藝還是膜分子篩工藝都對閥門要求極為苛刻，工藝要求閥門執(zhí)行頻繁的開關(guān)動作，將一個或多個容器從氣體凈化模式切換到再生模式。閥門的運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題。

適用于苛刻工況的閥門解決方案

氣體凈化閥門目前在兩種分子篩工藝中都面臨嚴苛挑戰(zhàn)（圖3）：

高頻開/關(guān)動作，通常每4小時一次，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，甚至最低可達到-70°C。

圖3 分子篩工藝原理圖 - 高頻開/關(guān)動作和頻繁熱循環(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，再通過濾網(wǎng)并流經(jīng)閥門進入下游管線，造成密封部件磨損并危害閥門的整體使用性能。同樣，當(dāng)使用膜去除不經(jīng)過預(yù)處理的二氧化碳時，會出現(xiàn)腐蝕性氣體（酸性），尤其是在海上裝置中。

在以往的經(jīng)驗中，天然氣、煉油石化以及煤化工分子篩一般采用無摩擦升啟式閥桿（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，以至于工程師在項目前端工程設(shè)計階段(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)計本身是標(biāo)準角行程球閥上的一個變種，容易磨損且使用年限短。雖然閥門密封元件可能不會帶來摩擦，但摩擦同時會傳遞到閥桿凸輪（朝向芯銷）和S形銷槽。這種閥門的設(shè)計需要專業(yè)的維護，包括使用昂貴的特殊備件、額外花費的時間和精力。

無摩擦、金屬密封三偏心閥

擁有更長期的可靠性

工藝設(shè)計人員和工廠操作人員如果希望挑選可靠且經(jīng)濟的分子篩閥門，建議不僅僅考慮球閥，三偏心閥也是一個不錯的挑選。三偏心閥與截止閥（圖4）具有相同的錐對錐自對中密封原理，但有一個關(guān)鍵區(qū)別：三偏心閥門通過角行程旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)密封，三個偏心設(shè)計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)計帶有創(chuàng)新的柔性金屬密封圈，非常適合應(yīng)用在高頻開/關(guān)動作工況。由于采用無摩擦設(shè)計，密封件之間的磨損完全消除。包括滑動軸承和止推軸承的閥內(nèi)件均是為重載型應(yīng)用設(shè)計。為了保護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金屬密封、彈性密封圈和扭矩密封補償了閥內(nèi)件和閥體兩邊的不同熱膨脹率，同時確保優(yōu)秀的密封性并消除閥門卡滯風(fēng)險。

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）。該閥門還包括一個易于更換的一體式金屬實心密封圈，性能已經(jīng)在多個分子篩裝置中獲得實際驗證。

每個部件材料的挑選保證了必要的機械性能、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還可通過使用高質(zhì)量的耐腐蝕合金(CRA)堆焊層方式保護與流體接觸的所有內(nèi)表層，這種具有經(jīng)濟成本效益的解決方案使碳鋼閥體的閥門適用于腐蝕性環(huán)境。

一個正在發(fā)展的行業(yè)趨勢

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(ASME 300和600#)上優(yōu)勢更為明顯。Vanessa三偏心閥只需要很少量的維護，且非常方便的現(xiàn)場操作，其無摩擦旋轉(zhuǎn)和全金屬結(jié)構(gòu)顯著延長了閥門的使用年限。

艾默生在分子篩應(yīng)用的首個成功案例可以追溯到1999年，當(dāng)時該公司向馬來西亞海上平臺項目提供了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小時開關(guān)一次，目前這些三偏心閥還在運轉(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行三偏心閥評估后采購的。