三偏心閥在分子篩工藝的應用

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用優(yōu)勢，包括減少維護需求、下降成本及適應嚴苛工況的能力，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。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運營被中斷。

三偏心閥(TOV)由于其獨特的設計和處理極端工況的能力，非常適合應用在分子篩工況。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。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 分子篩的內部孔隙允許通過不高于其微晶結構的自由體積的分子。

相反，從天然氣（通常未經預處理）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，再通過濾網并流經閥門進入下游管線，造成密封部件磨損并危害閥門的整體使用性能。同樣，當使用膜去除不經過預處理的二氧化碳時，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計階段(FEED)必須考慮到這些高額成本。將角行程轉成直行程的傾斜設計本身是標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

工藝設計人員和工廠操作人員如果希望挑選可靠且經濟的分子篩閥門，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，但有一個關鍵區(qū)別：三偏心閥門通過角行程旋轉來實現(xiàn)密封，三個偏心設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構比較

艾默生Vanessa三偏心設計帶有創(chuàng)新的柔性金屬密封圈，非常適合應用在高頻開/關動作工況。由于采用無摩擦設計，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件均是為重載型應用設計。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險。

Vanessa三偏心閥采用Stellite 21硬質合金堆焊閥座，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還可通過使用高質量的耐腐蝕合金(CRA)堆焊層方式保護與流體接觸的所有內表層，這種具有經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，其無摩擦旋轉和全金屬結構顯著延長了閥門的使用年限。

艾默生在分子篩應用的首個成功案例可以追溯到1999年，當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小時開關一次，目前這些三偏心閥還在運轉中；墨西哥天然氣廠在固體床分子篩應用中也應用了數(shù)百個Vanessa三偏心閥取代軌道球閥；還有更多的案例是根據主要分子篩工藝商的建議進行三偏心閥評估后采購的。