随着制造过程变得越来越复杂,流体控制应用通常涉及越来越苛刻的要求。这些要求可能包括极低或极高的压差(DP),宽的流量系数范围,两相流和超临界状态。结果,选择正确的流量控制解决方案可能比过去复杂得多。

有多种流量控制阀可满足特定要求。流行的选择包括立杆截止阀,旋转球阀和滑门。每种阀门都提供针对极端压力,极端温度,耐腐蚀性和特定流量范围的定制变体。即便如此,化学工程师也经常遇到在特定情况下寻找最佳流量控制解决方案的问题。

一种新方法

带有圆顶驱动的直接密封隔膜阀已被用于控制背压超过10年。它们特别适合要求宽流量范围,高精度,两相流和其他特定要求的过程。因此,该装置已被用于包括催化研究,岩心取样,气相色谱法和超临界萃取的应用中。

最近,创新的工程师和科学家已经开始采用直接密封隔膜阀来控制复杂应用中的流量。他们发现这些设备在流量控制方面的优势与在压力控制方面的优势相同,使其适用于传统方法无法解决的情况。 这些应用程序涉及的一些苛刻要求包括:

  • 流量系数(Cv)的范围比传统阀宽(> 100:1)

  • DP极低而DP极高 

  • 两相,相变和超临界状态

直密封阀如何工作

隔膜通常用于压力调节器中,以感应压力并驱动阀门运动。标准隔膜阀使用机械驱动的隔膜来密封堰,通常用于开/关服务。直接密封隔膜阀(如图1所示)采用完全不同的方法,即在隔膜顶部使用多个孔口和气动先导压力,以在广泛的流量范围内实现精确控制。 

如图2所示,该设备与控制回路中的先导压力控制器和流量计一起工作。比例积分微分(PID)控制器监视来自流量变送器(FT)的流量,并调节先导压力以控制流量。电动气动换能器(E / P)将电子信号转换为用于先导控制器的压力信号。通过将先导压力提高到介质供应压力来减少流量。通过将先导压力降低到介质供应压力以下来增加流量。

直封隔膜阀

图2.直接密封隔膜阀与控制回路中的先导压力控制器和流量计配合使用。

PID控制器必须切换到直接模式,而不是更常见的反向模式,因为必须根据流量的增加来增加压力。

有关传统截止阀控制阀和直接密封隔膜阀的比较,请参见图3。

直封隔膜阀

图3.图表显示了传统截止阀与直接密封隔膜阀相比流量与致动压力的关系。

应用示例1:相变气体

总部位于柏林的Integrated Lab Solutions(ILS)在全球范围内开发自动化实验室测试系统。ILS系统使客户能够进行工艺研究和开发(R&D),并将重点放在催化剂和材料的研发上。像这样的实验室研发系统在流速,压力,温度和化学兼容性方面要求极大的灵活性。

对于特定的研发系统,ILS面临着一个特定的丙烯计量问题。作为液化气,丙烯在计量阀的膨胀和压降过程中会经历强烈的焦耳-汤姆森冷却和相变。这些影响,加上弹性密封件膨胀的趋势,使得对这种流体的流量控制特别困难。ILS以前使用的是针型截止阀。这些控制阀是一项经过验证的技术,其中稳定状态和最少的停机时间至关重要。但是,ILS发现,这种阀的15:1流量系数调节比对于这种研发应用极为受限,因为在这种研发应用中,测试宽参数空间的能力至关重要。

 ILS的创建者和创造力Anton Nagy博士开发并成功实现了使用直接密封隔膜阀的加料系统,以满足该应用的广泛要求-这些流量控制阀的首批商业应用之一。该系统在手动世伟洛克减压调节器和Bronkhorst质量流量控制器的下游使用一个Equilibar直接密封隔膜控制阀(如图4所示)。通过重新部署随质量流量控制器提供的流量控制阀来控制隔膜阀的氮气先导压力。ILS系统能够在很大的绝对压力,压差和流速范围内控制丙烯的计量。 

直封隔膜阀

图4. 系统在手动减压调节器和Bronkhorst质量流量控制器的下游使用直接密封隔膜阀。

纳吉说:“我们给液化气加了或不加了闪蒸阀,对流量控制没有影响,这是惊人的。” “我们可以得出结论说,在所有测试条件下,直接密封隔膜阀的实施都能给我们带来相同或更高的性能。”

应用示例2:超宽Cv范围

位于荷兰费嫩达尔(Veenendaal)的流体控制专业公司压力控制解决方案(PCS)的Armand Bergsma也认识到使用直接密封隔膜阀解决各种流量控制应用的优势。PCS与北欧和西欧研究边界的研究科学家广泛合作。

“实验装置通常是精心设计的过程,旨在探索各种过程条件,”伯格斯玛说。“通常情况下,仅大致了解工艺条件;因此,这些条件需要灵活,但在实验过程中应尽可能保持恒定。我们经常收到需要可在较大范围内运行的仪器的应用程序的咨询。”

对于一个特定的客户应用程序,PCS需要开发一种系统,该系统能够以从100 bar到5 bar的入口压力和从5克/小时到700克/小时的流量计量H2和Cl2气体(见图5)。这种应用具有从1E-5到2E-2的令人印象深刻的流量Cv范围和大约2500:1的调节比。Bergsma使用Bronkhorst Coriolis型质量流量计和比例控制阀以及Equilibar的直接密封隔膜阀演示了该系统。

直封隔膜阀

图5.使用直接密封隔膜阀测得的质量流量与设定值的关系图。该图还显示了传递到直接密封隔膜阀以控制流量的先导压力。由PCS提供

阀门注意事项

在大多数化学过程流量控制应用中,传统的截止阀或针型控制阀将是最经济,最方便的解决方案。这些方法的优点包括:

  • 经过高度验证的坚固设计

  • 行业认可,例如美国石油学会

  • 方便的驱动(3到15 psig的空气或电动机驱动)

  • 定义的故障打开和故障关闭弹簧状态

尽管直接密封隔膜阀方法具有明显的优势,但它比许多传统方法更为复杂。实施此方法涉及以下要求:

  • 所需的仪器气体供应(例如空气或氮气)应等于被控制流体的供应压力。对于高压应用,可能需要使用瓶装氮气。

  • 需要高分辨率压力控制器来将先导压力控制在与流体供应压力相同的范围内。对于更高的压力范围,电子压力控制器可能会更加昂贵。

  • 根据先导压力控制器的配置,PID控制器可能需要切换到直接模式。在某些情况下,可能需要对PID配置进行进一步修改。

  • 在气动供应压力损失的情况下,可能需要使用截止阀来防止高流量。

满足苛刻应用需求的优势

当应用参数超出传统控制阀的商业范围时,过程工程师应考虑将直封隔膜阀作为一种可能的解决方案。这些直接密封的隔膜控制阀已被证明可在以下条件下运行:

  • 所需流量范围广 

  • 腐蚀性强的气体和液体(在带有FFKM的特殊合金体和隔膜中可用)

  • 高温(密封最高可达500ºC)

  • 卫生和生物制药应用(与USP VI类隔膜一起使用)

  • 极低的流速(控制Cv降至1E-9)