作者：饶 佳 （中国轻工业长沙工程有限公司，湖南长沙 410114）

摘 要：通过分析蒸发结晶工艺中部分重要工段存在结晶析出、浆料、固液两相介质采用 V 型球阀进行调 节的情况下，存在设计的难点及应用上的不足，提出了采用角型控制阀（Y 型角阀）的实施方案。 根据角型控制 阀的技术特点，给出了角型控制阀在釜底安装、管路安装的设计、应用及方法实例。 着重描述了角型控制阀的内 外结构、计算方法、选择要点以及具体实施的参数指标要求。 对于解决传统的 V 型球阀在蒸发结晶工艺中应用 的不足和蒸发结晶工艺的稳定、安全、节能运行有重要的借鉴意义。

关键词：蒸发结晶；固液两相流；材料；角型控制阀

近年来，随着无机盐化工、火力发电厂（包括垃 圾发电厂）脱硫脱硝废水后处理、工业污水处理厂 含盐废水零排放等行业的发展，蒸发结晶工艺的应 用及相关新技术也获得突飞猛进的发展。 NaCl、KCl、CaCl2、Na2SO4、Li2SO4、Li2CO3 等作为蒸 发结晶工艺的产品或副产品， 物理特性较为相似，部 分具有强电化学腐蚀性、半成品易结晶结垢、成品易 吸湿潮解……无论是多效蒸发（ME）还是机械热压缩 （MVR）工艺，蒸发结晶工艺中控制阀的设计及应用都 是影响其自动化水平、可靠性非常重要的因素。 蒸发结晶工艺的加料、转料、母液回收、排浆、 离心机进料等关键工段（位）的流体控制，由于被控 介质存在不稳定的固液两相流， 低压自流浆料，结 晶颗粒硬度大，高流速下冲刷严重，低流速下易堆 积堵塞流道，真空系统自流压差小等因素，控制阀 的设计及应用需要全面考虑工艺参数的设定、控制 阀形式的确定、阀门本体及内件结构、所选材料和 填料形式、阀盖形式、计算 CV、选择 CV、调节特性、 开度选择等，充满众多变数，非常值得工程设计人 员、用户、阀门制造厂商的重视和研究。

1 同心 V 型刀口球冠调节阀

2008 年之前，蒸发结晶工艺特别是应用在真空 制盐工艺上述工段（位）的控制阀采用 V 型刀口球 冠调节阀 （英文名称：V-type segment ball valve）居 多， 其中经历过同心与偏心、V 型球阀与凸轮挠曲 阀/偏心旋转阀的学术争论和不同应用经验的碰撞， 逐步确定了同心 V 型调节球阀的主流应用地位。 同心 V 型刀口球冠调节阀 （以下简称 V 型球 阀）是技术成熟、性能较为优越的通用型控制阀，对 于 V 型球阀的介绍文章已经很多， 就不累述了，本 文只在从针对于在蒸发结晶工艺中应用的角度总 结一些特点。

1.1 V 型球阀的优点

1.1.1 额定 CV 值较 大， 流 通 能 力 较 传 统 调 节 阀 （globe valve）大，相同 工 况 下，控制阀可缩径级数 大，从而降低采购成本。

1.1.2 可调比较高，调节性能与传统 globe 阀接近。

1.1.3 死区间隙小、球冠（球心）与阀座始终接触自 洁性能较好，能显著减少阀门堵塞卡死的几率。

1.1.4 V 型刀口易加工成一定的调节特性曲线，同 时对附着在流道内的细小结晶体、颗粒、纤维有一 定的剪切力。

1.2 V 型球阀的缺陷

1.2.1 泄漏量偏大（国内产品大多为 CLASS III 级， 进口产品大多为 CLASS IV~V 级）；无法完全满足现 阶段蒸发结晶工艺常常不设置切断阀，需依靠调节 阀兼任切断阀的要求。

1.2.2 由于自身结构的制约，运行过程中球芯（冠） 与阀座的自磨损无法避免；除了介质冲刷外，密封 面自身的磨损所占阀门损坏比例超过 60%，从而导 致阀门泄漏量进一步增加，最终只能大修或更换。

1.2.3 流量特性无法做到完全等百分比，只能做到 近似等百分比；但在蒸发结晶工艺中，由于工艺介 质普遍流速偏慢，压差偏小，对控制阀调节精度要 求很高、对调节速度要求不高，故近似等百分比特 性或者线性调节特性的控制阀不适合蒸发结晶工 艺的流体控制。

1.2.4 阀门开度对可调比影响较大；小开度时调节 特性曲线斜率太小， 导致前段可调比达不到预期， 大开度时调节特性曲线斜率太大，导致后段过于灵 敏而容易震荡；实际应用中，可用调节开度范围远 比 GLOBE 阀小，使优点中第 1 条“流通能力大”无 法转换成真正的性能、成本优势。

1.2.5 控制阀前后工艺管路对阀门本身的正常运 行影响大， 间接影响了控制阀的布置以及设备布 置；如结晶器的排料、增稠器下料、蒸发器的转入转 出料等管路需要人工或自动冲洗， 浪费了人力、物 力及能源。 蒸发结晶工艺关键工段（位）的控制阀应用现实 情况已经拖了整个装置稳定、可靠、安全、节能运行 的后腿，那有没有更好的解决方案或者新的思路呢？

2 角型控制阀 2.1 角型控制阀分类及典型结构

2.1.1 分类 2.1.1.1 按用途分类 a.截止型 b.调节型 c.分流/合流型
2.1.1.2 按压力分类 a. 低压阀 PN<1.6MPa b. 中压阀 PN2.5~ 6.4MPa c.高压阀 PN10.0~80.0MPa 2.1.1.3 按温度分类 a.高温阀 t>450℃ b.中温阀 120 ℃ ~450 ℃ c.常温阀 -40 ℃ ~120 ℃ d.低温阀 -100 ℃ ~-40 ℃ e.超低温阀 t<-100 ℃ 2.1.2 结构分析 2.1.2.1 常见结构形式 用于容器底部、侧部或大型管路上的角型控制 阀常见的内部结构形式如下图所示： 120°外展型（内开型） 高压内展型（外开型） 90°内展型（外开型） 图 1 角型控制阀常见的内部结构形式图 2.1.2.2 鉴于本文主要论述蒸发结晶工艺上的应 用，我们着重分析 120°或 135°釜底安装角型控制阀 的结构及特点。 角型控制阀的阀座位于设备或主管连接的一 侧，阀座外露。 普通球阀和直通阀在安装时基本都 是阀门法兰和管道法兰进行面对面的连接，而角型 控制阀和设备或主管道一侧的连接采用的是侵入 式连接，即在设备或主管道上配置一个凸缘法兰(也 称为鞍座)， 角型控制阀的阀座插入凸缘法兰内，并 且同设备或主管道的内壁齐平，以保证阀门和设备 连接处无多余空间，不留介质积存的死角。 同支管 一侧的连接采用法兰和法兰之间的连接，但支管要 斜向下， 以使内部物料可在重力作用或压差下排 出。 釜底安装角型控制阀在很多场合被称作“Y”型 角阀，如 135°Y 型角阀，指阀体接管部分的中心线 和设备罐壁或管壁部分的中心线夹角，也有人称其 为 45°Y 型角阀， 指阀体接管部分的中心线同阀杆 中心线间的夹角， 其阀体形似一个 135°的弯头，其 转弯处平滑无任何死角，可以确保介质顺畅流通。 安装在罐体底部或外壁上用于调节的角型控 制阀，阀芯近似于倒锥形，锥面曲线依据阀门的固 有流量特性设计；而用于开关的角型控制阀，阀芯 近似于碟片。 为了防止介质阻塞阀门，安装在罐体 外壁上一般选用反作用形式，阀芯伸向罐内阀门打，该设计还可以减少阀门的行程，缩小执行机构 的体积，节省安装空间，降低成本。 但另一方面存储 浆料的设备如果带有搅拌装置（如蒸发结晶工艺常 用的增稠器）， 旋转流动的浆料会冲刷伸到设备内 的阀芯，减少阀芯的使用寿命。 安装在管道外壁上小尺寸的角型控制阀无论是 用于调节还是开关，阀芯一般都选用柱塞式，调节型 的依照所需流量特性，柱塞顶端加工成相应的曲面， 开关型的阀芯则是圆柱形的柱塞， 顶端加工成同主 管内壁等半径的弧度， 尺寸较大的则与安装在设备 上的角型控制阀相似。 安装在管道外壁上的一般选 用正作用形式，阀芯向阀的腔体内回缩阀门打开，这 主要是管道内浆料的流速更快，若阀芯伸到主管内， 所受的冲刷会更严重。 另一方面，阀芯伸到主管内， 会减小主管的流通截面积，降低主管的流通能力。

2.1.2.3 其他特点 a. 流线型流道设计确保流体不堵塞； b. 阀芯采用叶片导向结构，可实现密封可靠； c. 开关型阀芯采用柔性联接（活动阀头），可实 现自动定位； d. 调节型阀芯采用整体锻件加工， 适用于高 压、震动工况； e. 可选择手动、电动、气动、液动执行机构； f. 全夹套、半夹套、无夹套可根据实际工况选用。

2.2 角型控制阀适用工况分析

2.2.1 工况一：多效蒸发转料 特点：应用在蒸发结晶过程中的高温、易结晶 固液两相高密度流体控制，通过倒锥形外展式阀头 可以减少冲刷磨损，光滑的流道结晶颗粒不容易堆 积。 大口径阀门需增加润滑系统（注油口、注油器）。 图 2 某 CaCl2 项目现场照片

2.2.2 工况二：深冷系统 特点：应用在-10℃常压冷冻系统的转/出料(悬 浮液)控制，贴壁安装可防止阀芯卡死，并且使管线 更简洁，便于保温施工。 图 3 某冷法提硝项目现场照片

2.2.3 工况三：盐腿连续排浆控制 特点： 应用在盐腿连续排浆控制， 介质密度很 大，含固量高，压差自流，流速较慢，连续运行受固液 比、 沸点升复杂控制， 精度及稳定性要求高， 采用 120°外展式调节型角型控制阀， 满足管路倾斜角度 大防止赌管的要求，同时圆柱形阀头减少介质磨损。 图 4 某工业废水零排放项目现场照片 2.3 角型控制阀的特殊技术分析

2.3.1 填料系统 一般分为单级填料、双级填料、可注油填料，填 料材料一般为三元乙丙橡胶、氯丁橡胶类、聚四氟 乙烯类、石墨类。 如下图所示。 蒸发结晶工艺工艺介质一般含高电化学腐蚀 性的阴离子，温度越高腐蚀性越强。 根据工程经验 温度低于 80℃的此类介质可采用普通 PTFE 填料 环， 具有耐腐蚀、 不易老化等特点， 耐磨性能较 EPDM（三元乙丙橡胶）好；超过 80℃低于 220℃的介 质需采用增强型 PTFE 环才能满足材料要求。 对于转料工段（位），介质含固量较小（≤20%）可 采用单填料密封结构，对于排料（介质含固量≤40%）、 增稠器下料（介质含固量≤50%），必须采用双填料密 封结构。 同时对于有结晶颗粒的介质，填料函、穹窿环 加工精度也必须满足间隙的要求，即活动自如，又可 尽量减少结晶颗粒进入而磨损导向、堵塞气室。

2.3.2 密封结构 常见的密封结构主要有以下几种，由于蒸发结 晶工艺转料、排料、增稠工段（位）管路存在固液两相流的原因，结晶颗粒在流动时对阀门密封面的冲 刷破坏非常严重，我们必须从稳定、可靠、耐磨、耐 冲刷、易修护等角度来对密封结构进行选择。 面密 封由于密封面积大，密封效果好，容易实现硬化处 理（具体方式在后面材料分析上面会提到）加工精 度容易实现等特点成为首选；同时在工艺压力参数 不大，阀门本体结构满足要求的前提下，采用 O 圈 密封（浮动阀座）形式，可以进一步提升阀门的泄漏 等级，轻松达到预期的切断要求。




2.4.2 阀门连接尺寸和主管连接方式的设计 设计阀座外径时要核对设备图纸， 不但要查明 对应接口部件图上标注的尺寸， 还要明确设备的设 计者对制造厂提出的制造公差。 如果设备图纸中要 求的制造公差是+0.5mm， 使用者对阀门厂商要求的 制造公差是-0.5mm， 此时设计的阀座外径比其对应 的接口法兰的内径小 2mm 就可满足安装要求。 如果 没有对设备和阀门制造厂提出确切的公差要求，制 造厂一般会按照±0.5mm 的公差生产，那么设计的阀 座外径比其对应的法兰内径一般会选择小 3mm。 安装在容器上或者管道外壁上的角阀，在设计 时一般要求阀门厂商按照压力等级和尺寸要求自 配凸缘法兰，甚至是同主管连接的“T”型接头，这样 设计阀门时只要告知阀门厂商所要连接的主管尺 寸和壁厚就可以了，而不用担心阀座外径同凸缘法 兰内径不匹配的问题。 同时，接管的通球直径也是 需要特别注意的一个参数。

3 需注意的问题 在国内，角型控制阀应用于蒸发结晶工艺始于 2008 年某大型 Na2SO4 项目，使用效果非常的好，几 乎避免了之前主流 V 型刀口球冠调节阀所存在的 问题。 但是，同样也需要注意角型控制阀在设计、采 购、制造、安装、调试、运行、维护中一系列的问题。 作为蒸发结晶工艺中应用的一种特殊又关键的控制阀，从阀体材质、阀芯类型、作用形式到执行 机构的设计选择都会影响到整套装置的控制策略。 材质及处理方式的选择错误会使阀门在很短 时间内就会因过度腐蚀或者介质冲刷甚至是阀门 本身磨损而产生各种各样的损坏和故障，阀门将无 法实现预期的控制效果，甚至完全失效。 阀座外径的误差， 执行机构的选择的是否合 适，阀体角度、旋转角度、与工艺设备管道接口及方 位的配合，在安装时就会产生影响；曾某装置在安 装施工过程中就出现了由于安装施工精度、制造厂 商阀门角度制造精度、物理接口通球尺寸错误等原 因导致需要现场调整主体设备管口及法兰螺栓孔 方向的问题，不但拖延了设备及管道安装施工进度 也耗费了一定的修改费用，需引起足够重视。 设备装置运行阶段， 角型控制阀长时间在苛刻 的工况下运行，阀门的参数会有哪些变化，存在哪些 故障隐患，可通过智能执行机构和 DCS 或 AMS 系统 进行检测、记录、分析并做出预测性的维护，通过这 种“主动性维护”实现控制阀的长期高效率的运行。

4 结束语 随着新材料、新工艺的不断涌现，计算机辅助 设计，专业仿真软件的广泛应用，角型控制阀的设 计、制造水平在不断的得到提升；随着市场需求的 扩大，越来越多的国内控制阀生产企业也加大对角 型控制阀研发、制造的投入，逐步打破了由国外产 品垄断的市场局面，降低了成本和售价，并结合各 自特点，研发并成功应用了各种特殊要求、特殊材 料、特殊结构的角型控制阀； PDMS、PDS、BIM 等主 流三维工程设计软件的广泛应用，设计单位、阀门 制造厂商、施工单位、用户有了更加灵活、精确的设 计工具，更加通用、快捷的对接平台，进一步减少了 设计、制造、安装、使用中可能出现的错误与偏差。