隨著制造過(guò)程變得越來(lái)越復(fù)雜，流體控制應(yīng)用通常涉及越來(lái)越苛刻的要求。這些要求可能包括極低或極高的壓差（DP），寬的流量系數(shù)范圍，兩相流和超臨界狀態(tài)。結(jié)果，選擇正確的流量控制解決方案可能比過(guò)去復(fù)雜得多。

有多種流量控制閥可滿足特定要求。流行的選擇包括立桿截止閥，旋轉(zhuǎn)球閥和滑門。每種閥門都提供針對(duì)極端壓力，極端溫度，耐腐蝕性和特定流量范圍的定制變體。即便如此，化學(xué)工程師也經(jīng)常遇到在特定情況下尋找最佳流量控制解決方案的問(wèn)題。

一種新方法

帶有圓頂驅(qū)動(dòng)的直接密封隔膜閥已被用于控制背壓超過(guò)10年。它們特別適合要求寬流量范圍，高精度，兩相流和其他特定要求的過(guò)程。因此，該裝置已被用于包括催化研究，巖心取樣，氣相色譜法和超臨界萃取的應(yīng)用中。

最近，創(chuàng)新的工程師和科學(xué)家已經(jīng)開始采用直接密封隔膜閥來(lái)控制復(fù)雜應(yīng)用中的流量。他們發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備在流量控制方面的優(yōu)勢(shì)與在壓力控制方面的優(yōu)勢(shì)相同，使其適用于傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的情況。 這些應(yīng)用程序涉及的一些苛刻要求包括：

  • 流量系數(shù)（Cv）的范圍比傳統(tǒng)閥寬（> 100：1）

  • DP極低而DP極高 

  • 兩相，相變和超臨界狀態(tài)

直密封閥如何工作

隔膜通常用于壓力調(diào)節(jié)器中，以感應(yīng)壓力并驅(qū)動(dòng)閥門運(yùn)動(dòng)。標(biāo)準(zhǔn)隔膜閥使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的隔膜來(lái)密封堰，通常用于開/關(guān)服務(wù)。直接密封隔膜閥（如圖1所示）采用完全不同的方法，即在隔膜頂部使用多個(gè)孔口和氣動(dòng)先導(dǎo)壓力，以在廣泛的流量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確控制。 

如圖2所示，該設(shè)備與控制回路中的先導(dǎo)壓力控制器和流量計(jì)一起工作。比例積分微分（PID）控制器監(jiān)視來(lái)自流量變送器（FT）的流量，并調(diào)節(jié)先導(dǎo)壓力以控制流量。電動(dòng)氣動(dòng)換能器（E / P）將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為用于先導(dǎo)控制器的壓力信號(hào)。通過(guò)將先導(dǎo)壓力提高到介質(zhì)供應(yīng)壓力來(lái)減少流量。通過(guò)將先導(dǎo)壓力降低到介質(zhì)供應(yīng)壓力以下來(lái)增加流量。

直封隔膜閥

圖2.直接密封隔膜閥與控制回路中的先導(dǎo)壓力控制器和流量計(jì)配合使用。

PID控制器必須切換到直接模式，而不是更常見(jiàn)的反向模式，因?yàn)楸仨毟鶕?jù)流量的增加來(lái)增加壓力。

有關(guān)傳統(tǒng)截止閥控制閥和直接密封隔膜閥的比較，請(qǐng)參見(jiàn)圖3。

直封隔膜閥

圖3.圖表顯示了傳統(tǒng)截止閥與直接密封隔膜閥相比流量與致動(dòng)壓力的關(guān)系。

應(yīng)用示例1：相變氣體

總部位于柏林的Integrated Lab Solutions（ILS）在全球范圍內(nèi)開發(fā)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)。ILS系統(tǒng)使客戶能夠進(jìn)行工藝研究和開發(fā)（R＆D），并將重點(diǎn)放在催化劑和材料的研發(fā)上。像這樣的實(shí)驗(yàn)室研發(fā)系統(tǒng)在流速，壓力，溫度和化學(xué)兼容性方面要求極大的靈活性。

對(duì)于特定的研發(fā)系統(tǒng)，ILS面臨著一個(gè)特定的丙烯計(jì)量問(wèn)題。作為液化氣，丙烯在計(jì)量閥的膨脹和壓降過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷強(qiáng)烈的焦耳-湯姆森冷卻和相變。這些影響，加上彈性密封件膨脹的趨勢(shì)，使得對(duì)這種流體的流量控制特別困難。ILS以前使用的是針型截止閥。這些控制閥是一項(xiàng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，其中穩(wěn)定狀態(tài)和最少的停機(jī)時(shí)間至關(guān)重要。但是，ILS發(fā)現(xiàn)，這種閥的15：1流量系數(shù)調(diào)節(jié)比對(duì)于這種研發(fā)應(yīng)用極為受限，因?yàn)樵谶@種研發(fā)應(yīng)用中，測(cè)試寬參數(shù)空間的能力至關(guān)重要。

 ILS的創(chuàng)建者和創(chuàng)造力Anton Nagy博士開發(fā)并成功實(shí)現(xiàn)了使用直接密封隔膜閥的加料系統(tǒng)，以滿足該應(yīng)用的廣泛要求-這些流量控制閥的首批商業(yè)應(yīng)用之一。該系統(tǒng)在手動(dòng)世偉洛克減壓調(diào)節(jié)器和Bronkhorst質(zhì)量流量控制器的下游使用一個(gè)Equilibar直接密封隔膜控制閥（如圖4所示）。通過(guò)重新部署隨質(zhì)量流量控制器提供的流量控制閥來(lái)控制隔膜閥的氮?dú)庀葘?dǎo)壓力。ILS系統(tǒng)能夠在很大的絕對(duì)壓力，壓差和流速范圍內(nèi)控制丙烯的計(jì)量。 

直封隔膜閥

圖4. 系統(tǒng)在手動(dòng)減壓調(diào)節(jié)器和Bronkhorst質(zhì)量流量控制器的下游使用直接密封隔膜閥。

納吉說(shuō)：“我們給液化氣加了或不加了閃蒸閥，對(duì)流量控制沒(méi)有影響，這是驚人的。” “我們可以得出結(jié)論說(shuō)，在所有測(cè)試條件下，直接密封隔膜閥的實(shí)施都能給我們帶來(lái)相同或更高的性能?！?/p>

應(yīng)用示例2：超寬Cv范圍

位于荷蘭費(fèi)嫩達(dá)爾（Veenendaal）的流體控制專業(yè)公司壓力控制解決方案（PCS）的Armand Bergsma也認(rèn)識(shí)到使用直接密封隔膜閥解決各種流量控制應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。PCS與北歐和西歐研究邊界的研究科學(xué)家廣泛合作。

“實(shí)驗(yàn)裝置通常是精心設(shè)計(jì)的過(guò)程，旨在探索各種過(guò)程條件，”伯格斯瑪說(shuō)?！巴ǔＧ闆r下，僅大致了解工藝條件；因此，這些條件需要靈活，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡可能保持恒定。我們經(jīng)常收到需要可在較大范圍內(nèi)運(yùn)行的儀器的應(yīng)用程序的咨詢?！?/p>

對(duì)于一個(gè)特定的客戶應(yīng)用程序，PCS需要開發(fā)一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠以從100 bar到5 bar的入口壓力和從5克/小時(shí)到700克/小時(shí)的流量計(jì)量H2和Cl2氣體（見(jiàn)圖5）。這種應(yīng)用具有從1E-5到2E-2的令人印象深刻的流量Cv范圍和大約2500：1的調(diào)節(jié)比。Bergsma使用Bronkhorst Coriolis型質(zhì)量流量計(jì)和比例控制閥以及Equilibar的直接密封隔膜閥演示了該系統(tǒng)。

直封隔膜閥

圖5.使用直接密封隔膜閥測(cè)得的質(zhì)量流量與設(shè)定值的關(guān)系圖。該圖還顯示了傳遞到直接密封隔膜閥以控制流量的先導(dǎo)壓力。由PCS提供

閥門注意事項(xiàng)

在大多數(shù)化學(xué)過(guò)程流量控制應(yīng)用中，傳統(tǒng)的截止閥或針型控制閥將是最經(jīng)濟(jì)，最方便的解決方案。這些方法的優(yōu)點(diǎn)包括：

  • 經(jīng)過(guò)高度驗(yàn)證的堅(jiān)固設(shè)計(jì)

  • 行業(yè)認(rèn)可，例如美國(guó)石油學(xué)會(huì)

  • 方便的驅(qū)動(dòng)（3到15 psig的空氣或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）

  • 定義的故障打開和故障關(guān)閉彈簧狀態(tài)

盡管直接密封隔膜閥方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但它比許多傳統(tǒng)方法更為復(fù)雜。實(shí)施此方法涉及以下要求：

  • 所需的儀器氣體供應(yīng)（例如空氣或氮?dú)猓?yīng)等于被控制流體的供應(yīng)壓力。對(duì)于高壓應(yīng)用，可能需要使用瓶裝氮?dú)狻?/p>

  • 需要高分辨率壓力控制器來(lái)將先導(dǎo)壓力控制在與流體供應(yīng)壓力相同的范圍內(nèi)。對(duì)于更高的壓力范圍，電子壓力控制器可能會(huì)更加昂貴。

  • 根據(jù)先導(dǎo)壓力控制器的配置，PID控制器可能需要切換到直接模式。在某些情況下，可能需要對(duì)PID配置進(jìn)行進(jìn)一步修改。

  • 在氣動(dòng)供應(yīng)壓力損失的情況下，可能需要使用截止閥來(lái)防止高流量。

滿足苛刻應(yīng)用需求的優(yōu)勢(shì)

當(dāng)應(yīng)用參數(shù)超出傳統(tǒng)控制閥的商業(yè)范圍時(shí)，過(guò)程工程師應(yīng)考慮將直封隔膜閥作為一種可能的解決方案。這些直接密封的隔膜控制閥已被證明可在以下條件下運(yùn)行：

  • 所需流量范圍廣 

  • 腐蝕性強(qiáng)的氣體和液體（在帶有FFKM的特殊合金體和隔膜中可用）

  • 高溫（密封最高可達(dá)500oC）

  • 衛(wèi)生和生物制藥應(yīng)用（與USP VI類隔膜一起使用）

  • 極低的流速（控制Cv降至1E-9）