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氯化反應產物流量測控儀表的選擇

來源: 1、浙江巨化檢安石化工程有限公司;2、2. 浙江巨化股份有限公司電化廠 作者:雷光富,江泳,諸葛國 發布日期:2020-04-30

 [摘 要]針對氯化反應產物的強腐蝕、易堵塞管道、低電導率和低流速等特性,分析了曾采用過的幾種流量測控儀表的缺陷; 介紹了超聲流量計的工作原理及其在氯化反應產物流量測控中的優勢。

 
      氯與烯烴類物質反應的產物( 以下稱氯反應物) 是一類重要化學品中間體,也是生產氯氟烴替代品的主要原料。隨著社會經濟的發展和人民生活水平的不斷提高,氯反應物在醫藥、化工、染料等領域將會占有越來越重要的地位。在生產過程中氯反應物流量參數是生產工序中一項重要的測控數據,然而由于氯反應物的強腐蝕性、低電導率、易堵塞管道及工藝上的低流量等特點,使得氯反應物流量測控多年來一直存在諸多問題。儀表技術人員曾嘗試過使用多種流量測量儀表,也為此付出了大量的人力和財力,但都因出現的種種問題不能滿足生產上的需要而以失敗告終,因此氯反應物流量測控問題一直都沒有得到根本性解決。
 
1 氯反應物流量測控失敗的原因
1. 1 電磁流量計
      由于分體式電磁流量計對被測液體有技術要求,即被測液體的電導率不能低于電磁流量計規定的閾值,否則不能正常進行測量。通用型智能電磁流量計對被測液體電導率規定的閾值根據不同的型號而異,一般在 5 × 10 - 6 ~ 10 - 4 S /cm 之間; 使用時還取決于傳感器間流量信號線長度及其分布。而非接觸電容耦合大面積電極的電磁流量計則可測電導率低至( 1 ~5) × 10 - 8 S /cm。考慮到氯反應物屬于低電導率液體,浙江巨化股份有限公司電化廠( 以下簡稱“巨化電化廠”) 選用的是電容式電磁流量計,但是在實際使用中還是不能正常工作,示值經常大幅跳動或流量時有時無。經檢查,流量計的安裝符合要求,液體等電位接地良好,電纜絕緣等都不存在問題。由于查不到氯反應物的電導率數據,分析主要還是氯反應物電導率低于或接近于規定的閾值導致上述問題。盡管電磁流量計傳感器內無可動部件,也是測量導電流體較好的流量儀表,但是用于測量氯反應物這種電導率很低或處于臨界狀態的流體流量還是不太適合[1]。 
 
1. 2 遠傳浮子流量計
      金屬管浮子流量計又稱轉子流量計,盡管其測量精度較低,但是它適用于低雷諾數和小流量測量,某種形狀的浮子甚至對流體的非常小雷諾數要求達到 40,這兩個技術特性比較適合氯反應物流體的特點。考慮到介質的強腐蝕性,巨化電化廠曾選用襯聚四氟乙烯的遠傳浮子流量計測量氯反應物流量,但是由于氯反應物是含有多種成分的易堵塞流體,而浮子流量計要求被測流體應為清潔的流體,所以在使用過程中還是發生了浮子在錐形管腔體被卡堵等問題。盡管將流量計拆下清理重新組裝后仍可使用,但是使用不久又會被堵塞。而且在線拆卸清理還需要在工藝管道設置旁路管線及閥門等,這些不僅受到現場空間及成本上的限制,還存在著對生產的影響和操作上的不方便等問題。由于浮子流量計傳感器內有可動部件,在測量含有易堵塞流體時容易發生堵塞,因此采用浮子流量計還是不能滿足連續穩定生產測量的需要。 
 
1. 3 質量流量計
      依據科里奧利原理的質量流量計是一種具有精度高、量程比寬、無直管段要求、無需補償的直接式質量流量計,盡管其價格昂貴,但是為了能找到一種適合測量氯反應物流量的儀表,巨化電化廠也曾選用了質量流量計來進行測量試驗。為了防止介質對流量計的腐蝕,供應商提供了內襯 PFA 的質量流量計,但在使用過程中還是出現了問題。內襯 PFA 雖在防止介質腐蝕方面起到了一定作用,但是由于傳感器口徑較小,且液體流量測控需要傳感器朝下安裝,因生產中氯反應物流體有時處于間斷流動狀態,這就導致了在實際使用過程中出現了傳感器流通管內沉積結垢而局部堵塞和示值誤差問題,在選用測量氯反應物流量時非常終還是被淘汰了。 
 
1. 4 差壓式流量計
      差壓類流量計是流量計范疇內品種非常多的流量儀表,巨化電化廠曾使用過V錐流量計、阿牛巴流量計等。由于差壓類儀表屬于受限于雷諾數的儀表,必須要先看是否滿足儀表的技術特性要求。以 DN50 管徑的氯反應物非常大流量 8 m3 /h、非常小流量0. 5 ~ 1 m3 /h 來分析是否滿足儀表的要求。根據上述非常小流量 0. 5 ~ 1 m3 /h 時,計算得到對應的雷諾數為 4 000 ~ 6 800( 黏度 μ = 1. 5 mPa·s) ,盡管 V錐流量計是下限要求較低的儀表,其下限雷諾數也要達到≥8 000才能正常工作,而阿牛巴要求的下限遠高于 V 錐流量計。所以當流量較小時,DN50 管道由于受限于雷諾數,差壓類流量計不能正常工作。再看差壓變送器實際測量時的不確定度。以V錐流量計為例,當孔板內外徑之比 β 取 0. 6、測量管內徑為 50 mm 時,對應非常大流量 8 m3 /h 差壓量程上限為 9 kPa,采用精度等級為 0. 075 的差壓變送器,依據下式計算可得到在小流量 0. 5 ~ 1 m3 /h 時差壓變送器的實際測量不確定度的大小。
差壓實際測量的不確定度計算公式
      式 ( 1 ) 中: Ei—差壓實際測量的不確定 度; ξΔp—差壓變送器的準確度等級; Δpk—差壓變送器上限值( 20 mA 輸出對應差壓值) ,Pa ( 或 kPa) ;Δpi—差壓實際值,Pa( 或 kPa) 。
 
      在小流量 1 m3 /h 時,節流件產生的差壓值為0. 14 kPa,帶入式( 1) 得到差壓變送器實際不確定度為 3. 2% ; 在流量 0. 5 m3 /h 時,差壓為 0. 035 kPa,差壓變送器實際不確定度為 12. 9% 。盡管采用精度等級為 0. 075 的差壓變送器,但在小流量時整個測量系統實際精度太差,這是差壓類流量計不能正常工作的原因。 
 
2 選擇測量控制方案
2. 1 超聲流量計
      根據氯反應物流量測控中出現的上述問題,在與生產超聲流量計的廠家進行了廣泛的技術交流后,初步了解到針對氯反應物流量測控難點,可以采用不受流體物性和性狀影響、傳感器內無可動部件的超聲流量計進行測量。
 
      超聲波在流動的流體中傳播時,順流方向聲波速度會增大,逆流方向則減小,同一傳播距離就有不同的傳播時間。順流傳播的時間與逆流傳播的時間之差與被測流體的流速有關,據此求出流體的流速。超聲流量計工作原理示意圖如圖 1 所示。
時差法超聲流量計工作原理圖
      設流體在管道中流動的速度為 v,聲波在流體中傳播的速度為 c,聲道傳播角度為 θ,則聲波在兩個傳感器 A、B 間順流傳播時間與逆流傳播時間分別如下:
超聲波順流傳播的時間計算公式
      式中: tAB—超聲波順流傳播的時間; tBA—超聲波逆流傳播的時間; L—上下游傳感器 A、B 間的聲道長度。
 
      從式( 4) 可以求得流體的流速,進而得到流體在管道中的流量。在求得的流體速度計算式中,聲波速度 c 在方程中消失了,流體流速僅由固定距離L 的傳播時間得出,從而消除了流體溫度、壓力和流體組成等因素對流量計測量的影響。 
 
2. 2 使用效果
      對于氯反應物流量的測量,鑒于以前也曾多次得到過其他流量計廠家產品可靠的承諾,所以決定先采用手持式超聲流量計現場進行測控試驗,若測控效果和數據可靠,再陸續改造。經過約半年時間的現場實際測量考驗,流量測控參數穩定可靠,完全符合生產工藝的需要。根據這種情況,生產中陸續采用了多臺固定式超聲流量計,至今測量穩定,并且能夠實現氯反應器的參數自動比值調節。經驗證,超聲流量計還用于其他裝置氯化反應物液體的流量測量,均取得較好的測量效果。 
 
3 結語
      超聲流量計在特殊化工生產過程中提供了可靠的計量和調節參數,為確保生產的長期穩定作出了貢獻,并減少了企業眾多的人力資源浪費與財力損失。 

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