硫酸銨裝置中在線密度計的新選擇

夏余歡

(東華工程科技股份有限公司,合肥 230024)

0 引 言

目前核輻射密度計在石化裝置中應用較為普遍,它不接觸被測介質,特別適用于高溫、高壓、強腐蝕性、有毒等常規方式無法解決的場合。其采購、運輸、使用及維護須遵循國家《放射性同位素與射線裝置放射防護條例》之規定,各個環節手續繁瑣,要求嚴格,給用戶帶來諸多不便,而且往往采用進口產品,價格不菲,故許多用戶都在某些相對簡單的工況謀求該密度計的替代產品。結合某采用磷石膏為原料制取硫酸銨的裝置中兩個密度測量的新嘗試,闡述在該條件下采用差壓式密度計或插入式密度計來取代核輻射密度計的可行性,著重介紹插入式密度計。

1 差壓式密度計的應用

該硫酸銨裝置中結晶工段的二段、三段蒸發結晶器內分別有一個密度監測點,通過密度監測結晶狀態,保持結晶溶液在亞穩狀態區域,以控制結晶進程。此設備內介質特性如下:介質為飽和硫酸銨溶液,溫度60～80℃,有真空度;黏度約2 cP (1 cp=0.001 Pa·s),正常密度1 284 kg/m3;有較強腐蝕性且可能有結晶顆粒存在。

以往類似裝置一般都設計為核輻射密度計,在權衡可用性與經濟性之后,選擇了差壓式密度計替代核輻射密度計。這里溫度、黏度實際都不高,通過合理地選擇雙法蘭差壓變送器克服真空、腐蝕性等問題。

1.1 測量原理

差壓法測量液體密度是一種傳統簡單的方法,它既適用于均勻液體,也適用于存在固液兩相的液體。差壓式密度計基于帕斯卡定律p=ρgh,通過測量固定長度的一段液柱的靜壓差來間接測量該液體密度。

1.2 方案實施

采用雙法蘭差壓變送器測量結晶器內溶液的密度。設備內的合格產品通過溢流的方式進入下游流程,結合工藝特點,為更準確地反映產品密度,低壓側測點選取在溢流口下方大約0.5 m處,高壓側位于下方4 m(h)位置,如圖1所示。

圖1 差壓密度計方案示意

a)考慮到介質的黏性及可能會結晶的影響,采用了插入式膜片的雙法蘭差壓變送器測量差壓,配合設備上的PAD形式安裝接口。

b)兩個差壓測點的間距選取要合理,以保證差壓測量的精度,且上取壓點須保證在正常測量時位于液面以下。

c)可現場標定,方便易行。

d)測量膜片嚴重結垢會影響測量準確度,需定期清洗。這對于接觸式測量儀表來說是一個共性問題。

1.3 使用效果

筆者曾到過國內數家磷復肥工廠,類似設備上的液位/密度測量早期由于沒有更好的選擇,均設計為核輻射儀表,用戶普遍反映安裝維護須配備專門人員,使用過程中受到諸多法規制度的限制,要求嚴格,均希望避免使用核輻射儀表。近年來隨著技術的更新,帶毛細管的遠傳差壓變送器在結構上的改進已能滿足在真空場合下使用的可靠性要求,現場看到有些用戶已經將原來的核輻射儀表拆除代之以差壓儀表,大大簡化了儀表的安裝維護程序,使用起來也可滿足過程控制的要求,有足夠的穩定性。

另一個值得肯定的減排城市是中國蘭州。在2015年的巴黎氣候變化大會上，蘭州作為中國唯一的非低碳試點城市應邀參會，與國內外嘉賓分享大氣污染治理做法和低碳城市建設愿景，并榮獲聯合國氣候變化框架公約組織秘書處、中國低碳聯盟、美國環保協會、中國低碳減排專家評審委員會聯合頒發的“今日變革進步獎”。當年的“今日變革進步獎”旨在鼓勵具有變革意義的低碳創新所進行的開拓性探索，鼓勵城市和企業低碳創新，促進全球低碳可持續發展。蘭州獲得這一獎項，主要在于以大氣污染治理的工作創新和突出成效，進行了低碳城市建設的積極實踐，對國內外同類城市治理大氣污染具有重要借鑒意義。

2 插入式密度計的應用

該硫酸銨裝置中反應工段設有一個反應后料漿的密度監測點,用于判斷反應器的進料量是否合適或是其內部的反應是否完全。由于反應器內伴有劇烈攪拌,狀況復雜,所以工藝上將密度測點置于料漿泵出口管線上。儀表選擇需綜合考慮:介質為質量分數約20%(主要為碳酸鈣)的硫酸銨溶液;正常流量為113 m3/h,管道6in(1 in=25.4 mm);流體有較強腐蝕性。

結合這些條件,從經濟合理性并滿足用戶愿望角度出發,選擇了高準7826插入式密度計。該密度計適用于固體顆粒直徑50μm以下,且質量分數不大于20%的場合。下面結合該密度計談一談插入式密度計的具體應用方法及注意的問題。

2.1 測量原理

插入式密度計基于音叉振動的諧振頻率隨流體的密度變化而變化的原理。它采用音叉作為振動元件,音叉由集成在叉體末端的壓電晶體產生振動,振動的頻率由位于另一叉體末端的壓電晶體檢測出來。通過移相和放大電路,叉體的振動被穩定在一個自然諧振頻率下。當液體流經叉體時,傳感器振動質量隨之改變,進而引起振動頻率的變化,通過檢測這一頻率的變化,由下面的公式即可計算出當前液體的密度。

式中 ρ——液體密度;K0,K1,K2——儀表常數,出廠校驗時標定;τ——傳感器振動周期。

2.2 安裝方案

該插入式密度計有下面幾種常用的安裝方式:

a)直接插入式安裝。密度計直接插入主管道,管道連接方式法蘭或焊接,法蘭式安裝如圖2所示。這種安裝方式要求水平主管道大于4 in,垂直主管道大于6 in,介質黏度小于500 cP,流速在0.3～0.5 m/s范圍為佳,適用溫度范圍-50～250℃。為保證測量精度,要求管道連接的各部件按照圖2中所標注的推薦尺寸。

圖2 直接插入式安裝示意(法蘭連接)

b)“T”型套管式安裝。密度計安裝在一個焊接到主管道上的套管內,也有法蘭或焊接兩種安裝方式。圖3所示為法蘭式。這種安裝方式要求主管道大于2 in,介質黏度小于100 cP(特定場合可放寬至250 cP),流速(管壁)在0.5～3 m/s范圍內,適用溫度范圍-50～250℃。由于音叉傳感器“藏”在套管內,在選擇這種安裝方案時要充分考慮流速及黏度的影響,以保證套管內介質與主管介質的同步,提高響應速度,降低測量滯后。同時音叉末端與主管壁的距離要根據流速確定,以確保最佳測量精度。

圖3 “T”型套管式安裝示意

圖4 流通室示意

參照該硫酸銨裝置料漿泵出口料漿的物性、管道尺寸等因素,最終選擇了“T”型套管的安裝方式。

2.3 安裝注意事項

a)選擇合理的安裝位置。密度計安裝位置保持滿管,且應安裝在流態分布穩定的位置,即要求有一定的直管段,以保證測量精度。在該裝置具體實施中將之置于料漿泵出口的垂直管線上,以保證介質中顆粒能均勻分布,同時使“T”型支管與水平面形成30°夾角,以防止漿液中的顆粒沉積在“T”型套管中,影響測量。

b)確保準確的安裝尺寸。從降低投資角度出發,安裝附件一般都隨管道配套制做。為保證測量精度,接管等附件尺寸須達到要求,當受工況限制(如壓力等級)無法滿足時,須要求出廠校驗時予以考慮。

c)音叉傳感器位置。不論采用何種安裝形式,都要使音叉處于垂直位置,以防止固體沉降,氣泡集聚而影響測量準確性。

d)必要的保溫措施。由于溫度是影響密度的因素之一,在密度計本體和安裝位置有熱交換或有明顯溫度梯度變化時都將影響測量的準確度,為達到期望的測量精度,密度計及相鄰的管道要采取良好的隔熱措施。必要時,可以選擇焊接安裝形式,以減少熱交換,提高精度。

2.4 使用效果

插入式密度計無可動部件,即插即用,出廠校準后無須再次標定,使用簡單,維護方便。近年來在電廠濕法脫硫、磷酸反應料漿等場合有了大面積的使用,替代了不少核輻射密度計,大量節省了投資,用戶普遍反映良好。

3 結束語

差壓式密度計與插入式密度計特別適用于該硫酸銨裝置的兩種工況,是核輻射密度計的合適替代儀表,具有更高的性價比,值得在一定范圍內嘗試與推廣。

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