СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ УРОВНЯ И ПЛОТНОСТИ РАСТВОРА В ВЫПАРНОМ АППАРАТЕ Российский патент 1999 года по МПК G01N9/26 

Изобретение относится к технике контроля выпаривания растворов в выпарных аппаратах, работающих как под вакуумом (отрицательное давление), так и под давлением в периодическом режиме выпуска упаренного раствора или при непрерывном режиме.

Известны способы контроля работы выпарных аппаратов и системы многоступенчатых выпарных, установок [1, 2, 5] широко распространенных в различных областях промышленности: химической, пищевой, металлургической и др. Основное назначение системы контроля и управления выпарными аппаратами и установками - это поддержание заданного значения плотности раствора и уровня раствора в выпарном аппарате. Методы измерения уровня [3] и уровнемеры довольно подробно описаны в специальной литературе. Для контроля уровня применяют кондуктометрические, гидростатические, пьезометрические, поплавковые, радиоизотопные и др. уровнемеры.

Контроль по плотности является ведущим методом контроля жидких сред [4]. Причем по измерению плотности определяют состав пульп, суспензий, растворов и содержание химических компонентов в них. Измеряя плотность, как свойство анализируемой среды, регулируют технологические процессы, например работу выпарных аппаратов [1,5].

Плотность является физическим параметром, связанным функционально с другими физическими параметрами, и поэтому может измеряться различными методами и способами (весовым, вибрационным, акустическим, тепловым, электрическим, атомно-абсорбционным, гидростатическим и др.).

Во многих производствах минеральных удобрений и солей имеется ряд технологических операций, в частности упарка растворов, где для ведения технологического процесса требуется автоматический контроль плотности и уровня кристаллизующихся суспензий и растворов [1].

В ряде производств выпарные аппараты являются основным звеном технологического процесса, определяющим качество и стоимость выпускаемой продукции.

В связи с этим большое значение имеет автоматизация выпарных установок, обеспечивающая:
- выполнение технико-экономических показателей при эксплуатации, включая качество выпускаемой продукции;
- определение оптимального режима работы действующих установок;
- анализ установившихся и переходных процессов, необходимых при автоматизации выпарных установок.

Для решения этой задачи необходимо иметь соответствующие методы контроля основных показателей технологического процесса: уровень и плотность раствора.

Гидростатические уровнемеры занимают одно из ведущих мест в химических и других производствах [1, 5].

Гидростатические уровнемеры измеряют давление (Р) столба раствора.

P = ρ_ж•H, (1)
где ρ_ж - - плотность раствора;
H - высота столба раствора.

В выпарных аппаратах обычно измеряется гидростатический уровень и поэтому его можно описать уравнением:
ρ_ж•(V_ж-F•h_н) = G₀-G₁-W (2)
где V_ж= F • h,
F - площадь поперечного сечения аппарата;
h - уровень раствора в аппарате;
G_о - расход раствора на входе в аппарат;
G₁ - расход упаренного раствора из аппарата;
W - расход образующегося пара;
V_ж - объем раствора в аппарате;
h_H уровень в начальном состоянии от которого идет отсчет.

Регулирование уровня способствует стабилизации теплового режима, предотвращает оголение греющих элементов и уменьшает потери продукта со вторичным паром.

По данным многих исследований в аппаратах с естественной циркуляцией наблюдается также экстремальная зависимость коэффициента теплопередачи от уровня. Поэтому следует устанавливать необходимый уровень в аппарате, близкий к оптимальному.

При работе выпарного аппарата, когда параметры меняются в значительных пределах, а также при любых возмущениях или регулирующих воздействиях, приводящих к изменению плотности раствора в аппарате, изменяется и величина уровня раствора в нем.

На измерение уровня сказывается изменение плотности и наоборот, согласно зависимости (2). Плотность и уровень в выпарном аппарате являются таким образом взаимосвязанными параметрами.

Анализ уравнения (1, 2) показывает, что улучшение регулирования выпарного аппарата может быть достигнуто только лишь за счет качественного определения уровня и плотности раствора в выпарном аппарате.

Ни один из известных: способов контроля уровня раствора в выпарном аппарате [1, 2, 5] не обеспечивает надежность измерения уровня без учета плотности раствора.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является система измерения уровня кипящего раствора гидростатическим индукционным уровнемером (ГИУ) [1] . Значение величины уровня корректируется плотномером раствора, установленным после аппарата упарки.

Недостатком такой системы измерения является:
- при понижении плотности раствора ниже заданной величины происходит прекращение сброса упаренного раствора и как следствие отсутствие в этот момент корректирующего сигнала на корректировку значения величины уровня в аппарате.

- плотность раствора измеряется отдельно установленным прибором вне аппарата.

Предлагаемый нами способ одновременного измерения плотности и уровня растворов и суспензий в рабочих условиях эксплуатации выпарного аппарата (при меняющейся температуре раствора и давления) устраняет вышеуказанные причины, используя при этом гидростатический метод, основанный на измерении давления столба жидкости при переменной плотности.

Движущей силой циркуляции раствора в выпарном аппарате c естественной циркуляцией является разность давлений, обусловленная различием плотностей парожидкостной смеси (ρ_cм) в подъемной и раствора в опускной (ρ) частях контура (см. фиг. 1).

ΔP_ц = ΔP_оп-ΔP_п (3)
ΔP_оп = H₀•ρ
ΔP_п = (h_н+H_н)•ρ_cм
или
ΔP_ц= (H_o-h_н-H_н)•(ρ-ρ_см)
где H₀ - высота уровня в выпарном аппарате;
h_H - высота необогреваемого участка подъемной трубы;
H_H- высота зоны нагрева в кипятильнике;
ρ - плотность раствора в опускной трубе;
ρ_cм - плотность парожидкостной смеси.

Из уравнения (3) можно сделать вывод, что циркуляция раствора в аппарате прекратится при
ΔP_оп ≈ ΔP_п (4)
Разность давлений на верхней границе раствора в сепарационном пространстве и на некотором расстоянии H равна гидростатическому давлению столба раствора за вычетом гидравлического сопротивления при движении раствора в опускной трубе (ΔP1оп

).
ΔP_оп = ρ•H-ΔP1оп (5)
Потеря давления в опускной части циркуляционного контура ΔP1оп складывается из гидравлического сопротивления трубопровода ΔP_г и местных сопротивлении ΔP_м.
(6)
где G_уд = ρ•ω_ц = G/F - удельный массовый расход раствора в опускной трубе;
G - массовый расход раствора;
ω_ц - скорость циркуляции;
n - число участков трубопровода диаметром D и длиной l;
m - число местных сопротивлений;
λ_i - коэф. трения на i-м участке трубопровода;
ε_j - коэф. местного сопротивления.

Поскольку ΔP1оп

составляет обычно небольшую долю величины ρ•H₀, то можно ее принять как:
ΔP1оп ≈ K•f(G) (7)
Раствор, поступающий из сепарационного пространства в опускную трубу, увлекает мелкие пузырьки пара. Однако, этим пренебрегают и считают раствор однородным. Основанием к этому является незначительная масса паровых пузырьков по сравнению с массой раствора, а также то обстоятельство, что по мере движения раствора вниз давление возрастает и паровые пузырьки конденсируются в растворе. Поэтому плотность раствора в опускной трубе можно считать постоянной на всей ее длине.

Основным регулирующим параметром выпарных установок является плотность упаренного продукта на выходе. Для правильного ведения технологического процесса в выпарном аппарате необходимо контролировать и регулировать уровень раствора.

Поставленная цель достигается тем, что измерение плотности и уровня в аппарате определяется расчетным методом по информации поступающей c датчиков, установленных на опускной трубе. Причем, значение уровня корректируют в зависимости от изменения скорости циркуляции и плотности раствора (см. уравнения 5-7).

На фиг. 1 представлена блок-схема для осуществления предлагаемого способа.

Система определения уровня и плотности в выпарном аппарате (1) с циркуляцией раствора через теплообменник-кипятильник (2) содержит два датчика измерения гидростатического давления (3, 4), устанавливаемых ниже уровня раствора в аппарате на опускной циркуляционной трубе, датчик измерения давления в сепарационном пространстве аппарата (5), датчик массового расхода циркулирующего раствора (6), арифметические блоки, состоящие из сумматоров сигналов (7, 8, 11, 13), блоков деления (9, 12) и умножения (10) сигналов.

Способ осуществляют следующим образом.

Гидростатический способ измерения плотности основан на зависимости давления столба раствора постоянной величины (базы) от ее плотности.

Сигналы от датчиков гидростатического давления (3, 4), находящиеся на нисходящем (циркуляционном) трубопроводе выпарного аппарата (1), направляют в сумматор (8), в котором вычисляют разность давлений (ΔP₁)
P₁ = H₁ρ-P₀-ΔP1оп1

,
P₂ = H₂ρ-P₀-ΔP1оп2,
принимая
ΔP1оп ≈ ΔP1оп2,
ΔP₁ = P₁-P₂, тогда
ΔP₁ = (H₁-H₂)•ρ. (8)
Плотность упаренного раствора в аппарате рассчитывают по формуле;
ρ = ΔP₁/B, (9)
где B = H₁ - H₂.

Для определения значения плотности, выходной сигнал (ΔP₁) сумматора (8) подают на блок деления сигнала (9), где происходит деление на постоянный коэффициент, характеризующий базу измерения (В).

Выбор значения базы (В) определяет чувствительность или точность измерения плотности.

Сигнал P₂ от датчика гидростатического давления (4), а также сигнал P₀ от датчика (5), измеряющего давление в сепарационном пространстве выпарного аппарата (1), подают на сумматор (7), в котором вычисляют значение
ΔP₂ = P₂+P₀ (10)
Вычисленное значение ΔP₂ подают далее в суммирующий блок (11), где он складывается с сигналом, поступающим от блока (10), осуществляющий преобразование сигнала от датчика массового расхода раствора (6) по формуле (7).

ΔP₂₀ = ΔP₂+ΔP1оп2

(11)
Полученное значение подают затем в блок деления (12), в котором сигнал ΔP₂ делится на сигнал, пропорциональный плотности раствора, поступающий с блока (9).

H₂ = ΔP₂₀/ρ (12)
На выходе блока деления (12) сигнал пропорционален величине истинного уровня раствора в выпарном аппарате.

С выхода блока (12) сигнал поступает в сумматор (13), где вычисляется величина отклонения ΔH уровня от значения уровня, от которого идет отчет H₂₀.

ΔH = H₂-H₂₀. (13)
Нами проведены промышленные испытания системы измерения плотности и уровня раствора в выпарном аппарате, работающем под вакуумом по предлагаемому способу, реализованной на базе промышленного микропроцессорного регулятора "Протар-100" (Завод МЗТА, г. Москва), осуществляющий арифметические операции по вышеприведенному алгоритму.

На фиг. 2 представлена градуировочная характеристика измерения плотности раствора сульфата аммония в выпарном аппарате с естественной циркуляцией и работающим под вакуумом.

Как показывают результаты, точность измерения плотности вполне достаточна для данного вида измерения.

На фиг. 3, 4 представлены результаты работы системы контроля уровня и плотности в выпарном аппарате.

Определенные по предлагаемому способу значения уровня и плотности раствора в выпарном аппарате при рабочих условиях используются, в дальнейшем, для регулирования этих параметров тем же микропроцессорным регулятором по известным способам регулирования выпарных аппаратов [1, 5].

Предложенный способ позволяет в процессе слежения определять нарушения в циркуляции раствора (фиг. 3), что невозможно при любом другом способе контроля уровня и плотности, а это дает возможность корректировать работу выпарного аппарата при его эксплуатации.

Использование данного способа измерения уровня и плотности в выпарном аппарате при рабочих условиях его эксплуатации выгодно отличает предлагаемый способ от общеизвестных способов измерения уровня и плотности гидростатическим способом, т.к. позволяет учитывать их взаимозависимость при постоянном слежении за их изменением.

В результате увеличивается точность измерения величины уровня, устраняется необходимость в установлении отдельного измерителя плотности на трубопроводе после аппарата, увеличивает сферу применения данного способа в других технических решениях.

Источники информации
1. Ю. А. Майзель, В.Б.Земельман, А.Б.Баркан "Автоматизация производств фосфора и фосфорсодержащих продуктов" - М.: Химия, 1973, стр. 89-90, 231 - 244.

2. Е.И.Таубман "Расчет и моделирование выпарных установок" - М.: Химия, 1970, стр. 197-206.

3. Измерители уровня жидкости класс G 01 F 23/00-23/76
4. Измерители плотности класс G 01 N 9/00-9/36
5. В.А.Голубятников, В.В.Шувалов "Автоматизация производственных процессов в химической промышленности". - М.: Химия, 1972, стр. 120-126.

Изобретение относится к технике контроля процесса выпаривания растворов в выпарных аппаратах, работающих как под вакуумом, так и под давлением, как в периодическом режиме выпуска упаренного раствора, так и при непрерывном режиме. Способ автоматического контроля уровня и плотности раствора в выпарном аппарате осуществляется следующим образом: на выпарном аппарате устанавливаются на нисходящем циркуляционном трубопроводе ниже уровня раствора в сепарационном пространстве два гидростатических измерителя давления с заданной базой измерения. Они измеряют постоянный по высоте столб анализируемого раствора с помощью измерения перепада давления, значение которого передается в арифметический блок, в котором вырабатывается сигнал, пропорциональный плотности жидкости, а также перепад давления между одним из гидростатических измерителей давления и измерителем давления установленным в сепарационном пространстве аппарата. По этому сигналу арифметический блок осуществляет определение гидростатического уровня и корректировку его значения от изменения скорости циркуляции и плотности раствора. Способ позволяет повысить качество и стабильность измерения уровня и плотности в выпарном аппарате и полностью его автоматизировать. 4 ил.

Способ автоматического контроля уровня и плотности раствора в выпарном аппарате, включающий измерение уровня гидростатическим способом, отличающийся тем, что на выпарном аппарате устанавливаются на нисходящем циркуляционном трубопроводе ниже уровня раствора в сепарационном пространстве два гидростатических измерителя давления с заданной базой измерения, позволяющие измерять как постоянный по высоте столб анализируемого раствора с помощью измерения перепада давления, значение которого передается в арифметический блок, в котором вырабатывается сигнал, пропорциональный плотности раствора, так и перепад давления между одним из гидростатических измерителей давления и измерителем давления, установленным в сепарационном пространстве аппарата, поступающий затем в арифметический блок, осуществляющий определение гидростатического уровня и корректировку его значения от изменения скорости циркуляции и плотности раствора.