СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В СОСУДЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01F23/24 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и системе для измерения уровня текучей среды, содержащейся в сосуде высокого давления.

Уровень техники

Измерение уровня жидкости в сосуде/резервуаре, работающем под давлением (для краткости, называемом далее сосудом высокого давления) является обычной задачей для многих типов оборудования, используемого на химических заводах, включая реакторы (конвертеры), отпарные аппараты, конденсаторы и им подобные установки. Обычно сосуд высокого давления содержит жидкость в равновесии с газообразной фазой над жидкостью, и измерения уровня жидкости необходимы для надлежащего управления процессом, осуществляемым в сосуде.

Задача измерения уровня жидкости может стать затруднительной в определенных условиях, например, когда давление и/или температура текучей среды превышает критический уровень, в присутствии кипящей жидкости, когда в жидкости и/или в газообразной фазе происходит химическая реакция, в условиях коррозионной среды.

Хороший пример сосуда высокого давления, для которого измерение уровня жидкости может быть трудной задачей, представлен реактором для синтеза мочевины из диоксида углерода и аммиака.

Как указывается в справочной литературе (см., например, "Энциклопедия Ульмана по химическим технологиям", издательство Wiley-VCH) в большинстве современных технологий получения мочевины используется контур синтеза высокого давления, включающий реактор, отпарной аппарат и конденсатор, работающие в условиях высокого давления от примерно 130 до 160 бар. Реактор синтеза мочевины работает в условиях высокой температуры и высокого давления и, возможно, в условиях близких к критическим или суперкритическим, и содержит коррозионную текучую среду, что связано прежде всего с присутствием карбамата аммония. Другое оборудование завода (установки) по производству мочевины, работающее в тяжелых условиях, включает отпарной аппарат высокого давления и конденсатор высокого давления.

Еще одним примером такого оборудования является реактор для преобразования мочевины в меламин. Синтез мочевины и синтез меламина может осуществляться на одном заводе, так называемом заводе по производству мочевины и меламина.

Ниже указаны известные способы определения уровня жидкости, особенно в вышеприведенных примерах сосудов, работающих в тяжелых условиях.

Мембранные передатчики, которые подвергаются коррозии, и в них проникает водород.

Радиационные измерители уровня, например, использующие гамма-излучение, которое представляет серьезные угрозы безопасности.

Радиолокационные измерители, на точность работы которых влияют свойства среды, находящейся над поверхностью жидкости.

Технология радиолокационного измерения используется в тех случаях, когда радиолокационный сигнал по-разному отражается от газообразной фазы и жидкой фазы. Поэтому точность этих измерителей ухудшается, когда газообразная фаза и жидкая фаза имеют сходные характеристики, что может иметь место в определенных условиях, таких как близость температуры и/или давления к критической точке, или жидкость находится в сверхкритическом состоянии. Кроме того, показания этих измерителей могут существенно ухудшаться в случае тумана, состоящего из мельчайших капелек жидкости, или при формировании пены над поверхностью жидкости.

Несмотря на отмеченные недостатки, проводились исследования в части использования радиолокационных измерений в области производства мочевины, в частности для реакторов синтеза мочевины. Пример радиолокационной технологии описан, например, в документе WO 2013/036108. В этом документе предлагается устранить недостатки радиолокационных измерений с помощью полой трубы. Однако в этом случае неполностью устраняется действие тумана или пены над поверхностью жидкости. Кроме того, установка сравнительно большой полой трубы в реакторе синтеза мочевины влечет за собой дополнительные расходы и может негативно влиять на работу самого реактора. Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на обеспечение нового способа определения уровня жидкости в сосуде высокого давления, который имеет достаточную точность и предназначен для работы в агрессивной среде и/или в жестких условиях эксплуатации, в частности в присутствии текучей среды, находящейся в суперкритическом состоянии или в состоянии, близком к суперкритическому.

Указанная цель достигается с помощью способа по п. 1 формулы изобретения. Некоторые предпочтительные варианты раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Способ по настоящему изобретению включает измерение температуры одной или нескольких точек измерения на нагретой внутренней поверхности термометрического колодца, который частично погружен в жидкость. Способ также включает сравнение по меньшей мере одной температуры, принимаемой за точку отсчета, с фактически измеренной температурой. На основе этого сравнения определяют уровень жидкости в сосуде высокого давления. Изобретение основано на обнаружении того, что коэффициент теплопередачи текучей среды, окружающей термометрический колодец, существенно изменяется на границе раздела жидкость-газ. Газообразная фаза характеризуется более низким коэффициентом теплопередачи по сравнению с жидкой фазой. Если стенка колодца окружена жидкой фазой, то температура внутренней стенки будет приближаться к температуре жидкости благодаря хорошей теплопередаче между внутренним и внешним пространством колодца. Напротив, если стенка колодца окружена газообразной фазой, теплопередача в общем случае низка и будет влиять на температуру внутренней поверхности.

Указанная по меньшей мере одна температура, используемая в качестве точки отсчета при определении уровня жидкости, может включать одну или несколько точек отсчета. Такая точка отсчета может включать (или может быть представлена) одно или несколько из нижеследующего:

расчетную температуру указанной по меньшей мере одной точки измерения;

одно или несколько значений температуры, ранее измеренной в указанной по меньшей мере одной точке измерения;

одно или несколько значений температуры текучей среды, содержащейся в сосуде высокого давления;

одно или несколько значений температуры на внешней поверхности термометрического колодца.

Поэтому разница между температурами, используемыми в качестве точек отсчета, и фактической температурой является функцией теплопередачи через боковую стенку термометрического колодца, и эта теплопередача зависит от коэффициента окружающей текучей среды. На основе этого соотношения в способе может определяться, является ли окружающая текучая среда в точке измерения температуры жидкой или газообразной, и, соответственно, положение (высота) уровня жидкости может быть определено опосредованно.

Предпочтительно внутреннюю поверхность термометрического колодца нагревают до целевой температуры, которая превышает температуру текучей среды, окружающей термометрический колодец. Соответственно, температура внутренней поверхности термометрического колодца в точке на стенке, соприкасающейся с газообразной фазой, будет близка к целевой температуре в связи с низким теплообменом. Напротив, температура в точке на стенке, соприкасающейся с жидкой фазой, будет ниже и ближе к температуре жидкости. На основе этого измерения может быть определено положение уровня жидкости, например, с использованием расчетной температуры внутренней поверхности в качестве точки отсчета.

Для повышения точности способа может измеряться температура в нескольких точках внутренней поверхности колодца. Например, резкое изменение температуры между двумя точками указывало на то, что уровень жидкости находится между этими двумя точками.

Текучая среда, содержащаяся в сосуде высокого давления, может находиться при температуре и/или под давлением, близким или превышающим критическую величину. Текучая среда также может быть суперкритической текучей средой, у которой как температура, так и давление превышают критические величины.

Важным применением изобретения является измерение уровня жидкости в сосудах высокого давления заводов по синтезу мочевины, заводов по синтезу меламина и заводов по синтезу мочевины и меламина.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 - схема сосуда высокого давления, например реактора синтеза мочевины, с системой измерения температуры по настоящему изобретению; на фиг. 2 - схема термометрического колодца фиг. 1.

Подробное описание изобретения

В общем случае изобретение может быть осуществлено с использованием следующих шагов:

обеспечение термометрического колодца внутри сосуда высокого давления;

нагрев внутренней поверхности термометрического колодца;

измерение температуры по меньшей мере в одной точке измерения на внутренней поверхности;

определение положения уровня жидкости на основе разницы между по меньшей мере одной температурой, используемой в качестве точки отсчета, и температурой, измеренной на предыдущем шаге.

Термометрический колодец проходит по вертикали в сосуде высокого давления и предпочтительно имеет такую длину, которая охватывает ожидаемый диапазон изменения измеряемого уровня жидкости. Термометрический колодец обычно имеет удлиненный корпус. Внешняя поверхность термометрического колодца соприкасается с текучей средой, содержащейся в сосуде высокого давления. Внутреннее пространство термометрического колодца герметизировано подходящим образом. Таким образом, внутренняя поверхность не находится в непосредственном контакте с текучей средой, находящейся в сосуде высокого давления. Внешняя поверхность и внутренняя поверхность разделены боковой стенкой термометрического колодца.

Шаг нагрева внутренней поверхности термометрического колодца предпочтительно осуществляют путем нагрева внутренней поверхности до целевой температуры, превышающей температуру среды, содержащейся в сосуде высокого давления. Соответственно, тепло будет передаваться изнутри наружу через стенку сосуда.

По меньшей мере одна температура, которая используется в качестве точки отсчета для определения положения уровня жидкости, может включать расчетную температуру точки измерения. Эта расчетная температура может быть вычислена как функция процесса нагрева внутренней поверхности, то есть, она может быть равна целевой температуре, которая задается для процесса нагрева, или же она может быть функцией мощности, передаваемой в самом процессе нагрева. Эта по меньшей мере одна температура, используемая в качестве точки отсчета, может также включать ранее измеренные значения температуры внутренней поверхности.

Использование только расчетной и/или ранее измеренной температуры (температур) внутренней поверхности в качестве точки отсчета может быть предпочтительным, поскольку в этом случае в предлагаемом способе не требуется измерять температуру снаружи термометрического колодца, где датчик температуры будет подвергаться действию текучей среды. Однако эта по меньшей мере одна температура, используемая в качестве точки отсчета, может также включать одно или несколько значений температуры текучей среды, содержащейся в сосуде высокого давления, или температуру на внешней поверхности термометрического колодца, предпочтительно возле точки, находящейся на той же высоте, что и точка измерения на внутренней поверхности.

Температуру среды, содержащейся в сосуде высокого давления, предпочтительно измеряют в точке, близкой к термометрическому колодцу и близкой к точке измерения на внутренней поверхности. Температура среды может включать температуру жидкой фазы и/или температуру газообразной фазы.

Сравнение измеренных температур и температуры (температур), используемой в качестве точки отсчета, позволяет получить информацию о фактической теплопередаче между внутренней поверхностью и внешней поверхностью, и, соответственно, о коэффициенте теплопередачи текучей среды на высоте точки измерения.

Температура внутренней поверхности может быть измерена в нескольких точках измерения, на разной высоте, чтобы повысить разрешающую способность системы. Температура может быть измерена в нескольких дискретных точках или непрерывно с использованием системы распределенного измерения температуры с помощью оптического кабеля. В предпочтительном варианте дискретные точки измерения могут быть распределены равномерно по вертикали.

На основе температур, измеренных в нескольких точках измерения, может быть определен температурный профиль внутренней поверхности термометрического колодца. На основе дискретных измерений можно получить температурный профиль с использованием соответствующей интерполяции. Положение уровня жидкости может быть определено на основе полученного температурного профиля.

Вышеописанные задачи могут быть выполнены подходящим устройством обработки данных, например, подходящими аппаратными средствами, сконфигурированными для осуществления способа, предложенного в изобретении.

Например, в одном из вариантов способа может определяться пара последовательных точек измерения, расположенных на разной высоте (то есть, одна точка над другой) на внутренней поверхности термометрического колодца, для которых разница температур превышает разницу температур других пар последовательных точек измерения. Эта пара указывается как сингулярная (уникальная/особенная) пара, поскольку она показывает необычность (например, неожиданное изменение) разницы температур этих последовательных точек по сравнению с другими парами точек. В способе предполагается, что вышеуказанная особенность возникает в результате изменения теплопередачи между двумя точками измерения, вызываемого разными агрегатными состояниями (жидкость/пар) окружающей среды. Поэтому в способе принимается, что уровень жидкости находится между точками измерений этой сингулярной пары. На основе измеренных величин в предлагаемом способе может также определяться уровень жидкости более точно в диапазоне, определяемом этой парой точек.

Если температурный профиль получен в результате измерений или вычислений, то расположение уровня жидкости может определяться участком профиля, на котором температура изменяется существенно на небольшом вертикальном отрезке, что связано с границей между жидкостью и паром. В упрощенном варианте способа может использоваться измерение температуры одной точки. В этом случае процесс измерения повторяется в течение продолжительного времени, и считается, что уровень жидкости проходит через точку измерения, когда обнаружено изменение температуры, превышающее базовое пороговое значение. Соответственно, способ обеспечивает сигнализатор уровня.

Нагрев внутренней поверхности термометрического колодца может осуществляться с использованием электрического сопротивления, установленного в термометрическом колодце или с помощью других нагревательных средства.

Одним из аспектов изобретения является также система для измерения уровня жидкости текучей среды в сосуде высокого давления, в частности в химическом реакторе, содержащая термометрический колодец, проходящий в сосуде высокого давления по вертикали и имеющий внутреннюю поверхность, которая не соприкасается с текучей средой, будучи герметически изолированной от внутреннего пространства сосуда высокого давления, в котором содержится эта текучая среда, причем термометрический колодец содержит по меньшей мере один нагреватель, предназначенный для нагрева внутренней поверхности до заданной температуры, и система включает аппаратные средства, сконфигурированные для измерения уровня жидкости вокруг термометрического колодца в соответствии со способом по одному из вышеописанных вариантов.

Эти аппаратные средства могут содержать один или несколько датчиков температуры для измерения температуры в выбранных точках внутренней поверхности термометрического колодца, и электронную плату, программируемый логический контроллер или иное подобное устройство, запрограммированное подходящим образом для осуществления способа, например, для сравнения измеренных температур и определения расчетного положения уровня жидкости. В качестве датчиков температуры используются известные устройства, например термопары.

Настоящее изобретение имеет нижеуказанные достоинства: в частности, уровень жидкости может быть измерен опосредованно, без необходимости контакта датчика уровня с текучей средой. Уровень может быть также определен опосредованно изнутри термометрического колодца, без непосредственного контакта каких-либо датчиков с текучей средой, что особенно важно, когда текучая среда создает жесткие условия в части температуры, давления, коррозии. Термометрические колодцы, которые могут противостоять таким условиям, предлагаются на рынке по приемлемым ценам, в то время как датчики, предназначенные для работы в таких условиях, представляют собой существенно более дорогостоящие устройства. Изобретение не создает проблем, связанных с безопасностью; изобретение менее чувствительно к факторам, влияющим на работу визуальных и радиолокационных систем, особенно в присутствии тумана или пены непосредственно над поверхностью жидкости или в случае текучей среды, находящейся в критическом или суперкритическом состоянии. Точность способа, предлагаемого в изобретении, может быть определена соответствующим количеством точек измерения температуры.

Ниже описывается предпочтительный вариант осуществления изобретения, иллюстрируемый фигурами, на которых химический реактор 1 содержит вертикальный сосуд 2 высокого давления с вертикальной осью А, и очень схематично показан входной канал 4 для реагентов и выходной канал 5 для продуктов реакции. Внутри реактора 1 показан уровень L жидкости. Выше уровня жидкости в реакторе 1 содержится парообразная фаза, которая может находиться в равновесии с жидкой фазой.

Как это очевидно для специалиста, реактор 1 может иметь другие входные и/или выходные каналы. Например, реагенты могут поступать отдельным потоком, и газообразный поток головного погона может выводиться из верхней части реактора.

Реактор 1 снабжен системой определения уровня жидкости, которая работает с термометрическим колодцем 10. Термометрический колодец 10 проходит по вертикали внутри сосуда 2 высокого давления.

Как это иллюстрируется на фиг. 2, внутреннюю поверхность 13 термометрического колодца 10 нагревают с помощью подходящего нагревателя 12 до заданной температуры. Температуру внутренней поверхности 13 измеряют в выбранных точках, таких как, например, точки P1, Р2, Р3. Температуру измеряют с помощью подходящих датчиков.

На графике фиг. 2 показаны температуры T1, Т2, Т3, измеренные в точках P1, Р2 и Р3, соответственно, по вертикальной оси у координат. На графике также показана целевая температура Т*, которая является заданной величиной для нагревателя 12. Целевая температура Т* выше температуры Tf текучей среды, содержащейся в сосуде 2 высокого давления.

В рассматриваемом примере температуры Т1 и Т2, измеренные в точках Р1 и Р2, близки к заданной температуре Т* из-за низкой теплопередачи и, соответственно, рассеяния тепла, обеспечиваемого нагревателем 12, через боковую стенку 11. Низкая теплопередача связана с наличием газообразной фазы, окружающей колодец 10 на уровне (у-координата) точек Р1 и Р2.

Однако в точке Р3, на уровне которой колодец 10 окружен жидкостью, измеренная температура Т3 ниже температур Т1 и Т2 и близка к температуре Tf. Это связано с гораздо более высоким коэффициентом теплопередачи жидкости (по сравнению с паром), и поэтому больше тепла передается текучей среде через боковую стенку 11.

Поэтому в системе принимается решение, что уровень L жидкости находится между точками Р2 и Р3. Такое решение может быть принято, если разница (Т2-Т3) превышает определенное пороговое значение.

В одном из вариантов (не показан) обеспечивается только одна точка измерения, например точка Р1. В этом случае в способе могут использоваться предыдущие значения температуры в качестве точек отсчета. Поэтому способ может обеспечивать определение резкого изменения температуры в точке Р1, и в этом случае принимается решение, что уровень жидкости находится примерно на уровне точки Р1.

В другом варианте (также не показан) в качестве точки отсчета для определения положения уровня жидкости используется температура Tf среды. Например, система может содержать первую термопару, установленную для измерения температуры на внутренней поверхности 13, и вторую термопару, установленную ниже ожидаемого диапазона изменения уровней L жидкости, для измерения температуры жидкости. Система может также содержать еще одну термопару, установленную для измерения температуры газообразной фазы выше уровня L.

Изобретение относится к способу и системе для измерения уровня текучей среды, содержащейся в сосуде высокого давления, причем сосуд высокого давления представляет собой часть оборудования завода по синтезу мочевины или завода по синтезу меламина. Заявленный способ измерения уровня (L) жидкости текучей среды, содержащейся в сосуде (2) высокого давления, включает в себя следующие этапы: обеспечение термометрического колодца (10) внутри сосуда высокого давления; нагрев внутренней поверхности термометрического колодца, которая не соприкасается с текучей средой; измерение температуры по меньшей мере одной точки измерения на внутренней поверхности; определение положения уровня жидкости на основе разности между температурой, используемой в качестве точки отсчета, и температурой, измеренной вышеуказанным образом. Технический результат - повышение точности измерений при работе в агрессивной среде и/или в жестких условиях эксплуатации, в частности в присутствии текучей среды, находящейся в суперкритическом состоянии или в состоянии, близком к суперкритическому. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения уровня (L) жидкости в текучей среде, содержащейся в сосуде (2) высокого давления, представляющем собой часть оборудования завода по синтезу мочевины или завода по синтезу меламина, включающий:

i) обеспечение внутри сосуда высокого давления термометрического колодца (10), проходящего по вертикали в этом сосуде,

ii) причем обеспечивают термометрический колодец, имеющий внутреннюю стенку (13), которая не находится в контакте с текучей средой и изолирована от текучей среды боковой стенкой (11) термометрического колодца;

iii) нагрев внутренней поверхности термометрического колодца;

iv) измерение температуры по меньшей мере в одной точке измерения на внутренней поверхности;

v) определение положения уровня жидкости на основе разницы между по меньшей мере одной температурой, используемой в качестве точки отсчета, и температурой, измеренной на шаге (iv).

2. Способ по п. 1, в котором шаг (iii) нагрева внутренней поверхности термометрического колодца включает нагрев внутренней поверхности до целевой температуры, превышающей температуру среды, содержащейся в сосуде высокого давления.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором на шаге (v) указанная по меньшей мере одна температура, используемая в качестве точки отсчета, включает расчетную температуру указанной по меньшей мере одной точки измерения.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором на шаге (v) указанная по меньшей мере одна температура, используемая в качестве точки отсчета, включает температуру, измеренную ранее в указанной по меньшей мере одной точке измерения.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором на шаге (v) указанная по меньшей мере одна температура, используемая в качестве точки отсчета, включает температуру текучей среды, содержащейся в сосуде высокого давления.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором шаг (iv) включает измерения температуры по меньшей мере двух точек измерения на внутренней поверхности на разной высоте.

7. Способ по п. 6, в котором шаг (v) включает: определение температурного профиля внутренней поверхности термометрического колодца на основе температур, измеренных в точках измерения, и положение уровня жидкости определяют на основе указанного температурного профиля.

8. Способ по п. 6 или 7, в котором шаг (v) включает:

измерение температуры в нескольких точках измерения на внутренней поверхности, причем точки измерения расположены на разной высоте;

определение сингулярной пары последовательных точек измерения, в которых разница температур между точками измерения превышает разницу температур других пар последовательных точек измерения;

принятие того, что уровень жидкости находится между точками измерения сингулярной пары точек.

9. Способ по любому из пп. 1-5, в котором шаг (iv) выполняют путем определения температуры только в одной точке измерения и его повторяют с течением времени, а шаг (v) включает принятие прохождения уровня жидкости через точку измерения, когда обнаружено изменение температуры, превышающее заданное пороговое значение.

10. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором шаг (iii) выполняют с помощью электрического сопротивления, установленного в термометрическом колодце.

11. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором по меньшей мере одно из температуры и давления текучей среды, содержащейся в сосуде высокого давления, превышает критическую величину.

12. Система для измерения уровня жидкости текучей среды в сосуде высокого давления, представляющем собой часть оборудования завода по производству мочевины или завода по синтезу меламина, содержащая термометрический колодец (10), проходящий в сосуде высокого давления по вертикали и имеющий внутреннюю поверхность (13), которая не соприкасается с указанной текучей средой, будучи герметически изолированной от внутреннего пространства сосуда высокого давления, в котором содержится эта текучая среда, причем термометрический колодец содержит по меньшей мере один нагреватель (12), предназначенный для нагрева указанной внутренней поверхности (13) до целевой температуры, сосуд представляет собой часть оборудования завода по производству мочевины или завода по синтезу меламина, и система включает аппаратные средства, сконфигурированные для измерения уровня жидкости вокруг термометрического колодца в соответствии со способом по любому из пп. 1-11.

13. Система по п. 12, в которой сосуд высокого давления представляет собой часть оборудования контура высокого давления синтеза мочевины, в частности соответствующий химический реактор, или представляет собой реактор синтеза меламина.