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尿素装置中液位计的选型及安装



摘要:各种液位计的在尿素装置上都有所应用, 并且液位计的准确度是尿素稳定运行的重要参数。而尿素装置具有高温、高压及介质腐蚀性强, 易结晶, 介质密度波动大的特点, 对各种类型的液位计都有相应的要求。本文简述了尿素装置各类代表性设备液位计的选型和安装, 提出了尿素装置液位计的应用范围, 选型要点和安装要求。
目前尿素新建装置生产工艺主要有CO2汽提法和氨汽提法和水溶液全循环溶液法工艺, 其中CO2汽提法和氨汽提法工艺比较先进, 东洋的ACES21工艺也有其特点。尿素中分离设备及储罐众多, 相对应在液位计选型上面也有很多特点。考虑到尿素装置的高温、高压及介质腐蚀性强, 易结晶, 介质密度波动大的运行特点, 液位计选型必须考虑尿素装置工艺本身特点进行选取, 主要有以下类型:

1 射线液位计

在尿素装置中, 合成塔, 汽提塔, 高压甲铵冷凝器, 高压分离器 (Snam氨汽提工艺) 都是属于核心设备, CO2汽提法工艺, 射线液位计选择为合成塔和汽提塔;氨汽提法工艺中, 射线液位计选择为高压分离器和汽提塔;而在日本东洋的ACES21工艺中, 射线液位计安装在高压甲铵分离器和汽提塔。设备内均为高温、高压、易结晶, 并带有强腐蚀性的介质。更为重要的是, 设备中尿素的反应和逆反应都同时在进行, 属于气态、液态和固态三相共存的状态, 常规液位测量很难精确, 所以一般都采用放射性液位计。

放射性液位计的测量是非接触式的, 安装十分方便。放射性液位计一般有两种, 分别为同位素Cs137和Co60。Cs137半衰期为30.2年, 穿透性差一些;Co60半衰期为5.3年, 穿透性强。要求强度大的或被测介质密度低、测量范围小的可选用Cs137, 大直径厚壁容器要求穿透能力强的可选用Co60。放射源有点状源和棒状源之分。Cs137一般为点源, 也很难做成连续的棒状源, 而Co60既可做点源又可做棒状源。

作为汽提塔, 一般射线液位计设置在汽提塔底部, 由于汽提塔底部出料侧直径较小, 一般都选用Cs137为点源进行测量。安装的位置和测量见图1:

而不管上述三种工艺, 合成塔, 高压分离器或者高压甲铵冷凝器则由于在测量端设备直径较大, 需要穿透力强的射源, 一般选用Co60。并且一般选择非连续的棒状源。安装的位置和测量见图2:

图1 汽提塔射线液位计安装示意图

图1 汽提塔射线液位计安装示意图

 

图2 甲铵冷凝器射线液位计安装示意图

图2 甲铵冷凝器射线液位计安装示意图 

 

2 电容式液位计

电容式液位计一般用于尿素装置中低压分解器, 以及蒸发的液位测量。在此阶段, 随着尿素浓度的增加, 结晶的可能性变大。目前尿素装置在这些设备的液位测量一般选择有电容式液位计和隔膜式双法兰液位计。

电容式液位计是采用测量电容的变化来测量液面的高低的。它是一根金属棒插入盛液容器内, 金属棒作为电容的一个极, 容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同, 比如:ε1>ε2, 则当液位升高时, 电容式液位计两电极间总的介电常数值随之加大因而电容量增大。反之当液位下降, ε值减小, 电容量也减小。所以, 电容式液位计可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计的灵敏度主要取决于两种介电常数的差值, 而且, 只有ε1和ε2的恒定才能保证液位测量准确, 因被测介质具有导电性, 所以金属棒电极都有绝缘层覆盖。电容液位计体积小, 容易实现远传和调节, 适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量。

由于上述结构, 电容式液位计可适用于高温、高压、强腐蚀, 易结晶, 防堵塞, 防冷冻及固体粉状、粒状物料。

电容式液位计的安装位置和内部结构见图3和图4:

图3 电容式液位计安装图

图3 电容式液位计安装图

 

图4 电容计套管图

图4 电容计套管图

 

电容式液位计的测量主要就是依赖两个电极之间的电容量变化, 也就是说电容液位计的灵敏度是取决于两个介质, 气体、和液体的介电常数的差值。电容液位计的测量必须保证两个介质的介电常数保持一致, 否则介电常数的变化会直接导致误差的产生。

电容式液位计的金属棒电极都覆盖有绝缘层, 这样可以避免因被测量介质具有导电性而产生的测量误差和安全隐患。

但在使用中, 有如下问题会导致测量不准:

(1) 绝缘层密封性不好, 即四氟套管内进入尿液, 造成内电极与外容器壁之间短路, 使电机损坏。

(2) 当容器内溶液的密度波动时, 也会造成液位测量不准

(3) 电容外套管之间不流通, 形成结晶层, 是的液体介电常数变大, 导致测量不准。

所以在选用电容式液位计时, 必须考虑到设备与电容套管之间流通性正常, 即套管空间内的孔洞在安装时必须考虑连通口高度设置是否合理, 是否存在尿素结晶的"死区"。如果存在"死区"的位置, 必须设计伴热管线以及停车置换时的排放口。

3 双法兰液位计

双法兰液位计是另一种在尿素应用很广的液位计, 从中压分解器、低压分解器、蒸发器的液位计可选用隔膜式双法兰液位计, 到工艺冷凝液回收单元和工艺冷凝液处理单元都可以选用双法兰液位计。

作为测量液位的仪表, 双法兰比单法兰更精确, 考虑到尿素的易结晶性, 普通的双法兰难以满足液位测量的要求, 所以需要对双法兰进行一定的升级, 如带冲洗水的负迁移双法兰液位计, 见图5:

图5 带冲洗水的负迁移双法兰液位计

图5 带冲洗水的负迁移双法兰液位计

 

它的目的在于通过在两端持续的增加等量的冲洗水来防止负压测结晶, 但同时伴随的问题有:

(1) 冲洗水易受操作工况影响, 很容易造成两端冲洗水流量不均, 影响实际液位测量;

(2) 如果冲洗水不稳定, 甲铵浓度过高, 会在负向导压管形成结晶, 堵塞负压管, 同样造成测量不准;

(3) 精确度上, 由于两种冲洗水受槽罐液位的影响, 背压不同。同样造成两端的压力取值点有不同, 在液位波动时, 两端冲洗水的背压也会变化, 造成液位计的指示误差更加变大。

针对以上问题, 所以目前新建尿素装置大量的采用隔膜式双法兰液位计, 见图6:

隔膜式双法兰液位计针对普通的双法兰液位计有如下的优点:仪表维护量小、测量准确, 通过隔膜让物料同液位计相隔离, 适用于高温高压、强腐蚀等介质的液位测量;并且不用加隔离液或者冲洗水等额外措施, 降低了因隔离液流失或者冲洗水不稳定导致的液位测量误差的几率。但在使用的过程中由于其特性, 有如下几个问题有注意:

(1) 环境温度可能会影响毛细管内硅油的密度, 从而引起测量误差;

(2) 毛细管容易被压断、测量膜盒受外力变形后, 影响测量精度;

(3) 设计及安装时, 配对法兰的尺寸不完全一致, 导致存在部分波纹管面安装时承压, 造成测量误差, 严重时会造成波纹面产生裂纹, 导致硅油泄漏, 液位计测量失效。

图6 隔膜式双法兰液位计

图6 隔膜式双法兰液位计  

 

所以在选用隔膜式双法兰液位计需要注意的有以下因素:

防止仪表有"死点"造成波纹管处形成尿素结晶, 影响测量精度。考虑到尿液容易结晶的特点, 在选择仪表尺寸时应注意波纹管的突出面和设备内壁贴合紧密平滑, 无凹槽。

4 导波雷达液位计

导波雷达液位计应用于尿素的各个地下回收槽的液位测量。同时由于尿素的地下回收槽浓度波动大, 易结晶的特点, 一般采用雷达液位计, 雷达液位计有如下优势:

智能雷达物位计适用于对液体、浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量, 适用于温度、压力变化大;有惰性气体及挥发存在的场合。

雷达液位计一般分为两种, 一种为非接触式测量;另一种导波雷达为接触式测量。接触式测量要求高, 但是导波雷达更适用于尿素装置的运行工况。如罐内有搅拌, 介质波动大, 这样的工况用底部固定的导波雷达测量值要比变通雷达稳定;还有小罐体内的物位测量, 由于安装测量空间小 (或罐内干扰物较多) , 一般普通雷达不适用, 这时导波雷达的优势就显现出来了;再有是低介电常数的工况, 无论雷达还是导波雷达测量原理都是基于介质介电常数差别, 由于普通雷达的发射的波是发散的, 当介质介电常数过低时, 信号太弱测量不稳定, 而导波雷达波是沿导波杆传播信号相对稳定, 另外一般的导波雷达还有底部探测功能, 可以根据底部回波信号能测量值加以修正, 使信号更为稳定准确。见图7和图8:

由图可以看出在导波雷达液位计的实际应用中, 若介质为低介电常数, 当其处于低液位时, 罐底可见, 此时为保证测量精度, 建议将零点定在低高度为C的位置。理论上测量达到天线尖端的位置是可能的, 但是考虑到腐蚀及粘附的影响, 测量范围的终值应距离天线的尖端至少100mm。对于过溢保护, 可定义一段安全距离附加在盲区上。所以导波雷达液位计的测量范围应该根据设备情况来确定。

图7 导波雷达液位计

图7 导波雷达液位计 

 

图8 非接触雷达液位计

图8 非接触雷达液位计 

 

5 结语

在尿素装置的液位计仪表中, 液位的测量是一种非常重要的参数, 其测量结果对于尿素装置的高效、稳定运行有着重要的作用。液位计的类型较多, 在同种工艺下的选择也并不是唯一, 在选型和安装时, 应结合以往的工程运行经验以及工艺的特点, 选择经济适用的液位计, 并充分考虑各类液位计的特点及安装要求, 保障液位的测量准确度。