氯化反应产物流量测控仪表的选择

时间：2024-08-31

雷光富,江泳，诸葛国

(1.浙江巨化检安石化工程有限公司，浙江衢州 324004；2.浙江巨化股份有限公司电化厂，浙江衢州 324004)

氯与烯烃类物质反应的产物(以下称氯反应物)是一类重要化学品中间体，也是生产氯氟烃替代品的主要原料。随着社会经济的发展和人民生活水平的不断提高，氯反应物在医药、化工、染料等领域将会占有越来越重要的地位。在生产过程中氯反应物流量参数是生产工序中一项重要的测控数据，然而由于氯反应物的强腐蚀性、低电导率、易堵塞管道及工艺上的低流量等特点，使得氯反应物流量测控多年来一直存在诸多问题。仪表技术人员曾尝试过使用多种流量测量仪表，也为此付出了大量的人力和财力，但都因出现的种种问题不能满足生产上的需要而以失败告终，因此氯反应物流量测控问题一直都没有得到根本性解决。

1 氯反应物流量测控失败的原因

1.1 电磁流量计

由于电磁流量计对被测液体有技术要求，即被测液体的电导率不能低于电磁流量计规定的阈值，否则不能正常进行测量。通用型电磁流量计对被测液体电导率规定的阈值根据不同的型号而异，一般在5×10-6～10-4S/cm之间；使用时还取决于传感器间流量信号线长度及其分布。而非接触电容耦合大面积电极的电磁流量计则可测电导率低至(1～5)×10-8S/cm。考虑到氯反应物属于低电导率液体，浙江巨化股份有限公司电化厂(以下简称“巨化电化厂”)选用的是电容式电磁流量计，但是在实际使用中还是不能正常工作，示值经常大幅跳动或流量时有时无。经检查，流量计的安装符合要求，液体等电位接地良好，电缆绝缘等都不存在问题。由于查不到氯反应物的电导率数据，分析主要还是氯反应物电导率低于或接近于规定的阈值导致上述问题。尽管电磁流量计传感器内无可动部件，也是测量导电流体较好的流量仪表，但是用于测量氯反应物这种电导率很低或处于临界状态的流体流量还是不太适合[1]。

1.2 远传浮子流量计

浮子流量计又称转子流量计，尽管其测量精度较低，但是它适用于低雷诺数和小流量测量，某种形状的浮子甚至对流体的最小雷诺数要求达到40，这两个技术特性比较适合氯反应物流体的特点。考虑到介质的强腐蚀性，巨化电化厂曾选用衬聚四氟乙烯的远传浮子流量计测量氯反应物流量，但是由于氯反应物是含有多种成分的易堵塞流体，而浮子流量计要求被测流体应为清洁的流体，所以在使用过程中还是发生了浮子在锥形管腔体被卡堵等问题。尽管将流量计拆下清理重新组装后仍可使用，但是使用不久又会被堵塞。而且在线拆卸清理还需要在工艺管道设置旁路管线及阀门等，这些不仅受到现场空间及成本上的限制，还存在着对生产的影响和操作上的不方便等问题。由于浮子流量计传感器内有可动部件，在测量含有易堵塞流体时容易发生堵塞，因此采用浮子流量计还是不能满足连续稳定生产测量的需要。

1.3 质量流量计

依据科里奥利原理的质量流量计是一种具有精度高、量程比宽、无直管段要求、无需补偿的直接式质量流量计，尽管其价格昂贵，但是为了能找到一种适合测量氯反应物流量的仪表，巨化电化厂也曾选用了质量流量计来进行测量试验。为了防止介质对流量计的腐蚀，供应商提供了内衬PFA的质量流量计，但在使用过程中还是出现了问题。内衬PFA虽在防止介质腐蚀方面起到了一定作用，但是由于传感器口径较小，且液体流量测控需要传感器朝下安装，因生产中氯反应物流体有时处于间断流动状态，这就导致了在实际使用过程中出现了传感器流通管内沉积结垢而局部堵塞和示值误差问题，在选用测量氯反应物流量时最终还是被淘汰了。

1.4 差压式流量计[2]

差压类流量计是流量计范畴内品种最多的流量仪表，巨化电化厂曾使用过V锥流量计、阿牛巴流量计等。由于差压类仪表属于受限于雷诺数的仪表，必须要先看是否满足仪表的技术特性要求。以DN50管径的氯反应物最大流量8 m3/h、最小流量0.5～1 m3/h来分析是否满足仪表的要求。根据上述最小流量0.5～1 m3/h时，计算得到对应的雷诺数为4 000～6 800(黏度μ=1.5 mPa·s)，尽管V锥流量计是下限要求较低的仪表，其下限雷诺数也要达到≥8 000才能正常工作，而阿牛巴要求的下限远高于V锥流量计。所以当流量较小时，DN50管道由于受限于雷诺数，差压类流量计不能正常工作。

再看差压变送器实际测量时的不确定度。以V锥流量计为例，当孔板内外径之比β取0.6、测量管内径为50 mm 时，对应最大流量8 m3/h差压量程上限为9 kPa，采用精度等级为0.075的差压变送器，依据下式计算可得到在小流量0.5～1 m3/h时差压变送器的实际测量不确定度的大小。

(1)

式(1)中:Ei—差压实际测量的不确定度；ξΔp—差压变送器的准确度等级；Δpk—差压变送器上限值(20 mA输出对应差压值)，Pa(或kPa)；Δpi—差压实际值，Pa(或kPa)。

在小流量1 m3/h时，节流件产生的差压值为0.14 kPa，带入式(1)得到差压变送器实际不确定度为3.2%；在流量0.5 m3/h时，差压为0.035 kPa，差压变送器实际不确定度为12.9%。尽管采用精度等级为0.075的差压变送器，但在小流量时整个测量系统实际精度太差，这是差压类流量计不能正常工作的原因。

2 选择测量控制方案[3]

2.1 超声流量计

根据氯反应物流量测控中出现的上述问题，在与生产超声流量计的厂家进行了广泛的技术交流后，初步了解到针对氯反应物流量测控难点，可以采用不受流体物性和性状影响、传感器内无可动部件的超声流量计进行测量。

超声波在流动的流体中传播时，顺流方向声波速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，据此求出流体的流速。超声流量计工作原理示意图如图1所示。

图1 时差法超声流量计工作原理图

设流体在管道中流动的速度为v，声波在流体中传播的速度为c，声道传播角度为θ，则声波在两个传感器A、B间顺流传播时间与逆流传播时间分别如下。

(2)

(3)

解方程(2)和(3)，得到流体流速v为：

(4)

式中:tAB—超声波顺流传播的时间；tBA—超声波逆流传播的时间；L—上下游传感器A、B间的声道长度。

从式(4)可以求得流体的流速,进而得到流体在管道中的流量。在求得的流体速度计算式中，声波速度c在方程中消失了，流体流速仅由固定距离L的传播时间得出，从而消除了流体温度、压力和流体组成等因素对流量计测量的影响。

2.2 使用效果

对于氯反应物流量的测量，鉴于以前也曾多次得到过其他流量计厂家产品可靠的承诺，所以决定先采用手持式超声流量计现场进行测控试验，若测控效果和数据可靠，再陆续改造。经过约半年时间的现场实际测量考验，流量测控参数稳定可靠，完全符合生产工艺的需要。根据这种情况，生产中陆续采用了多台固定式超声流量计，至今测量稳定，并且能够实现氯反应器的参数自动比值调节。经验证，超声流量计还用于其他装置氯化反应物液体的流量测量，均取得较好的测量效果。