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          淺談乙二醇裝置流量計的選型及方案設計

          來源: 作者: 發布日期:2021-01-18

                摘要 根據乙二醇裝置中流體的物理化學特性、不同的精度等級要求,提出幾種流量計的選型方案。詳細介紹渦街流量計、靶式流量計、電磁流量計、孔板、巴類流量計、質量流量計等流量儀表,闡述并比較各流量儀表在乙二醇裝置具體選型和設計方案。

           
                在化工生產過程中,為了有效指導工藝的操作和控制,需要檢測生產過程中的各類介質 ( 包括氣體、液體、蒸汽) 的流量參數,為工藝的監視和控制提供有效依據。此外,各裝置或單元間的物料平衡、公用工程能耗與成本核算,也要求對進出物料、蒸汽等介質流量進行有效的計量。因此,流量檢測對于化工生產至關重要。
           
                在實際的化工生產過程中,由于不同的介質、工況、工藝操作與控制要求以及成本等因素的影響,流量檢測是一件非常復雜的系統工程[4]。流量計的分類方式有很多,根據不同的原則,也有不同的分類方法。其中根據測量原理,可分為容積式、速度式、差壓式、質量式等[1,2]。下面將根據乙二醇裝置生產過程中一些常用的流量測量工況,并兼顧流量計選型的實用性和經濟性進行詳細的闡述。 
           
          1 乙二醇裝置生產工藝簡介
                目前國內合成氣制乙二醇的主流工藝路線是利用上游來的合成氣分離出來的一氧化碳 ( CO) 和氫氣 ( H2 ) ,其中一氧化碳 ( CO) 與亞硝酸甲酯( MN) 反應生成草酸二甲酯 ( DMO) ,精餾后的草酸二甲酯 ( DMO) 加氫 ( H2 ) 反應生成乙二醇( EG) 和甲醇 ( CH3OH) 。中間工藝過程還包括了草酸二甲酯 ( DMO) 精餾、碳酸二甲酯 ( DMC)精制、乙二醇 ( EG) 精餾、甲醇精餾等單元,其中甲醇又作為原料去 DMO 合成單元。主要副產物包括碳酸二甲酯 ( DMC) 、乙醇、二元醇等。
           
                在乙二醇的生產工藝流程中,主要的流量測量參數包括 CO 循環氣、H2 循環氣、O2 等氣體介質, DMO、DMC、乙二醇等液體介質。還包括作為原料的甲醇、硝酸、堿類,以及蒸汽、氮氣、循環水等公用工程的流量測量。
           
                其中,草酸二甲酯 ( DMO) 的熔點約 54℃,常溫下會變成固態。而且遇水生成草酸,腐蝕性很強。在 DMO 合成反應中,除了 DMO 之外,還生成了碳酸二甲酯 ( DMC) 、甲酸甲酯 ( MF) 、二甲氧基甲烷 ( ML) 等副產物,其物理化學特性詳見表 1。
          部分介質的物理化學特性
                在乙二醇合成反應中,除了生成乙二醇外,還有乙醇、二元醇等副產物。
           
          2 乙二醇裝置中的流量測量
           
          2. 1 速度式流量計
          2. 1. 1 渦街流量計
                 渦街流量計是根據卡門渦街原理,介質的流速跟漩渦頻率成正比。渦街流量計的應用非常廣泛,基本不受流體的壓力、溫度、密度和成分的影響。高溫介質可選擇分體式結構。渦街流量計直接安裝在管道上,與導壓管取壓測量的方式相比,降低了
          泄漏風險,且無需伴熱,安裝維護都非常方便。
           
          渦街流量計對介質的流速有一定的要求,介質流速太低,旋渦發生體無法產生旋渦,會導致無法測量。這時可在滿足壓損要求的前提下,通過縮徑來提高介質的流速。一些制造商可提供內縮徑的產品供選擇,避免了管道需要縮徑的麻煩。此外,渦街流量計還有雙傳感器的產品供用戶選擇。
           
          渦街流量計在安裝時,需要一定的前后直管段,以保證獲得良好的漩渦信號。同時,需要注意遠離振動和電磁干擾的場合,尤其是小口徑測量更需要關注振動的干擾。在乙二醇裝置中,DMO、 DMC、甲醇、中低壓蒸汽等介質,渦街流量計應用非常廣泛。
           
          2. 1. 2 靶式流量計
          靶式流量計也是速度式流量計的一種,作為工業流量測量,具有適用范圍廣、量程比大、靈敏度高、響應速度快、維護簡單等優點。
           
          其工作原理是,當介質流動時,流動質點沖擊在靶上,靶受力作用在靶桿上,使之產生微小的彎曲變形,此變形由壓敏電阻應變片感知,經應變片電橋把力轉換成與流速的平方成正比關系的電信號: F = QAρV2 /2g
           
          式中,F 為靶板所受的作用力; Q 為阻尼系數; A為靶板面積; ρ 為流體密度; V 為介質在測量管中的流速; g 為重力加速度。
           
          對于小口徑管道,可選擇管道式安裝方式; 大口徑管道,可選擇插入式安裝方式。還可選擇在線插拔式靶式流量計,能夠在不停產不停流的前提下實現流量計安裝、拆卸、調試及維護。在乙二醇裝置上,靶式流量計主要用于解決高粘度、低流速、低雷諾數的流量測量。對于 DMO、 EG 等高粘度介質,運用效果非常好。但與渦街流量計相比,價格較高。 
           
          2. 1. 3 電磁流量計
                  對于乙二醇裝置中的硝酸、堿類等腐蝕性強的介質流量檢測,如采用一般型式的流量計,會對流量計本體材質提出比較苛刻的要求,制造成本相對較高。電磁流量計可通過選擇不同的電極和襯里材料,達到耐腐蝕的目的,從而實現各類導電介質的測量,而其本體材質選擇碳鋼即可,因此可以大幅降低制造成本。電磁流量計常用的電極材料可選擇 316L、鎳合金 276、鉭、鈦等,襯里材料可選擇 PFA、聚四氟乙烯 ( PTFE) 、橡膠等。針對不同介質的耐腐蝕性、耐磨性以及溫度適用范圍,來選擇實用且經濟的電極和襯里材質。 
           
          2. 2 差壓式流量計
          2. 2. 1 孔板流量計
          孔板流量計作為應用非常廣泛的一種流量計形式,被大量應用在乙二醇裝置的各類介質的檢測中。孔板流量計有著明顯的價格優勢,且流量測量較穩定。在滿足 GB /T 2624 - 2006 標準適用范圍內的流體介質,測量精度要求不高的場合,孔板流量計是常見的選擇[3]。乙二醇裝置中的中低壓蒸汽、低壓氧氣、氮氣、循環水等潔凈介質,均可采用孔板測量。 
           
          2. 2. 2 巴類流量計
          巴類流量計 ( 又稱均速管流量計) 是一種基于差壓式工作原理的流量測量儀表。通過一根插入管道內的測量管 ( 傳感器) ,測量兩側的壓差值,根據伯努利方程測量出流量值。不同廠家的測量管的結構形式略有不用。其特點是結構簡單、壓損小、安裝和維護方便,適用于大口徑或者要求壓力損失小的流體測量[3]。 在 DMO 合成和 EG 合成單元,CO 循環氣、H2循環氣等管道,隨著裝置規模的不斷變大,相應的管道也在不斷的擴大。按 60 萬噸/年乙二醇規模, CO 循環氣管徑達到 DN1400。循環氣是通過壓縮機增壓后返回到合成塔繼續參與合成反應,選用壓力損失小的產品有助于降低生產能耗。針對這種工況,巴類流量計是比較合適的選擇。根據實際計算,巴類流量計的壓損僅 0. 04 kPa,遠低于其它類型的流量儀表。
           
          巴類流量計的安裝需要特別注意,對于不用的流體介質需要注意取壓口的安裝方向。對于計算差壓值較小的場合,在溫度和安裝空間等條件滿足的情況下,盡量選擇與差壓變送器一體化安裝的方式,以減少測量誤差。 
           
          2. 2. 3 平衡流量計
          平衡流量計 ( 又稱多孔孔板流量計) ,其測量原理與標準孔板相似。在孔板上由一個孔變成多個孔,實現流體平衡測量,減少渦流的形成,從而降低渦流帶來的取壓點信號波動,同時減小流體動能的損失。與傳統的孔板流量計相比,具有精度高、壓損小、直管段要求短等優點。在乙二醇裝置中,管道布置相對緊湊,尤其對于大管徑的流量測量,傳統流量計的直管段很難滿足,平衡流量計很好的解決了直管段不足的問題。 
           
          2. 3 質量式流量計 ( 質量流量計)
          質量流量計是根據科里奧利原理,能直接測量出介質的質量流量,不受流體的密度、黏度等物理參數及溫度、壓力等狀態參數影響。針對本裝置中的高粘度乙二醇介質、進出物料計量等工況,質量流量計應用效果良好、精度高,且安裝維護方便。 
           
          2. 4 靶式、渦街、質量流量計對比
          針對乙二醇裝置中的 DMO、DMC、乙二醇等介質,靶式流量計、渦街流量計、質量流量計均有其適用性和較多的應用業績。從價格上考慮,同樣是進口品牌,靶式流量計、質量流量計的價格都相對較高,渦街流量計價格相對較低,可優先考慮選擇渦街流量計。在精餾單元,部分介質流量小、流速較低,渦街流量計達不到非常低流速要求,應考慮縮徑以提高流量計內介質流速。而對于泵出口回流管線的流量測量,管路振動大,流量計安裝位置應盡量遠離振動源,并在流量計前后管路上加支撐,以減少振動對測量精度的影響。由于靶式流量計和質量流量計在針對高粘度介質流量測量時所表現出的高精度和良好穩定性的優勢,因此這兩種流量計在 DMO、乙二醇的流量測量中應用非常廣泛。 
           
          3 結語
                 流量測量需要針對不同介質、不同工況去確定測量儀表的選型方案,目前還沒有一種流量儀表可以滿足所有場合的流量測量,每種流量儀表都有其適用性和局限性。同時,不同設計人員對各類流量計的理解和使用習慣也會造成選型方案的不盡相同,因此工程設計中,不能盲目的套用,需要根據具體工況,選擇適用且經濟的流量儀表。

           

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