精對苯二甲酸( PTA) 是一種重要的有機化工原料,主要應(yīng)用于化纖、包裝材料及建筑材料等行業(yè),目前PTA主要采用對二甲苯( PX) 空氣氧化法生產(chǎn),包含PX氧化和TA加氫精制兩個單元[1]。PTA裝置的控制系統(tǒng)包括溫度、壓力、液位、流量等,其中液位控制非常重要。傳統(tǒng)液位測量儀器有人工檢尺、浮子液位計、差壓液位計以及伺服液位計等[2],這些液位測量儀部件與介質(zhì)接觸,容易受到系統(tǒng)的溫度、壓力、介質(zhì)的影響,測量部件比較容易損壞,發(fā)生故障率較高。雷達液位計是一種非接觸式測量儀表,受溫度、壓力、介質(zhì)等工況條件影響非常小[3],且安裝、操作簡單,維護方便,適用范圍較廣。近幾年,PTA生產(chǎn)企業(yè)開始逐步采用雷達液位計來替代一些傳統(tǒng)液位計進行液位測量。

  600 kt / a PTA裝置液位控制系統(tǒng)共有雷達液位計約30 臺,可是在某些液位控制點,出現(xiàn)雷達液位計測量失準(zhǔn)。常見故障為: 現(xiàn)場檢尺或伺服液位計指示液位平穩(wěn),無波動,而雷達液位計指示液位在35% ~ 80% 波動,即產(chǎn)生假液位,假液位對工藝過程控制產(chǎn)生了不利的影響。PX是生產(chǎn)PTA的主要原料,PX儲罐直接與氧化反應(yīng)器相連,所以PX儲罐的液位控制極為重要。作者以PTA裝置PX儲罐液位測量為例,分析雷達液位計產(chǎn)生假液位的主要原因,并且提出相應(yīng)的改進措施,消除干擾因素,確保液位控制系統(tǒng)正常運行,以保證PTA裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)。

  雷達液位計主要由電子控制元件和天線組成。雷達液位計的測量原理是利用微波( 電磁波) 從發(fā)射到返回的時間行程來測量液位,是近年來發(fā)展迅速的一種新的液位測量儀器。雷達液位計又分為脈沖微波雷達液位計和調(diào)頻連續(xù)波雷達液位計。脈沖雷達液位計是通過天線發(fā)射某一固定頻率的脈沖微波,遇到被測物料表面產(chǎn)生反射,天線接收到反射的回波信號并傳輸給電子線路,雷達系統(tǒng)識別出脈沖微波在物料表面所產(chǎn)生的回波,并根據(jù)從發(fā)射脈沖信號到反射的回波信號被接收到的時間差,計算出實際的液位。調(diào)頻雷達液位計天線發(fā)射的微波是頻率可以被線性調(diào)制的連續(xù)波,當(dāng)反射的回波被天線接收到時,微波頻率已經(jīng)改變,發(fā)射波與回波的頻率差正比于測量基準(zhǔn)點到液面的距離,以此計算出液位高度。

  PTA裝置中主要采用脈沖雷達液位計,雷達液位計用于儲罐液位測量的測量原理見圖1,其中E表示空罐高度,F表示滿罐高度,D是雷達測量參考點到介質(zhì)液面的距離,L表示待測液位。

雷達的電磁波在空氣中的傳播速度( c ) 為3 × 10m / s,若雷達液位計從發(fā)射信號到接收從液面反射的回波信號的時間差為t ,則有:

由E和D可以計算出L ,見式( 2) :

根據(jù)電磁波的傳播原理,電磁波在空氣中的c是一定的,與大氣壓力、溫度無關(guān),不受測量空氣環(huán)境影響; 并且電磁波的c 、頻率( f ) 以及波長( λ) 存在下列關(guān)系:

因此,雷達發(fā)出的微波f不同時,其 λ 是不同的,f越高的微波其 λ 越短。

雷達液位計的主要特點是: 采用微波測量技術(shù),不受測量環(huán)境的溫度、壓力以及介質(zhì)蒸氣的影響; 非接觸式測量,不存在磨損問題,也不需要太多維護; 通常安裝在儲罐的頂部,操作簡單方便,使用安全,可應(yīng)用于不同介質(zhì)的液位測量。

PX儲罐原來采用的雷達液位計為西門子Sitrans LR-250 型,屬于2 線制高頻型脈沖雷達液位計,工作頻率為25 GHz,功率為5 W,適用溫度為- 20 ~ 200 ℃ ,適用壓力0 ~ 3 MPa,采用喇叭形天線,***大量程為20 m,測量精度為3 mm。Sitrans LR-250 型雷達液位計可以連續(xù)測量儲罐中的液體或漿料的液位,可以適用于高溫高壓,容易產(chǎn)生蒸氣的液體,以及較低介電常數(shù)物料的液位測量,并且對于容器內(nèi)的障礙物不敏感。儲罐中PX的物性參數(shù): 冷凝點為138. 3 ℃,凝固點為13. 3 ℃,介電常數(shù)為2. 5。罐內(nèi)溫度16 ~ 40 ℃,壓力為常壓,罐外環(huán)境溫度- 8 ~ 40 ℃。

Sitrans LR-250 型雷達液位計在剛開始使用的前半年,出現(xiàn)測量誤差的概率較低,隨著使用時間漸長,開始出現(xiàn)測量誤差。例如,在測量PX儲罐液位時,雷達液位計測量顯示液位較高( 假液位) ,而同時采用伺服式液位計( 接觸式) 測量的液位卻較低,假液位故障嚴(yán)重時導(dǎo)致PX料打不出來,并造成氧化反應(yīng)器連鎖停止進料,直接影響到生產(chǎn)。尤其在冬季當(dāng)儲罐外環(huán)境溫度低于15 ℃ 時,雷達液位計顯示假液位故障率很高,從每周1 ~ 3 次到每天1 次,***后到每天3 次,***終不能使用。

對于PX儲罐,雷達液位計假液位故障出現(xiàn)后,對雷達液位計波的發(fā)射和回波接收單元、以及電子控制元件進行檢查都沒有發(fā)現(xiàn)問題,但是,檢查完畢重新投用雷達液位計,液位波動( 假液位)現(xiàn)象依然存在。通過現(xiàn)場查看,發(fā)現(xiàn)雷達液位計的喇叭天線內(nèi)表面存在許多小液滴,PX儲罐內(nèi)壁上也有大小不等的許多液滴。

由于PX儲罐內(nèi)正常溫度16~40℃,遠遠低于PX的冷凝點138.3℃,儲罐內(nèi)的PX蒸氣會在罐內(nèi)較冷的豎直壁面上凝結(jié)成液體,如果冷凝液體不能完全濕潤壁面,就會附在豎直壁面形成許多小液滴。蒸氣的不斷冷凝和液滴間的相互聚合,使得壁面上的小液滴越來越大,直至受到重力作用,液滴無法繼續(xù)附著在壁面上而向下滾落,并重復(fù)產(chǎn)生液滴的形成、變大和脫落的過程。經(jīng)初步分析,造成雷達液位計出現(xiàn)測量誤差的主要原因就是豎直壁面上的液滴。雷達液位計發(fā)出的脈沖信號在遇到壁面上的液滴后,會產(chǎn)生反射回波,由于是同一液體介質(zhì)產(chǎn)生的回波,在雷達液位計處理系統(tǒng)中無法進行區(qū)分,于是就產(chǎn)生了假液位。

假設(shè)液體儲罐內(nèi)蒸氣在豎直壁面冷凝,形成一個球冠形液滴,如圖2 所示,M點為液滴質(zhì)心,液滴受到的作用力主要為向上的粘附力( F ) ,及向下的重力( G ) ,液體的表面張力( σ ) 方向線與固體壁面之間的夾角稱為接觸角( θ ) 。從表面熱力學(xué)角度來看,蒸氣冷凝產(chǎn)生的液滴附著在冷的豎直壁面上是一種粘附現(xiàn)象,液滴從豎壁上脫落需要在G的作用下克服F才可以。當(dāng)液滴半徑較小時,重力矩也小,不足以破壞粘附; 當(dāng)液滴半徑增大到超過臨界半徑即脫落半徑( r ) 時,液滴會從壁面向下滾落。對豎壁上液滴進行受力分析,并通過力矩平衡可以推導(dǎo)出液滴的r 。

由圖2 可知,球冠形液滴的高度( h ) 可按式( 4) 計算:

液滴的底面臨界直徑( d ) 可按式( 5) 計算:

液滴脫落所需要克服的總粘附功可以參考文獻[4]計算,當(dāng)總粘附功和液滴的總重力矩相等時,可以推導(dǎo)出平衡狀態(tài)下液滴的r ,見式( 6) :

式中: ρ 為液體的密度; g為重力加速度。

由式( 6) 可看出,r與液體的 ρ 及 σ ,θ 有關(guān)。

查出PX在溫度為20,30 ℃ 下的 ρ 和 σ ,通常 θ 為45° ~ 60°,取2 種典型的 θ 為45°,60°,根據(jù)式( 6) ,分別計算出液滴在儲罐豎直壁面上的r ,d及h ,結(jié)果見表1。

從表1 可以看出: 在溫度30 ℃、θ 為60°時,液滴r近似為10 mm,液滴d為17 mm; 在保持溫度和其他條件不變時,隨著 θ 的變小,液滴r變大,d同時也變大,當(dāng) θ 為45° 時,液滴d達25mm; 當(dāng)溫度由30 ℃ 降到20 ℃ 時,液滴r ,d都變大,但變化幅度不大。

根據(jù)電磁波在空氣中的傳播原理,電磁波在傳播過程中,如果遇到的障礙物尺寸小于或等于其 λ ,就能夠發(fā)生衍射繞過障礙物,并且電磁波 λ越長,衍射能力越強; 反之,如果電磁波遇到的障礙物尺寸大于其 λ ,就會產(chǎn)生反射回波。Sitrans LR-250 型雷達液位計( f為25 GHz) 發(fā)出的高頻電磁波,λ 只有12 mm,由表1 可知,PX儲罐產(chǎn)生的液滴的d為17 ~ 26 mm,液滴的d遠大于雷達發(fā)射的 λ ,因此,當(dāng)雷達發(fā)射波遇到粘附在豎直壁面上液滴時,必然產(chǎn)生反射回波,導(dǎo)致假液位,出現(xiàn)較大測量誤差。

根據(jù)上述分析,雷達液位計產(chǎn)生假液位故障的主要原因是雷達發(fā)射波的 λ 小于豎壁面上液滴的d ,發(fā)射波遇到豎壁面上的液滴而產(chǎn)生反射回波,導(dǎo)致虛假液位。為此提出以下控制措施來解決假液位問題:

( 1) 降低脈沖雷達液位計發(fā)射波的頻率。根據(jù)電磁波的c與 λ 及f的關(guān)系,降低發(fā)射波的f ,即增大 λ 。只有當(dāng) λ 大于d時,電磁波可以繞開液滴,發(fā)生衍射。脈沖雷達液位計按頻率通常分為低頻段( 6 GHz ) 、中頻段( 10 GHz) 、高頻段( 25GHz) ,選用f為6 GHz( λ 為50 mm) 的低頻雷達液位計,其 λ 遠大于PX儲罐正常存在的液滴d( 17 ~ 26 mm) ,這樣,雷達發(fā)射波可以很好地繞過儲罐豎壁上的液滴,不產(chǎn)生反射回波,避免假液位的產(chǎn)生。

( 2) 改變雷達液位計天線形式。原來采用的雷達天線為喇叭形,PX罐液滴易粘附在天線的內(nèi)表面,對雷達液位測量形成“干擾”,導(dǎo)致假液位產(chǎn)生。將雷達天線由喇叭形改為直桿式天線,桿式天線直徑小、表面積小,如果有液滴粘附在其上面,只能形成很細小液滴,這些細小液滴不足以對雷達液位測量形成“干擾”。因此,直桿式天線比較適用于易產(chǎn)生冷凝液的應(yīng)用工況。

( 3) 適當(dāng)提高測量儲罐內(nèi)溫度。由于PX儲罐內(nèi)正常溫度16 ~ 40 ℃,遠低于PX的冷凝點138. 3 ℃ ,所以,儲罐內(nèi)總是會有PX蒸氣在冷的豎壁面上凝結(jié)成液滴,尤其是在冬季,PX蒸氣的冷凝現(xiàn)象更加明顯; 適當(dāng)給儲罐加熱,保持儲罐內(nèi)溫度在30 ~ 42 ℃,可以減少PX蒸氣在豎壁面上的冷凝,從而減少反射回波、假液位的產(chǎn)生。

( 4) 定期檢查維護雷達液位計。雷達液位計的檢查維護主要是看電源電壓和輸出電流是否正常; 另外定期檢查雷達液位計發(fā)射天線上是否有液滴或臟污,必要時拆下液位計,用干凈柔軟棉布擦干凈天線和其他部位。

通過采取上述控制措施,即選擇f為6 GHz的雷達液位計,將雷達天線由喇叭形改為直桿式,適當(dāng)提高測量儲罐內(nèi)溫度,定期檢查雷達液位計電路系統(tǒng)和擦拭天線等,大大減少了儲罐豎壁上的液滴產(chǎn)生的反射回波,控制了雷達液位計假液位的產(chǎn)生。雷達液位計改進前后的有關(guān)參數(shù)對比見表2。

實踐表明,改進后的雷達液位計投用后假液位故障率明顯減少,發(fā)生的假液位故障由改進前3 次/ d減少到改進后的( 1 ~ 2) 次/ a,為PTA裝置安全穩(wěn)定運行提供了保障。

a. PX儲罐內(nèi)蒸氣在豎直壁面上冷凝而形成的液滴是造成雷達液位計產(chǎn)生假液位的主要原因。原來采用的高頻雷達液位計f為25 GHz,發(fā)射波 λ 只有12 mm,而PX儲罐正常存在的液滴d為17 ~ 26 mm,大于雷達發(fā)射波 λ ,因此,當(dāng)雷達發(fā)射波遇到豎直壁面上液滴時,必然產(chǎn)生反射回波,導(dǎo)致虛假液位,出現(xiàn)較大測量誤差。

b. 通過采取控制措施,即選擇f為6 GHz( λ為50 mm) 的低頻率雷達液位計,將雷達天線由喇叭形改為直桿式,同時將PX儲罐內(nèi)溫度由16 ~40 ℃ 提高至30 ~ 42 ℃ ,有效避免了PX儲罐豎直壁面上液滴產(chǎn)生的反射回波,控制了雷達液位計假液位的產(chǎn)生。

c. 定期檢查維護雷達液位計電路系統(tǒng)和擦拭天線等,可以進一步降低出現(xiàn)假液位的概率,保證雷達液位控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

d. 改進后的雷達液位計投用后假液位故障率明顯減少,發(fā)生的假液位故障由改進前的3 次/ d減少到改進后的( 1 ~ 2) 次/ a,為PTA裝置安全穩(wěn)定運行提供了保障。