Aktuální vydání

celé číslo

06

2018

Systémy strojového vidění

Výrobní a montážní linky

celé číslo

Měření hustoty suspenzí a kalů

číslo 5/2005

Měření hustoty suspenzí a kalů

Frank Grunert, Petr Komp a Miroslav Kmoch

Suspenze, kaly a kaše vznikají v průmyslových závodech z mnoha důvodů. Mohou být zpracovávány v procesu hlavní výroby (např. výroba titanové běloby) nebo mohou tvořit finální produkt (nátěrové hmoty). Často vznikají jako odpadní produkt při mokrém čištění plynů ve vysokopecních závodech a ocelárnách nebo jsou důležitou součástí technologie likvidace odpadů (neutralizace kyselých roztoků vápenným mlékem, odsiřovací zařízení tepelných elektráren). Ve vodním hospodářství se používá vápenné mléko – suspenze hydroxidu vápenatého ve vodě.
Spojité měření hustoty suspenzí, kalů a kaší je v mnoha případech nezbytné pro účinné řízení a optimalizaci technologických procesů a tím i snižování nákladů.

Pro měření hustoty kapalin bylo vyvinuto značné množství měřicích metod, které využívají např. měření vztlakové síly plováku nebo měření hydrostatického tlaku. Pro měření hustoty kalů jsou však tyto metody použitelné jen s velkými obtížemi.

Zákazníci byli doposud obvykle odkázáni na měření intenzity radioaktivního záření po průchodu měřenou kapalinou. Radiometrické hustoměry jsou spolehlivé a použitelné i v obtížných měřeních. Obsahují však zdroj ionizujícího záření a jejich využití je omezeno přísnými bezpečnostními a hygienickými předpisy.

1. Princip měření hustoty hmotnostním průtokoměrem

Měření hustoty představuje v podstatě „vedlejší produkt„ měření hmotnostního průtoku. Pro měření hmotnostního průtoku se využívá vznik Coriolisovy síly v kmitající mechanické soustavě. Měřicí trubice je uvedena do kmitavého pohybu. Pro dosažení minimální možné spotřeby budicí energie je důležité, aby měřicí trubice kmitala na své mechanické rezonanční frekvenci. Proto se budicí oscilátor přelaďuje s využitím zpětné vazby od senzorů deformace měřicí trubice tak dlouho, až této rezonanční frekvence dosáhne. Rezonanční frekvence je úměrná celkové hmotnosti měřicí trubice. Celková hmotnost měřicí trubice je dána součtem hmotností prázdné trubice a jejího obsahu. Hmotnost prázdné měřicí trubice je konstantní, mění se jen hmotnost jejího obsahu. Vzhledem k tomu, že také objem měřicí trubice je konstantní, jediná proměnná je hustota měřené kapaliny.

Je-li vyhodnocovací elektronika Coriolisova průtokoměru konstruována tak, aby bylo možné spojitě sledovat okamžitou rezonanční frekvenci měřicí trubice, je možné měřit současně s hmotnostním průtokem i hustotu měřené kapaliny, danou vztahem:

Vzorec 1.

Kde r je hustota (kg/m3), K konstanta (kg·s–2), f rezonanční frekvence (s–1), V objem trubice (m3), mt hmotnost prázdné trubice (kg).

Výrobce musí hmotnostní průtokoměr kalibrovat pro měření hustoty. Kalibruje se obvykle ve dvou bodech – vzduchem a vodou. Závislosti hustoty vzduchu a vody na teplotě jsou známy a jsou obsaženy v programovém vybavení převodníku hmotnostního průtokoměru.

Pro měření hustoty suspenzí, kalů a kaší jsou vhodné hmotnostní průtokoměry, které mají jednu přímou měřicí trubici konstantního průřezu z kovu, jenž je velmi odolný proti abrazi. Jen tak je možné zajistit dlouhou životnost hmotnostního průtokoměru. Jedna přímá měřicí trubice také umožňuje mechanické čištění při náhodném zatuhnutí měřené kapaliny v průtokoměru.

2. Příklady z praxe

2.1 Měření hustoty při přípravě suspenze rozplaveného mikromletého vápence pro neutralizaci kyselých vod

Významný evropský výrobce titanové běloby, Precheza, a. s., Přerov, neutralizuje kyselé vody pomocí suspenze mletého vápence (CaCO3). Po neutralizaci se suspenze odstředí a z odstředěného odpadu se vyrábí průmyslový sádrovec, využívaný ve stavební výrobě.

Obr. 1.

Obr. 1. Příprava suspenze jemně mletého vápence

Jemně mletý vápenec pro neutralizaci se rozplavuje v reaktoru s míchadlem (obr. 1). Dávkování vody do reaktoru je řízeno podle výšky hladiny, otáčky dávkovacího šneku mletého vápence jsou řízeny podle hustoty suspenze. Hotová suspenze se pomocí odstředivého čerpadla dopravuje potrubím DN 100 na místo spotřeby. Na výtlaku čerpadla je umístěna odbočka DN 25, kterou se suspenze přivádí do hmotnostního průtokoměru Krohne Corimass MFM 4085 G+ DN 25. Průtok suspenze je přibližně 100 l/min, požadovaná hustota je 1 150 kg/m3. Suspenze z průtokoměru se vrací zpět do reaktoru.

Průtokoměr je vybaven dvěma výstupy. Do řídicího systému je přiváděna hodnota hustoty (rozsah měření 1 000 až 1 300 kg/m3) a hodnota průtoku a na operátorském pracovišti jsou informace zobrazovány na PC. Při poklesu průtoku pod nastavenou mez je operátor upozorněn na možnost ucpání nebo nepovolené manipulace s armaturami v obvodu hustoměru.

Obr. 2.

Obr. 2. Zpracování vysokopecních a ocelárenských kalů

2.2 Měření hustoty vysokopecních a ocelárenských kalů

Při výrobě surového železa a oceli vzniká velké množství odpadních plynů o vysoké teplotě. Tyto plyny obsahují značný podíl prachových částic. Pro čištění a chlazení plynů se používá mokrý proces, který v principu využívá rozstřik vody v několika typech technologických zařízení (obr. 2). Oteplená voda, která obsahuje zachycené pevné částice (přibližně 5 až 10 kg/m3), se přivádí do kruhových usazovacích nádrží. Odsazená voda je čerpána na chladicí věže a odtud zpět do hutních provozů. U dna usazovací nádrže se shromažďuje kal o hustotě přibližně 1 050 až 1 200 kg/m3 (v závislosti na typu kalu), který je čerpán odstředivým čerpadlem do zahušťovacích a homogenizačních nádrží, kde se odlučuje další voda a kal se zahušťuje. Hustota kalu zde dosahuje asi 1 200 až 1 500 kg/m3. Z homogenizační nádrže se kaly dopravují odstředivými čerpadly na odstředivky.

Ispat Nová huť, a. s., je největší výrobce oceli v České republice. Pro měření hustoty kalů zde bylo instalováno deset hmotnostních průtokoměrů Krohne Corimass 4085 G+ a Optimass 7050. Tyto přístroje nahradily radiometrické hustoměry renomovaného evropského výrobce. Provozovatel se rozhodl pro náhradu radiometrických hustoměrů, protože vyžadovaly časté seřizování, měřicí část musela být trvale zaplněna měřenou kapalinou (jinak hrozilo nebezpečí poškození scintilátoru) a k zajištění bezpečnosti obsluhy byla potřebná nákladná organizační opatření.

Obr. 3.

Obr. 3. Hmotnostní průtokoměr pod dosazovací nádrží

Pod usazovacími nádržemi bylo instalováno pět hmotnostních průtokoměrů Krohne Optimass 7050 K DN 50 pro měření hustoty a hmotnostního průtoku kalů z usazovacích nádrží (obr. 3). Každý hmotnostní průtokoměr byl instalován do výtlačného potrubí odstředivého čerpadla pod příslušnou usazovací nádrž. Průtokoměry jsou vybaveny dvěma proudovými výstupy 4 až 20 mA. Údaj o hustotě se využívá k optimalizaci provozu usazovací nádrže, hmotnostní průtok se mimo jiné využívá k sestavování bilance zatížení usazovací nádrže a kontrole správné funkce čerpadla.

Tři hmotnostní průtokoměry Krohne Optimass 7050 (dva na potrubí DN 40, jeden na DN 50) byly využity pro měření hustoty kalů, které jsou dopravovány ze zahušťovacích nádrží do odstředivek (obr. 4). Pro zajištění optimální funkce odstředivky je nutné zpracovávat kal o hustotě 1 200 kg/m3. Průtokoměry jsou opět vybaveny dvěma proudovými výstupy. Údaj o hustotě se využívá k regulaci ředění kalu na požadovanou hustotu přidáváním ředicí vody do sání čerpadla. Kal ze zahušťovacích nádrží se ředí vodou na požadovanou hustotu v závislosti na okamžité hodnotě hustoty z hmotnostního průtokoměru. Údaj o hmotnostním průtoku slouží k sestavování bilancí produkce kalu a řízení dopravovaného množství na odstředivku.

2.3 Odsiřování kouřových plynů

Odsiřovací zařízení kouřových plynů je nedílnou součástí každé moderní tepelné elektrárny spalující hnědé nebo černé uhlí. U velkých elektráren se kouřové plyny odsiřují zpravidla mokrou vápencovou vypírkou.

Obr. 4.

Obr. 4. Hmotnostní průtokoměr na výtlaku čerpadla před odstředivkou

Spaliny z kotle procházejí absorbérem, ve kterém jsou v kontaktu s reakční vápencovou suspenzí. Kyselé složky spalin (SO2) jsou zachyceny pomocí zásadité složky (CaCO3), obsažené v reakční suspenzi za vzniku sádrovce (CaSO4 · 2H2O). Koncentrace CaCO3 v reakční suspenzi je udržována (regenerována) přidáváním čerstvé suspenze mletého vápence do nádrže absorbéru. Měření hustoty suspenzí je nezbytné jednak ve vlastním procesu odsiřování, protože reakční suspenze musí mít hustotu optimální pro daný odsiřovací proces, a také pro přípravu regenerační suspenze mletého vápence v komplexu přípravy reakční suspenze.

Dopravovaná množství jsou obvykle velmi vysoká, proto se hmotnostní průtokoměry využívají pouze k měření hustoty. Osvědčená světlost je DN 25 nebo DN 40.

Elektrárna Dětmarovice, patřící ČEZ, a. s., je moderní tepelná elektrárna o výkonu 4 × 200 MW, která spaluje černé uhlí a je vybavena odsiřovacím zařízením. V mlýnici vápence je použit hmotnostní průtokoměr Krohne Corimass MFM 4085 G+ DN 25 pro měření hustoty vápencové suspenze. Mlecí systém je seřízen tak, aby produkoval suspenzi o mírně vyšší hustotě, než je konečná požadovaná hodnota.

Konečné doředění hustoty vápencové suspenze (1 229 kg/m3), které odpovídá 30% hmotnostní koncentraci CaCO3, je zajištěno v jímce skladování vápencové suspenze pomocí ředicí vody. Množství ředicí vody dávkované do jímky skladování vápencové suspenze je regulováno podle signálu z hustoměru instalovaného na výtlaku cirkulačního čerpadla, které zajišťuje trvalý minimální průtok suspenze v potrubí mezi mlýnicí a vlastním odsiřovacím zařízením.

Obr. 5.

Obr. 5. Měření hustoty reakční směsi v odsiřovacím reaktoru

V tepelné elektrárně Mělník I, která je provozována společností Energotrans, a. s., byly instalovány dva hmotnostní průtokoměry Krohne Optimass MFM 7050 DN 40.

Do odsiřovacího reaktoru je vstřikován ejektorem přímo mletý vápenec s vodou. Recyklačními čerpadly je vápencová suspenze přečerpávána do horní části reaktoru, odkud je rozstřikována proti proudu plynných spalin. Na výtlaku čerpadla pro odvodnění suspenze je odbočka pro připojení hmotnostního průtokoměru. Suspenze protéká hmotnostním průtokoměrem, měří se její hustota a suspenze se vrací se zpět do reaktoru (obr. 5). Zjištěná hustota je využívána k optimálnímu řízení odsiřovacího procesu. Zákazník zde hmotnostním průtokoměrem nahradil původní měření, které využívalo hydrostatický měřicí princip a vyžadovalo vzhledem k vlastnostem měřené suspenze trvalou údržbu a čištění.

2.4 Příprava vápenného mléka pro úpravu pitné vody

Další oblastí použití hmotnostních průtokoměrů je příprava vápenné vody a vápenného mléka (vodné suspenze vápna, tj. hydroxidu vápenatého Ca(OH)2) o konstantní koncentraci. Vápno se v úpravnách vod používá pro předalkalizaci surové vody před dávkováním koagulantu a ke ztvrzování upravené vody. Vápno se dávkuje v podobě vápenné vody, připravované v sytičích, ve výjimečných případech při velkém znečistění se pro předalkalizaci používá i vápenné mléko.

Obr. 6.

Obr. 6. Měření hustoty vápenného mléka pro úpravu pitné vody

Změna průtoku surové nebo upravené vody vyvolá přímo úměrnou změnu průtoku vápenné vody do místa zaústění dávkování a dávka se ještě jemně doreguluje podle hodnoty pH za místem dávkování. Při rekonstrukci vápenného hospodářství v Úpravně vody Plzeň (provozovatel: Vodárny a kanalizace Plzeň, a. s.) bylo zrušeno přímé čerpání vápenného mléka z dávkovačů do sytičů a byly navrženy dvě homogenizační nádrže pro jeho přípravu s regulací na konstantní koncentraci, která představuje jakýsi pevný bod v poměrně složitém procesu dávkování. Hmotnostní průtokoměr je instalován za cirkulačním čerpadlem a spojitě měří hustotu vápenného mléka v homogenizační nádrži (obr. 6).

Změna odběru vápenného mléka z homogenizační nádrže ovlivní hladinu v této nádrži. Odchylka od zadané hodnoty výšky hladiny působí ve zpětné vazbě na regulaci přítoku vody do dávkovače Ca(OH)2. Změna průtoku vody do dávkovače je přímo úměrná změně otáček šneku dávkovače, a tím množství dávkovaného hydroxidu vápenatého tak, aby byl zachován konstantní poměr H2O/Ca(OH)2. Dojde-li k odchylce hustoty vápenného mléka v homogenizační nádrži od požadované hodnoty, upraví se vzájemný poměr množství hydroxidu vápenatého a ředicí vody.

Obr. 7.

Obr. 7. Přechodový kus pro zamezení abraze vstupní části měřicí trubice

První homogenizační nádrž byla osazena průtokoměrem Corimass 1500 G+, po úspěšném provozním vyzkoušení byla instalována druhá homogenizační nádrž, která je osazena průtokoměrem typu Optimass 7050 50T (v provozu od března 2003), jenž vykazuje rychlejší odezvu na změnu hustoty. Corimass 1500 G+ je v provozu od ledna 2002.

3. Opatření proti abrazi

Pro všechny uvedené oblasti použití je nutné eliminovat abrazivní působení měřeného média. Hmotnostní průtokoměry Krohne Optimass mají jednu přímou měřicí trubici konstantního průměru bez jakýchkoliv záhybů. Materiálem měřicí trubice je titan, který je proti abrazi velmi odolný. Pro dlouhou životnost průtokoměru je nutné chránit vstupní náběhovou hranu snímače. Pro tento účel je možné použít přechodové kusy, které přizpůsobí průměr navazujícího potrubí vnitřnímu průměru měřicí trubice průtokoměru (obr. 7), nebo vybrat připojovací potrubí o průměru shodném s vnitřním průměrem měřicí trubice.

4. Závěr

Hmotnostní průtokoměry se používají téměř ve všech odvětvích průmyslu. Po více než pětadvaceti letech od prvních aplikací hmotnostních průtokoměrů v chemii a petrochemii se tyto průtokoměry používají nyní i v oblastech dříve vyhrazených jiným měřicím principům. Je tomu tak i v oblasti měření hustoty, které je pro klasické hmotnostní průtokoměry „vedlejším produktem„. Často mohou hmotnostní průtokoměry nahradit radiometrické měření hustoty a poskytnout provozovateli „navíc„ i údaje o objemovém a hmotnostním průtoku, popř. teplotě měřené kapaliny. Hmotnostní průtokoměry s jednou přímou měřicí trubicí jsou použitelné i pro měření hustoty abrazivních kalů a suspenzí, kapalin i past s vysokou viskozitou. Objevují se nové možnosti použití těchto průtokoměrů v oblastech pro to doposud velmi netradičních, jako např. v energetice, při výrobě surového železa a oceli a při úpravě pitné vody.

Frank Grunert,
Krohne Flow Technology, Velká Británie,
Petr Komp a Miroslav Kmoch,
Krohne CZ, spol. s r. o.

KROHNE CZ spol. s r. o.
Soběšická 156
638 00 Brno
tel.: 545 532 111
fax: 545 220 093
e-mail: brno@krohne.cz

Pracoviště Praha
Žateckých 22
140 00 Praha 4
tel.: 261 222 854-5
fax: 261 222 856
e-mail: praha@krohne.cz

Pracoviště Ostrava
Koláčkova 12
724 00 Ostrava-Stará Bělá
tel.: 596 714 004
fax: 596 714 187
e-mail: ostrava@krohne.cz