Měření výšky hladiny a průtoku při výrobě chemických a farmaceutických substancí

Článek popisuje měření výšky hladiny a průtoku v náročných úlohách v chemickém a farmaceutickém průmyslu snímači od firmy Krohne. Firma Krohne vyrábí přístroje pro tento sektor již téměř celé století: implementovala oborové normy a standardy týkající se nebezpečných prostorů, odolnosti proti korozi a abrazi nebo bezpečnosti výrobních celků.

Výroba chemických a farmaceutických substancí se skládá z řady náročných technologických operací, které často probíhají za vysokých teplot a tlaků nebo naopak za přítomnosti podtlaku. Používají se čisté kapaliny, jejich směsi, suspenze i přesycené roztoky s obsahem krystalů. Výroba probíhá zpravidla dávkovým způsobem, kdy se do zásobníků a reaktorů dávkují jednotlivé suroviny v kapalném, pevném nebo i plynném skupenství a během zpracování je zapotřebí měřit výšku hladiny a průtok.

Měření výšky hladiny

Měření výšky hladiny ve výrobních provozech chemického a farmaceutického průmyslu vyžaduje měřicí přístroje spolehlivě pracující v obtížných provozních podmínkách. Měření výšky hladiny v zásobních nádržích komplikují míchadla a často i pěna na hladině. Výrobní reaktory jsou obvykle tlakové nádoby se svislou osou a s klenutými dny, vybavené u dna topným hadem nebo topným pláštěm. Bývají osazeny míchadlem. Uvnitř reaktorů se nachází vestavba, která zvyšuje tuhost jeho konstrukce a současně tím, že tvoří překážky, zintenzivňuje míchání, a tedy i probíhající chemické reakce.

Měřenou látkou je obvykle kapalina nebo suspenze, jejíž vlastnosti (hustota, poměrná permitivita) se mohou během výrobního cyklu významně měnit. Povrch hladiny může být zvlněný v důsledku probíhajícího varu, chemické reakce nebo intenzivního míchání obsahu reaktoru míchadlem, parou nebo plynem. Na hladině se může tvořit pěna, popř. na ní mohou plavat sypké látky dávkované do reaktoru v průběhu výroby. Na stěnách reaktoru se mohou tvořit nánosy nebo může docházet ke krystalizaci na plochách nad provozní hladinou kapaliny. V reaktoru dochází k intenzivnímu ohřevu nebo naopak chlazení vnitřního obsahu, může v něm být vysoký tlak nebo naopak podtlak.

Na víku reaktoru je instalováno míchadlo, přívod kapalin a dalších technologických médií. Jsou zde nátrubky pro snímače neelektrických veličin (obr. 1). Umístění snímače hladiny je obvykle kompromisem mezi požadavky výrobce a reálnými možnostmi při montáži.

Z uvedeného vyplývá, že optimálním měřicím principem pro měření výšky hladiny ve výrobních reaktorech v potravinářském a farmaceutickém průmyslu je radarový hladinoměr. Měření výšky hladiny nezávisí na tlaku (podtlaku) v reaktoru, na hustotě měřené kapaliny a do značné míry ani na její poměrné permitivitě (jen musí být větší než minimální požadovaná). Anténa radarového hladinoměru není v přímém kontaktu s měřenou kapalinou, nezasahuje do vnitřního prostoru reaktoru a může být umístěna i v zóně 0, je-li v reaktoru prostředí s nebezpečím výbuchu.

Firma Krohne vyrábí radarové hladinoměry Optiwave 7400 a 7500, které jsou vhodné pro měření výšky hladiny v procesních zásobnících i reaktorech. Pracovní frekvence 24 GHz (Optiwave 7400) a 80 GHz (Optiwave 7500) zajišťuje malé zástavbové rozměry (jmenovitou světlost nátrubku) a umožňuje montáž i do úzkých a vysokých nátrubků. Spe­ciální verze radarového hladinoměru Optiwave 7500 s prodloužením čočkové antény zaručuje správnou funkci i při nepříliš vhodných rozměrech připojovacího nátrubku (obr. 2).

Radarové hladinoměry Optiwave 7400 i Optiwave 7500 využívají měřicí princip FMCW (Frequency-Modulated Conti­nuous Wave), který je vhodný pro měření výšky hladiny v obtížných provozních podmínkách.

Pro měření výšky agresivních kapalin v plastových reaktorech nebo v kovových reaktorech, které jsou uvnitř smaltované, dodává firma Krohne radarové hladinoměry s kapkovou anténou z PTFE nebo s čočkovou anténou s ochranným povlakem antény a připojovací příruby z PTFE nebo PEEK.

Měření průtoku

Měření průtoku v chemickém a farmaceutickém průmyslu má zásadní význam pro zajištění jakosti a plynulosti výroby zejména při výrobě podle receptur. Podobně jako hladinoměry pracují i průtokoměry v obtížných provozních podmínkách. Měří se nejen objemový nebo hmotnostní průtok čistých kapalin, ale také průtok suspenzí, kalů a kaší. Může jít o agresivní kapaliny s měnícími se parametry a vlastnostmi v průběhu měření.

K dopravě měřených kapalin se používají různé druhy čerpadel, z nichž některá vytvářejí pulzace. Na obr. 3 je průběh okamžitého průtoku (modrá křivka) v závislosti na čase. Červená čára ukazuje průběh výstupního signálu na proudovém výstupu, zelená čára průběh vodivosti měřené kapaliny. I takto pulzující průtoky musí být průtokoměr schopen správně zpracovat a zajistit spolehlivé měření a požadovanou velikost dávky.

Průtokoměry často plní několik měřicích úloh, např. současné měření hmotnostního průtoku a hustoty nebo koncentrace. Firma Krohne vyrábí hmotnostní průtokoměry řady Optimass, které jsou vhodné pro měření hmotnostního průtoku, objemového průtoku, hustoty a koncentrace kapalin.

Hmotnostní průtokoměr Optimass 6400 je využíván jako část měřicího systému pro měření množství a hustoty vyrobeného etanolu a současně měří hmotnostní koncentraci vyrobeného etanolu pro řízení destilační kolony. Uspořádání měřicího místa je na obr. 4.

Průtokoměr v kompaktním provedení má dvě zahnuté měřicí trubice a dva vzájemně fázově posunuté pulzní výstupy, proudový výstup pro měření okamžité hustoty a proudový výstup pro přenos okamžité hmotnostní koncentrace etanolu ve vodě. Na obr. 5 je zobrazen údaj o okamžité hmotnostní koncentraci etanolu ve vodě.

Hmotnostní průtokoměry Krohne Optimass řady 7400 s jednou přímou měřicí trubicí jsou velmi vhodné pro měření hmotnostního průtoku a hustoty suspenzí. Na obr. 6 je hmotnostní průtokoměr Optimass 7400 C T50 pro měření průtoku kapaliny obsahující krystaly. Jeho přímá měřicí trubice má stejný vnitřní průměr jako navazující potrubí, a ne­ovlivňuje tak průtok měřené kapaliny.

Pro měření průtoku velmi agresivních kapalin může být vhodné použití magneticko-indukčních průtokoměrů. V kontaktu s měřenou kapalinou jsou pak pouze měřicí elektrody a výstelka průtokoměru. Velkou výhodou je použití virtuální reference převodníku, kdy pro plastová potrubí není nutné používat zemnicí kroužky vyrobené ze speciálních kovových materiálů.

Závěrem

Uvedené příklady využití přístrojů firmy Krohne k měření výšky hladiny a průtoku v chemii a farmacii tvoří jen malou část možných úloh. Pro správné fungování měřicího přístroje je důležitá dobrá spolupráce projektanta měření a regulace, dodavatele měřicího přístroje a výrobního technologa. Samozřejmostí by měla být účast dodavatele měřicího přístroje na uvedení do provozu. 

(Krohne)

Obr. 1. Víko reaktoru

Obr. 2. Prodloužení čočkové antény DN 40

Obr. 3. Pulzace průtoku suspenze za objemovým čerpadlem

Obr. 4. Optimass 6400 měří průtok směsi etanolu a vody

Obr. 5. Zobrazení hmotnostní koncentrace etanolu ve vodě

Obr. 6. Hmotnostní průtokoměr Optimass 7400 s jednou přímou měřicí trubicí