Aktuální vydání

celé číslo

04

2024

Průmyslové roboty a automatizace výrobních a montážních linek

celé číslo

Spolehlivá měřicí technika v chemickém průmyslu

Chemický průmysl je jedním z nejdůležitějších odvětví výroby na světě a přesná měřicí a regulační technika hraje klíčovou roli v zajištění bezpečnosti, efektivity a kvality chemických procesů. Tento článek se zaměřuje na požadavky a kritéria týkající se měřicí a regulační techniky v chemickém průmyslu a na spolehlivou měřicí techniku.

 

Průmyslové snímače polohy hladiny a tlaku hrají při monitorování a řízení procesů v chemickém a petrochemickém průmyslu důležitou roli. Jejich spolehlivost, bezpečnost a přesnost jsou zásadní. Zde jsou některé z hlavních požadavků na tyto snímače:

  • Korozivzdornost. Chemický a petrochemický průmysl často pracují s agresivními chemikáliemi a korozivními látkami. Snímače musí být odolné proti korozivním účinkům a měly by být vyrobeny z mate­riálů, které jsou kompatibilní s prostředím, v němž budou použity.
  • Vysoká teplota a tlak. V těchto průmyslových odvětvích jsou časté vysoké teploty a tlaky. Snímače musí být schopné spolehlivě pracovat v extrémních podmínkách.
  • Bezpečnost. Bezpečnost je vždy na prvním místě. Snímače musí být navržené tak, aby minimalizovaly riziko úniků, aby nemohly iniciovat požár nebo výbuch a nezpůsobovaly jiné nebezpečné situace.
  • Kalibrace a údržba. Snímače musí být snadno kalibrovatelné a udržovatelné. Důkladná údržba je rozhodující pro zachování jejich spolehlivosti a kalibrace pro udržení přesnosti a splnění regulatorních požadavků.
  • Rychlost odezvy. V některých úlohách je rychlá odezva důležitá, např. při sledování průběhu reakcí nebo změn hladiny.
  • Výstupy a komunikace. Snímače musí mít pro efektivní monitorování a řízení procesů standardizované výstupy a musí být kompatibilní s různými řídicími systémy.
  • Spolehlivost. Spolehlivost je nezbytná, protože nesprávná data mohou vést k nebezpečným situacím a finančním ztrátám.
  • Dále jsou uvedeny typické příklady použití průmyslových snímačů měření hladiny a tlaku v chemickém a petrochemickém průmyslu:
  • Monitorování nádrží s chemikáliemi. Snímače polohy hladiny se používají ke sledování hladiny různých chemikálií v zásobních nádržích, což umožňuje efektivní zásobování surovinami a minimalizaci ztrát.
  • Kontrola reaktorů. V petrochemickém průmyslu jsou snímače tlaku důležité pro monitorování reaktorů, kde probíhají chemické reakce za vysokých teplot a tlaků.
  • Monitorování potrubí a trubek. Průmyslové snímače hladiny mohou být použity k monitorování průtoku tekutin v potrubích přepočtem z výšky hladiny a průřezu nádrže. To je zásadní pro správnou distribuci surovin.
  • Měření úrovně hladiny v nádržích s palivy. V rafineriích a chemických závodech je důležité měřit polohu hladiny v nádržích s palivy a palivovými oleji, aby se předešlo přetečením a únikům.
  • Bezpečnostní úlohy. Snímače tlaku se používají ke sledování tlaku v tlakových nádobách a zařízeních a přispívají tak k prevenci výbuchů a nebezpečných situací.
  • Sledování chemických procesů. Snímače polohy hladiny a tlaku jsou nezbytné při sledování a řízení chemických procesů, které pomáhají zajistit kvalitu výsledných produktů a bezpečnost pracovníků.
  • Rafinace ropy. V rafineriích ropy se snímače tlaku používají k monitorování procesů frakční destilace a zpracování ropy.

Průmyslové snímače polohy hladiny a tlaku jsou nepostradatelné nástroje pro správu a monitorování provozu v chemickém a petrochemickém průmyslu a jsou nezbytné pro zajištění bezpečnosti, efektivnosti a kvality produktů. Jejich spolehlivost a schopnost pracovat v náročných podmínkách jsou klíčovými faktory vedoucími k úspěšnému provozování těchto chemických a petrochemických zařízení.

 

Měření polohy rozhraní kapalin a hladiny pěny

Společnost Level Instruments CZ – Level Expert nabízí široký sortiment kontaktních i bezkontaktních hladinoměrů, limitních hladinových spínačů a snímačů tlaku pro měření v různých oborech: v chemickém a petrochemickém průmyslu, v potravinářství, ve stavebnictví, ve farmaceutickém průmyslu, v energetice, hutnictví, v papírenském průmyslu i ve vodním hospodářství.

Zajímavými produkty, které společnost také dodává, jsou speciální impedanční snímače hladiny kapalin i sypkých materiálů od švýcarské společnosti Aquasant Messtechnik AG, určené převážně pro provozy chemického, petrochemického a farmaceutického průmyslu.

 

Princip impedančních snímačů

Impedance je komplexní fyzikální veličina vyjádřená reálnou složkou – rezistancí, a imaginární složkou – reaktancí. Impedance brání průchodu elektrického proudu obvodem. U impedančních snímačů prochází proud měřeným médiem a hodnota impedance reprezentuje chemické a fyzikální vlastnosti média (pokládané za konstantní) a délku, ve které médium smáčí aktivní část sondy. U tyčové sondy se tedy impedance mění podle toho, jak se rozhraní médií pohybuje podél sondy. Změny impedance jsou elektronikou okamžitě převáděny na normovaný výstupní signál, posílaný k digitálnímu zpracování do univerzálního mikroprocesorového systému. Tento signál může reprezentovat poměrnou (v procentech), popř. absolutní (v milimetrech) polohu rozhraní. Pohyb rozhraní z 0 na 100 % (např. o 300 mm) je tak převáděn na výstupní signál 4 až 20 mA.

Nastavování systému je jednoduché. Spočívá v samostatném změření impedance jednotlivých médií, jejichž rozhraní má být sledováno, a to pouhým uložením hodnoty naměřené sondou do vyhodnocovací jednotky. Tato referenční měření musí být prováděna při stejné hloubce ponoru sondy (nejlépe s ponořenou celou aktivní částí sondy).

Do systému lze zadat (naprogramovat) až devět různých řad parametrů (dvojic médií). Mezi dvěma nastaveními pro měření polohy dvou různých rozhraní, např. voda–toluen nebo metylchlorid–voda, lze potom přepínat externím reléovým kontaktem.

K naprogramování (zadání parametrů) jednotlivého měření rozhraní je zapotřebí zadat vždy čtyři hodnoty, které se získají statickým změřením vlastností médií, jejichž rozhraní má být sledováno.

 

Detekce pěny při výrobě polyuretanového lepidla

Velký výrobce lepidel potřeboval bezpečně a rychle detekovat polyuretanovou pěnu (s hodnotou relativní permitivity menší než 2). K měření byl použit snímač s tyčovou sondou STM od firmy Aquasant (obr. 1), přizpůsobenou speciálně pro tento úkol.

Polyuretanové lepidlo je směs poly­olu a isokyanátu s dalšími přídavnými látkami. Jestliže je během procesu polyadice obou složek produkt kontaminován vodou, vzniká reakcí vody a diisokyanátové skupiny oxid uhličitý, což vede k nevratnému extrémnímu pěnění v míchaném reaktoru. Pěna může mít různou konzistenci a může vést k nutnosti zařízení nouzově odstavit. Proto je nutné ji co nejrychleji a co nejspolehlivější detekovat.

Po provedení laboratorních testů pro detekci polyuretanové pěny bylo nalezeno řešení: impedanční snímač od firmy Aquasant s tyčovou sondou STM Foam detekuje pěnu v reaktoru s rozlišením do 2 mm při době integrace 40 až 400 ms a umožňuje včas zahájit bezpečnostní opatření, které dalšímu vzniku pěny zabrání.

Velmi citlivý impedanční měřicí systém tyčové sondy s převodníkem MTI je určen pro kontinuální nebo limitní měření polohy hladiny všech typů suchých i vlhkých pěn na hladině kapalných médií. Široká nabídka nejrůznějších typů tyčových sond umožňuje téměř univerzální použití. Díky tzv. prostorovému měření tyčové sondy dosahuje tento snímač vynikajících výsledků měření nejrůznějších typů pěn.

Převodník MTI měřený signál linearizuje a převádí jej na standardní výstup, který je přiveden do mikroprocesorové vyhodnocovací jednotky VTI 300K, jež je vybavena digitálním displejem pro vizualizaci polohy hladiny pěny a pro zobrazení nastavených limitních hodnot.

 

Separace látek ve stáčecím tanku

Ve stáčecím tanku jsou dvě nemísitelné kapaliny, vodná a olejovitá. Při stáčení obsahu tanku je třeba přesně zachytit okamžik, kdy přestane téci první kapalina a potrubím začne proudit ta druhá. V tom okamžiku je zapotřebí zavřít jeden ventil a otevřít druhý a tím druhou kapalinu nasměrovat do její nádoby. Změna produktu během separace je však velmi rychlá, takže zařízení pro detekci rozhraní mezi oběma kapalinami musí mít dostatečně rychlou odezvu. Doposud byl zákazník odkázán na ruční proces, při němž zaměstnanec kontroloval přes průhledítko stav a zavřel ventil v okamžiku, kdy byla patrná změna kapaliny. To je náročné na pozornost a rychlost obsluhy.

Měření uvažovaná v minulosti měla tu nevýhodu, že pro každý procesní krok je třeba znovu upravit naměřené hodnoty specifické pro danou kapalinu. Měření hladiny je náročné z důvodu agresivní povahy kapalin a přítomnosti míchadla.

V úplně posledním kroku procesu se před poslední separací do vsázky navíc přidává roztok 48% hydroxidu sodného. Ten v takto vysokých koncentracích zanechává vodivý film, který vede ke zpoždění při detekci separačního rozhraní.

Řešením je průtočná sonda TSS80 a vyhodnocovací jednotka Mipromex (obr. 2). Snímač pracuje na impedančním principu s dobou odezvy pouhých 300 ms. Smáčené materiály sondy jsou vyrobeny z PTFE s velkou chemickou odolností. Měřicí systém umožňuje plně automatickou separaci vodné vrstvy. Výhodou je, že při zahájení měření se systém automaticky nastaví na základní hodnotu, takže není nutné při změně separovaných látek snímač znovu nastavovat.

V okamžiku, kdy snímač detekuje rozhraní, digitální signál z jednotky mipromex uzavře ventil. Jestliže se zbývající kapalina znovu oddělí ve dvou fázích, měřicí systém znovu otevře ventil, aby se oddělila další vodná vrstva. Tento proces se buď opakuje do stavu, kdy během 5 min signál nepřejde na základní hodnotu, která znamená výskyt vodné fáze, nebo je zastaven ručně.

Citlivost měření lze upravit: čím méně citlivé je měření nastaveno, tím rychleji je proces dokončen. Může se ovšem stát, že část vrchní vrstvy bude vypuštěna společně se spodní vodnou fází.

Měření hladiny a limitní měření hladiny v reakční nádobě

Typické reakční procesy v reakční nádobě znamenají měnící se média, provozní tlaky a teploty. To je velká technická úloha, protože snímače používané k řízení procesů musí i za těchto měnících se podmínek měřit spolehlivě.

Úkolem je měřit polohu hladiny a vybavovat signály při překročení jejích nastavených mezí v nádrži při rozsahu měření do 15 m, přičemž měřeným médiem jsou různé kapaliny o teplotě –40 až +200 °C a tlaku –100 kPa až +1 MPa. Kromě změny médií způsobuje potíže turbulentní hladina produktu, pěna na hladině a míchadla a topné spirály v nádobě.

Měřit je možné s pomocí vysokofrekven­čního radarového hladinoměru Vegapuls 6X (obr. 3). Jde o bezkontaktní měření, anténa tedy není v kontaktu s měřeným médiem. Je-li však i prostředí nad hladinou nepříznivé nebo je-li nádoba čištěna agresivními látkami, lze chemickou odolnost antény zvýšit krytem z PTFE. Snímač má funkci potlačení falešného signálu, který vzniká odrazem od vnitřních konstrukcí nádoby, např. od míchadla. Malé rozměry snímače umožňují použít malé mechanické připojení.

Vegapuls 6X je 80GHz provozní radarový hladinoměr určený k měření polohy hladiny kapalin a sypkých materiálů, který je díky svým vlastnostem vhodný pro použití v chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu. Vzhledem k tomu, že mezi podobnými hladinoměry má nejmenší anténu, je ideální pro malé skladovací nebo provozní nádrže.

Vibrační hladinový spínač Vegaswing 63 (obr. 4) je vhodný k detekování hladiny kapalin a používá se jako součást systému ochrany proti přeplnění a chodu nasucho v reakční nádobě. Spínací bod je nezávislý na měřeném médiu. Vysoce odolné materiály a povlaky dovolují jeho použití v různých médiích. Přístroj má testovací tlačítko pro snadné testování funkčnosti přístroje za provozu.

 

Závěr

Všechny dodávané přístroje vyhovují příslušným českým i evropským normám a jejich spolehlivost je ověřena dlouholetým provozem u nás i v zahraničí. Mnoho let zkušeností umožňuje pracovníkům společnosti porozumět specifickým požadavkům daného odvětví a správně na ně reagovat. Společnost Level Instruments CZ – Level Expert je připravena dodat měřicí techniku pro jakékoliv průmyslové odvětví, a to včetně bezplatného technického poradenství, vypracování návrhu řešení, zapůjčení snímačů a jejich vyzkoušení u zákazníka v konkrétní úloze.

 

(LEVEL INSTRUMENTS CZ – LEVEL EXPERT s. r. o.)

 

Obr. 1. Impedanční snímač rozhraní kapalin s tyčovou sondou STMd

Obr. 2. Průtočný impedanční snímač TSS80, který se používá k separaci nemísitelných látek

Obr. 3. Radarový hladinoměr Vegapuls 6X

Obr. 4. Vibrační hladinový spínač Vegaswing 63