聚酯装置酯化反应器液位测量_李娟.pdf

67TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期聚酯装置酯化反应器液位测量Level Measuring in Esterification Reactor of Polyester Process李 娟（中国昆仑工程有限公司，北京 100037）Li Juan(China KunLun Contracting&Engineering Corp.Beijing 100037)摘要：聚酯产业在化工生产中占有重要位置。酯化反应器是聚酯工艺流程中最主要的反应器设备，对其液位的准确、稳定测量关乎聚酯流程的控制品质。通常采用电浮筒液位计和双法兰液位变送器测量酯化反应器的上腔室液位及全反应釜液位，但是两种液位计在实际应用中均存在一些问题。在分析两种液位计在酯化反应器液位测量中所存在问题的基础上，本文介绍了当前在工程实践中使用效果比较好的改进型液位计及液位测量方法。关键词：双法兰液位计 吹气式液位计 电浮筒液位计 酯化反应器液位Abstract：Polyester industry plays an important role in chemical production.Esterification reactor is the most important equipment in polyester process.Accurate and stable measurement of its liquid level is related to the control quality of the process.Float type level meter and double flange level transmitter are usually used to measure the level in the upper chamber of esterification reactor and the level in the whole reactor.However,there are some problems in the practical application of the two level gauges.On the basis of analyzing the existing problems of two kinds of level meters in the level measurement of esterification reactor,the improved level meters and level measurement methods with better effect in engineering practice are introduced.Key words：Double flange level gauge Blow type level gauge Float type level meter Esterification reactor level收稿日期：2022-08-31作者简介：李娟（1986-），女，学士，工程师，从事化纤、石油化工自动化设计工作。按比例配置好的乙二醇（Ethylene Glycol,EG）与精对苯二甲酸（Pure Terephthalic Acid，PTA）浆料在一定的温度、压力作用下进行酯化反应，生成酯化率达到90%97%的齐聚物1，供给后续的缩聚反应器进行缩聚反应。在反应器内温度、压力保持一定的情况下，EG与PTA浆料的酯化率与其反应时间有关。在开车阶段，反应器的液位直接表征了反应停留时间，工艺聚酯是生产工业纤维丝产品和包装材料的基础原料，在化工生产中占有重要位置。酯化反应器是聚酯生产流程中的主要设备，在酯化反应器内，68技术探讨 TECHNICAL EXPLORATION CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期成2。一根两端封闭的圆柱形空心金属管（浮筒）用吊链挂在传动杆的一端，由于有一定重量，浮筒可以沉浸在液体中。当液位上升时，浮筒的浸没部分增加，它所排开的那部分液体的体积也随之增加。由此，液体作用在浮筒上的浮力变大，测出这一浮力变化即可测出液位。正常工艺操作下，电浮筒液位计可以完成酯化反应器上腔室液位测量的。但是当生产负荷大时，反应器的气相蒸发空间变小，工艺操作不慎就会导致齐聚物的蒸发夹带。这些齐聚物黏连在电浮筒液位计的吊链上会导致液位计测量不准、大波动甚至完全无法测量。抛开电浮筒液位计本身的产品质量问题，这是它在这个场合使用不好的最大原因。2.2 反应器全釜液位测量酯化反应器全釜的液位通常采用法兰型差压（液位）变送器测量。因为生产时，反应器气相有压力，所以差压液位变送器一般选用双法兰型。双法兰液位变送器由差压变送器、毛细管和带密封隔膜的双法兰组成。测量时，由密封隔膜感知压力并经填充有硅油等介质的毛细管将压力传导到差压变送器，差压变送器测得正、负压侧差压p。酯化反应器中酯化物密度与当地重力加速度g都是定值，据此，按照公式p=gh可以计算出反应器的液位 高度。实际上，因为毛细管及导压硅油的存在，在液位计安装好并进行零点迁移后，实际的液位高度是由公式p=(1-2)gh确定的。其中，1为被测介质的密度，2为导压硅油的密度。从公式中可以看出，导压硅油的密度变化会导致差压测量值的变化，进而导致液位测量的误差。随着聚酯单线生产规模的逐步扩大，酯化反应器最大已做到单釜年产60万吨的规模，反应器安装高度加上支撑裙座高度有十几米，双法兰液位变送器的毛细管长度需要16m左右。毛细管的增长导致毛细管受环境温度的影响变大，从而引起测量误差及波动。工程实践上，毛细管越长，液位测量的不稳定性及波动越大，甚至无法满足工艺测量要求，需要寻找更合适的液位测量仪表。操作人员可以据此定性判断EG与PTA浆料的酯化率。因此，酯化反应器液位是酯化反应的最基本也是最重要的被控参数之一，它的准确、稳定测量关乎酯化反应控制品质的好坏。1 酯化反应器结构及工艺环境 1.1 酯化反应器结构常见的国产化四釜和五釜聚酯工艺中，酯化反应器是典型的带搅拌器的立式反应设备。它由外层的热夹套和反应器内室组成，其中内室分为上下两部分，下半部分在搅拌器外侧且环绕盘管加 热器。酯化反应过程需要从外界吸收大量的热，包括物料的升温，水和EG的蒸发以及酯化反应本身的吸热等。酯化反应器通过外侧的热夹套和内部的加热器盘管提供反应所需的热量。1.2 酯化反应工艺环境在酯化反应器中，因为PTA在反应条件下只能部分溶解于EG中，所以反应是在固态和液态并存的情况下进行的。以四釜和五釜聚酯工艺为例，在微正压和265280的条件下，EG和PTA的浆料在酯化反应器内进行酯化反应。随着反应进行，反应器中开始逐渐生成单体酯化物。与此同时，反应生成的水和部分EG原料被蒸发出来，送至分离塔进行 分离。在生产中，酯化反应都不是单一和单方向的。实际上，从生成单体酯化物开始，缩聚反应也就开始了。通过添加催化剂，恰当地分离出正反应产物水，可以促使整个平衡反应向正方向进行。但是，无法完全避免齐聚物生成，以及齐聚物的蒸发夹带仍旧是工艺生产和液位测量中始终要警惕的 事情。2 酯化反应器液位测量2.1 上腔室液位测量反应器上腔室指反应器热媒加热器盘管以上的部分，它的液位测量通常选用电浮筒液位计。电浮筒液位计的测量部分由浮筒、传动杆、扭力管等组69TECHNICAL EXPLORATION 技术探讨中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期采用两台带毛细管的单法兰压力变送器分别测量酯化反应器的正、负压侧压力，将两台变送器的信号分别送至DCS系统，在DCS系统上进行差压计算。这个方法将正、负压侧采用两台变送器分别测量，不受设备大小的影响，毛细管可以大大缩短。对于60万吨/年的酯化反应器，压力变送器毛细管可减少至3m左右。这种测量方法经过工程实践检验满足工艺生产要求，在大产量聚酯酯化反应器上较常规双法兰液位变送器运行稳定、波动小，是一种不错的酯化反应器全釜液位测量方法。4 结论对于使用两台压力变送器进行全釜液位测量的方法，其测量精度只是在一个大概的满足工艺生产要求的范围内，而不是一个经过严格检测验证的精度。因为在DCS系统内完成的差压计算，包括DCS系统IO卡件的信号转换等均属于这个测量系统的一部分，但是这部分并没有像变送器一样经过精度检测。当前，液位仪表生产厂家推出电子远传式差压液位计，其原理也是采用两台法兰型压力变送器进行正、负压侧的压力检测，其中正压侧压力变送器作为主变送器，负压侧压力变送器使用电缆将测量信号连接至主变送器，由主变送器完成差压计算及各种测量补偿。这种方法避免了DCS系统进行差压计算的弊端，也避免了毛细管双法兰液位变送器的缺点，在酯化反应器全釜液位测量上有很好的应用前景。参考文献1 中国石油化工集团人事部，中国石油天然气集团公司人事服务中心.聚酯装置操作工M.北京：中国石化出版社，2007.2 黄步余，范宗海，马睿.石油化工自动控制设计手册（第四版）M.北京：化学工业出版社，2020.3 胡勇锋.新一代吹气法液位计及其应用J.中国仪器仪表，2012（8）：6972.3 改进的酯化反应器液位测量 3.1 改进的上腔室液位测量近年来，吹气法液位计在聚酯酯化反应器上腔室的液位测量中得到越来越多的应用，很多工程项目在酯化反应器上腔液位测量中甚至只设置吹气法液位计。以常压敞口设备为例，吹气法液位计测量原理如图1所示。图1 吹气法液位计测量原理过滤减压后的压缩空气（酯化反应器上一般采用氮气作为气源）经恒流阀、转子流量计和止回阀后进入差压变送器高压侧和设备测量点（液位零点），空气压力稍高于被测介质的压力，均匀地冒出气泡，此时测得的压力等于液体产生的静压力3，即：p=gH；p为差压压力变送器测得的压力，为被测介质的密度，g为当地的重力加速度，H即为被测介质的高度。因此，通过测量压力得出介质的液位。在使用吹气法液位计测量酯化反应器液位时，因为反应器工作条件为微正压，差压变送器的负压侧会连接到反应器的顶部气相端，以此抵消掉负压侧的压力影响。由于小分子低聚物的影响，吹气式液位计也存在吹气管堵塞问题，一般通过增加吹气压力或者增加带全通径球阀的捅针予以疏通。3.2 改进的反应器液位测量为了克服长毛细管双法兰液位变送器存在的问题，结合生产实践，发展出改进的差压原理的酯化反应器全釜液位测量方法。