尿素二段蒸发分离器液位测量技术的优化

刘纪中

(安阳化学工业集团有限责任公司 ， 河南 安阳 455133)

安化集团公司第二套尿素装置中二段蒸发分离器液位是工艺操作的一项重要指标，它的运行指标控制好坏直接影响尿素的产品质量。二段蒸发分离器液位测量仪表使用的是电容式液位计，长期以来，该液位计使用的周期一般在1～2年。自2016年以来，该液位计频繁出现故障，造成液位指示不准确，或液位无显示，而且液位计使用周期缩短至两个月左右，严重影响尿素装置的稳定运行。在此期间，工艺人员只有通过摄像头观测现场视镜判断液位高度，采用手动控制调节分离器液位，这不仅增加了职工的劳动强度，而且由于手动控制存在滞后和精度低等问题，经常造成尿素产品中缩二脲含量升高，甚至造成尿素熔融泵不打量等严重问题。二段蒸发分离器液位检测仪表不能正常运行，严重影响尿素系统的安全稳定高负荷生产。

1 工艺流程

在公司第二套尿素装置中，中压液氨经高压液氨泵(P101A/B)加压到21.5 MPa作为驱动液进入甲铵喷射器，将来自甲铵分离器的甲铵液增压混合后一起从尿素合成塔底部进入尿素合成塔。经二氧化碳压缩机压缩后的高压二氧化碳也从尿素合成塔底部进入合成塔，氨和二氧化碳反应生成尿素，其中二氧化碳的转化率约63%。尿素、液氨、二氧化碳、甲铵和水从尿素合成顶部经PV-9203调节阀进入汽提塔，从汽提塔下部经LV-9202进入中压分解塔后，再到低压分解塔，然后经过一段蒸发分离器和二段蒸发分离进一步提纯尿素溶液，提纯后尿素溶液浓度达到99.7%以上；再经过P108A/B尿素熔融泵和调节阀LV-9501送往造粒塔进行造粒。对于二段蒸发分离器来说，工艺操作的一个重要指标是保证二段蒸发分离器的液位LT-9501指示稳定可靠。对此，可以通过一个简单的控制回路来实现这个目标，二段蒸发分离器液位高度通过电容式液位计转换为4～20 mA标准电流信号后传输到集散控制系统DCS上，DCS的控制器通过比较远的传液位信号和工艺操作所需要的液位给定信号，经DCS控制器PID运算后输出4～20 mA标准电流信号去自动控制调节阀LV-9501的开度，实现该液位的自动控制。

二段蒸发分离器的液位控制非常重要，如果液位控制太低，尿素熔融泵入口静压头降低，会造成尿素熔融泵P108A/B汽化不打量，尿素造粒系统停运，系统被迫减负荷；如果液位控制太高，将增加尿液在系统中的停留时间，会使尿素中的缩二脲含量升高，造成尿素产品质量不合格。

2 测量原理

二段蒸发分离器液位计采用的是电容式液位计。电容式液位计的测量原理是：传感器是根据圆筒形电容器原理设计制作的，当容器无介质时，传感器有一个初始电容，当容器内有介质时，电容变化量仅与介质高度有关系，而且两者为线性关系，电容变化量再经过信号放大等处理，把介质高度的变化转换成标准的4～20 mADC电流信号，并远传至操作控制室由二次仪表或DCS集散控制系统进行显示记录、报警或自动控制。

对于不导电的介质来说，电容式液位计是把一根不锈钢电极插入到盛工艺介质的容器内，不锈钢电极作为电容的一个电极，容器壁作为电容的另一个电极。当液位升高时，电容式液位计两个电极间的介电常数值增大，电容也随之增大；反之，当液位下降时，电容随之减小。所以，电容式液位计可通过两个电极间电容的变化来测量物料液位的高低。

对于导电的介质来说，只需要在不锈钢电极的外面套上塑料、聚四氟乙烯或搪瓷等绝缘层，插在容器内，就成为内电极。若容器是金属制成的，那么外壳就可作为外电极。因尿素溶液具有导电性，所以选用电容式液位计时，需要在不锈钢电极上面覆盖绝缘层，由于尿素溶液的强腐蚀性和耐温要求，一般选用聚四氟乙烯绝缘层。 电容式液位计原理图如图1所示。

1.内电极 2.绝缘套 3.设备容器

当液位由零变化到H1时，电容传感器的电容变化量Cx为：

Cx=CH1-C0=2πεH1/ln(D/d)+2πε0(H0-H1)/ln(D0/d)-2πε0H0/ln(D0/d)=2π(ε-ε0)H1/ln(D/d)

式中：ε为绝缘套管的介质系数；ε0为绝缘套管和空气共同组成电容的等效介电系数；D0为设备容器直径；d为内电极直径；H0设备容器高度；H1为工艺介质液位高度；D为内电极和绝缘套的总直径；由于ε、ε0、D、d、π均为定值，所以Cx只与H1成线性比例关系。

3 存在的问题

尿素装置运行以来，二段蒸发分离器液位仪表一直存在着指示准确度不高、使用周期短的问题。特别是2019年以来，该液位计使用的周期缩短了，从原来的6～12个月，逐渐缩短到1～2周。在此期间，利用尿素系统短停检修的机会更换新的电容式液位计，使用时间也很难超过3个月。最初认为是电容式液位计产品质量问题，先后试用了多家国产电容式液位计，但是效果均不理想，最后更换了美国进口的阿美泰克电容式液位计，使用周期也没有明显延长。该电容式液位计经常损坏严重影响了尿素二段蒸发系统的正常操作，给尿素系统的安全生产带来很大影响。为此专门成立了技术攻关小组，努力去解决这一技术难题。

4 原因分析

针对该液位计存在的问题，我们高度重视，多次利用停车机会，把液位计拆卸下来，进行仔细检查，发现这些液位计的电极杆外面的聚四氟乙烯绝缘套破损，且损坏的部位主要集中在电极杆的中上部。由于电极杆外的聚四氟乙烯绝缘套遭到破坏，绝缘下降，电极杆与尿素溶液直接接触后，造成电容式液位计指示失效。为此，结合工艺车间工艺流程和二段蒸发器设备的结构，对造成的原因进行了分析。认为造成液位计电极杆外绝缘套破损的原因主要有三个方面：①二段蒸发分离器内的折流板可能存在问题，造成高纯度尿素溶液在分离器内高速旋转，这样，高速的尿液旋转流对电极杆的绝缘套进行直接冲刷、损害，这可能是该液位计电极杆绝缘套破损的主要原因；②电容式液位计的绝缘套厚度只有1 mm，偏薄，也是影响使用寿命的一个原因；③公司为了提高尿素生产的经济效益，多次生产腐植酸尿素和多肽尿素，在生产这些特种尿素的过程中，需要尿素系统添加多种原料，这些特殊原料的添加也会影响到电容式液位计的使用寿命。

5 解决方案及目标

针对分析的三方面问题，制定了如下方案：①在二段蒸发分离器内增加一个保护管进行有效防护，具体就是在电极杆外面增加一个Φ108 mm×4.5 mm的保护管，材质为316L，在保护管外钻上均匀分布的Φ14 mm的孔，顶部加316L材质的钢板封堵，提前制作，待停车期间实施。②解决电容式液位计电极杆外的绝缘套厚度较薄的问题：电极杆外的聚四氟乙烯绝缘材料厚度由原来的1 mm增加到3 mm；选用进口的电容式液位计并提前采购到位，待停车期间安装并调试。③改造实施后，要实现电容式液位计的指示准确可靠，运行周期要达到6个月以上，同时要实现二段蒸发分离器液位自动控制。

6 实施和调试

①在停车期间工艺处理结束后，拆除电容式液位计，发现液位计电极的聚四氟乙烯绝缘层已经损坏，损坏情况与之前的一样。②结合工艺，打开二段蒸发分离器设备的上部，检查发现折流板部分冲刷损坏，工艺进行了修复。③蒸发分离器内清理置换合格，具备内部焊接条件。为保证焊接质量，要求制作好的保护管中心与液位计的设备管口中心一致，保护管上下同心度要求<5 mm，然后焊接牢固；另外，在设备内壁与保护管外壁用不锈钢管焊接固定，保证保护管的稳定牢固，防止尿素溶液冲击倾斜或变形，影响正常测量。④电容式液位计使用前要调试正常，结合工艺，在开车前用软水升降液位进行初步标定，开车后再进一步修正；另外，提前检查调试好LV-9501调节阀，保证调节阀运行可靠。

7 运行效果

二段蒸发分离器电容式液位计优化改造实施后，尿素系统2019年7月初开车以来，该电容液位计一直运行良好。该电容式液位计运行稳定可靠、指示准确，尿素二段蒸发分离器液位实现了自动控制，工艺运行稳定，达到了理想的效果。

8 小结

根据工艺流程和设备结构特点，在二段蒸发分离器内部的液位计管口增加316L不锈钢保护管。这样加强了防护功能，克服了工艺设备和操作等方面的影响，使介质液位始终处于一个相对稳定的状态，有利于电容式液位计测量的稳定性；另外，把电容式液位计电极杆外的聚四氟乙烯绝缘护套增加厚度，提高了绝缘护套的强度，延长了电容式液位计的使用寿命。

该电容式液位计正常运行后，二段蒸发分离器液位实现了自动控制，有效减轻了职工的劳动强度。二段蒸发分离器液位稳定后，操作人员也有条件在工艺指标内把液位控制在较低的范围，尿素产品中的缩二脲含量明显下降，尿素产品优等品率达到98%以上。稳定的二段蒸发分离器液位也有效防止尿素熔融泵P108A/B汽化，为尿素蒸发系统稳定运行创造了有利条件，解决了影响尿素安全稳定生产技术难题。