АНАЛИЗАТОР ПУЛЬПЫ НИТРАТНОГО МЕЛА
NITRATE CHALK PULP ANALYZER

Заявляемое изобретение относится к устройствам контроля количества углекислого газа в конверсионном реакторе в технологическом процессе получения карбоната кальция и конверсионных растворов аммиачной селитры, влияющем на качество и выход получения карбоната кальция.
Известны устройства, определяющие количества веществ в химических технологических процессах, позволяющие путем определения их содержания контролировать и регулировать технологические процессы.
Известны «Автоматизированные кальциметрические системы» патент US № 9,939,361 от 10.04.2018. МПК G01N7/18, G01N 33/24, G01N 33/28. В известном решении описаны способы и системы анализа конкретных карбонатов, присутствующих в нефтяных скважинах или буровых шламах. Автоматическая кальциметрическая система содержит реакционную камеру, датчик давления, соединенный с реакционной камерой и выполненный с возможностью измерения давления в реакционной камере, насос, соединенный с реакционной камерой, трубопровод, соединенный с насосом, причем трубопровод имеет достаточную длину для хранения предварительно выбранного объема кислоты, а также процессор, сконфигурированный так, чтобы побуждать насос доставлять предварительно выбранный объем кислоты в реакционную камеру, одновременно вытягивая объем газа из реакции, где объем газа эквивалентен предварительно выбранному объему кислоты, в котором кислота представляет собой хлористоводородную кислоту.
Метод определения количества конкретного карбоната в образце включает в себя измерение увеличение давления в реакционной камере из-за выделения диоксида углерода из реакции кислотно-карбонатной реакции, а также сравнения времени, в течение которого произошло увеличение давления.
Образцами, используемыми для анализа в автоматизированной кальциметрической системе, могут быть любые образцы, которые могут потенциально содержать карбонаты. Такими образцами могут быть образцы щелочной карбонатной кислоты, экстрагированные из нефтяных скважин или буровых скважин. Карбонаты могут включать карбонат кальция и карбонат магния.
Известен аппарат для измерения содержания концентрации кальция по патенту JP2011214911 от 31.03.2010г. (МПК G01N31/00). Устройство предназначено для измерения концентрации карбоната кальция в процессе обессеривания дымовых газов.
Устройство для измерения концентрации карбоната кальция в суспензии включает средство отбора пробы суспензии в качестве жидкости, подлежащей измерению, реакционный сосуд для хранения суспензии и блок анализа для обнаружения диоксида углерода, образующегося в реакционном сосуде.
Реакционный сосуд снабжен средством перемешивания в центральной части и средством барботирования для генерирования пузырьков диаметром 2-10 мм в измеряемой жидкости, при этом точка образования пузырька расположена ниже, чем перемешивающей лопасти.
2
2
Отбирали часть суспензии с последующей подачей пробы в реакционный сосуд и вводили при перемешивании капельно кислоту, например, серную. Таким образом, поддерживали pH на уровне 4 и ниже. Посредством устройства барботирования подавали воздух в суспензию для образования. Выделяющийся в процессе реакции CO и сернистый газ направляли для разделения в газожидкостный сепаратор. В анализаторе определяли количество CO и на его основе вычисляли в блоке вычисления концентрацию карбоната кальция.
Недостатки известных устройств заключаются в их высокой стоимости и достаточно высокой сложности предлагаемых устройств.
Вторичными продуктами технологии удобрений азотнокислым разложением фосфатного сырья является карбонат кальция конверсионный.
Конверсия нитрата кальция в аммиачную селитру и карбонат кальция осуществляется в четыре стадии: приготовление раствора карбоната аммония, нитрата кальция, фильтрация карбоната кальция. (ИТС 19-2016 «Производство твердых и других неорганических химических веществ»)
2
2
Для получения полного осаждения карбоната в конверсионном реакторе и частиц с хорошим фильтрационным качеством, необходимо осуществлять точное регулирование режима в конверсионном реакторе. Недостаточная точность регулирования параметров реактора может вести к осаждению в абсорбере, что в свою очередь ведет к падению давления и остановке процесса. Параметрами, позволяющими контролировать процесс, являются величина pH и содержание избыточного CO. Существование незначительного остатка CO требуется в растворе углекислого аммония/азотнокислого аммония с величиной от 7,0 до 7,5.
Полноту конверсии нитрата кальция обеспечивают подачей карбоната аммония, контроль процесса ведут по избытку диоксида углерода в суспензии карбоната кальция.
Получение пульпы нитратного мела
3
2
4
2
3
Переработка нитрата кальция (НК) Ca(NO) осуществляется его конверсией в карбонат кальция и нитрат аммония путем обработки 33%-39% раствором карбоната аммония(NH) CO
Процесс конверсии НК описывается следующим уравнением реакции:
3
2
4
2
3
3
4
3
3
2
Ca(NO)+(NH)CO→CaCO+2NHNO+170кДж/мольCa(NO)
3
CaCO-карбонат кальция-мел
Образующаяся в результате конверсии нитрата кальция пульпа мела в растворе аммиачной селитры из реакторов откачивается в производство получения карбоната кальция (мела) и конверсионных растворов аммиачной селитры.
2+
С целью уменьшения растворимости карбоната кальция в растворе аммиачной селитры и дальнейшего проскока ионов Са в продукционный раствор аммиачной селитры необходимо:
о
-вести процесс конверсии при более низкой температуре около 66 С
-поддерживать массовую долю аммиачной селитры от 32 до 60 % в реакторе конверсии
-поддерживать РН в реакторе от 7,8 до 8.5 и избыточной объемной доли диоксида углерода в растворе аммиачной селитры от 0,15 до 0.5 %.
2
В настоящее время осуществляют ручной контроль качества протекания реакции в конверсионном реакторе, для чего отбирают с заданной периодичностью пробы и определение содержания избыточного СО осуществляют в лабораторных условиях.
Этот процесс осуществляется периодически и занимает значительное время.
Техническая задача заявляемого изобретения заключается в создании устройства для непрерывного измерения концентрации углекислого газа в процессе конверсии нитрата кальция (НК) в конверсионном реакторе
Технический результат заявляемого изобретения заключается в непрерывном контроле содержания избыточного углекислого газа в конверсионном реакторе, что позволяет повысить надежность работы конверсионной установки.
Технический результат достигается тем, что анализатор пульпы нитратного мела, включает пробоотборник для отбора проб фильтрованной пульпы нитратного мела, подлежащей анализу, реакционную камеру ,выполненную в виде змеевика из прозрачного материала, соединенную с блоком анализа пробы ,содержащем инфракрасный (ИК) датчик раздела фаз предназначенный для измерения концентрации диоксида углерода, образующегося в реакционной камере и соединенным с блоком обработки сигнала, трубопроводные линии с входными и выходными фитингами для подключения воздуха к шкафу анализатора, для подачи и вывода пробы, кислоты и жидкости для промывки, соединенные с перистальтическими насосами связанными с блоком управления насосами для контроля объема подаваемой пробы и объема подаваемой кислоты (азотной) в реакционную камеру, при этом трубопроводные линии содержат вентили, тройники, соединители.
Анализатор пульпы нитратного мела показан на чертежах
Фиг.1 - общий вид анализатора пульпы нитратного мела в корпусе (шкафу);
Фиг.2 –устройство шкафа анализатора;
Фиг.3 -гидравлическая схема.
2
Анализатор пульпы нитратного мела (фиг.1) включает корпус шкафа 1, на стойке 1а, прикрученной к полу, монтажную панель3 (фиг.2), с креплениями 4 (фиг.2), к корпусу подключен блок питания 2, (показан на фиг.2), перистальтические насосы: насос 27 для закачивания пробы, второй насос 28 для подачи пробы в реакционную камеру, выполненную в виде змеевика 30 из прозрачного материала, насос 29 для закачивания азотной кислоты, блок управления перистальтическими насосами 5, реакционную камеру-змеевик 30, представляющей собой спираль из прозрачной фторопластовой трубки с достаточной длиной (порядка 700-1200 мм) для обеспечения полноты протекания реакции (чтобы двуокись углерода СО в виде газа (пузырей) могли отчетливо сформироваться), соединенная с инфракрасным (ИК) датчиком раздела фаз 6, соединенным с блоком обработки, включающем в себя контроллер (на чертеже не показан).
На боковой панели корпуса содержатся входные и выходные фитинги (7-110 для ввода и отвода жидких фаз, которые соединены трубопроводными линиями (содержащими трехходовые шаровые вентили, игольчатые вентили, тройники, соединители) с перистальтическими насосами, реакционной камерой, инфракрасным (ИК) датчиком раздела фаз.
К анализатору пульпы нитратного мела прилагается пробоотборный зонд с фильтровальной тканью (на чертеже не показан), подсоединяемый к входному фитингу пробы 7.
Блок управления перистальтическими насосами 5 запрограммирован на автоматическое дозирование заданного объема отбираемой пробы и заданного объема кислоты для их подачи в реакционную камеру-змеевик 30, где происходит их взаимодействие.
2
Блок обработки передает полученные данные о количестве выделяемого при реакции СО пользователю (оператору, контролирующему процесс конверсии) через токовую петлю, аналоговый сигнал 4-20 мА
Устройство шкафа анализатора пульпы нитратного мела показана на фиг.2.
Трубопроводная линия содержит входные и выходные фитинги диаметром для ввода и отвода жидких фаз: входной фитинг пробы 7, к которому подсоединяется пробоотборный зонд с фильтровальной тканью, выходной фитинг для первой части потока 8 , входной фитинг для подачи азотной кислоты 9, выходной фитинг отработанной пробы 10, входной фитинг для подачи воздуха в шкаф 11, входной фитинг для ввода промывочной воды 12, тройник 22 соединяющийся с трехходовым шаровым вентилем 20, находящимся на трубе выхода первой части потока и с датчиком раздела фаз 6, тройник 23 соединяемый с вторым насосом 28, подающим пробу в реакционную камеру - змеевик и насосом 27 для закачки пробы и с трехходовым шаровым вентилем 20, находящимся на трубе выхода первой части потока, тройник 24 соединяющий трубу подведенную к реакционной камере-змеевику 30 и вторым насосом 28 подающим пробу в реакционную камеру-змеевик и насосом 29, закачивающим азотную кислоту. Игольчатые вентили установлены на трубопроводной линии: вентиль 13 на линии входа пробы, 14 на линии ввода промывочной воды, 15 на линии выхода первой части потока, 16 на линии подачи азотной кислоты,17 на линии выхода отработанной пробы, трехходовой шаровой вентиль 18 через который закачивается проба, трехходовой шаровой вентиль 19 через который закачивается азотная кислота, трехходовой шаровой вентиль 20 для прохождения 1-го потока, тройник 21 на линии промывки соединяет трехходовой шаровой вентиль 18 и трехходовой шаровой вентиль 19, тройник 22 для прохождения отработанной пробы на линию отвода, тройник 23 разделяет пробу на два потока, через тройник 24 азотная кислота подается в реакционную камеру-змеевик, через соединитель 25 проба закачивается насосом 27, через соединитель 26 азотная кислота закачивается насосом 29.
Трехходовые шаровые вентили 18,19 предназначены для переключения установки в режим промывки, а трехходовой шаровой вентиль 20 для возврата отработанной пробы в реактор, либо слив ее в дренаж (канализацию). Тройник 21 предназначен для распределения потока промывной жидкости.
Так же содержит гидравлическую линию трубопровода 31 для подключения воздуха к шкафу анализатора. Шкаф должен продуваться чистым воздухом, так как в нем может образоваться высокая концентрация взрывоопасных газов. Для этого в стенку шкафа врезан специальный фитинг 11, к которому подводят воздух.
Принцип работы анализатора пульпы нитратного мела
2
Принцип работы анализатора пульпы нитратного мела основан на оценке количества диоксида углерода CO (газа), образующегося при смешении растворенного карбоната аммония с азотной кислотой в реакционной камере.
Процесс описывается следующим уравнением реакции:
4
2
3
3
4
3
2
2
(NH)CO + HNO = NHNO + CO + HO
2
Количество выделяемого диоксида углерода CO в виде газа (пузырей) в реакционной камере - змеевике, фиксируется инфракрасным (ИК) детектором раздела фаз и передается через блок обработки пользователю (оператору, контролирующему режим конверсии) через токовую петлю, аналоговый сигнал 4-20 мА.
Применяется ИК датчик просветного типа.
В ИК – датчиках просветного типа излучатель и фотоприемник встречно-ориентированы вдоль одной оптической оси и жестко закреплены конструкцией корпуса. Промежуток между ними образует чувствительную область сенсора. При попадании какого-либо объекта в эту область ИК-луч прерывается, и ток через фотоприемник (фотодиод, фототранзистор, составной фототранзистор) резко уменьшается или, если фотоприемник датчика интегрированный, выходной сигнал инвертируется.
Основные характеристики этих датчиков – разрешающая способность (0.15…1.5 мм), ширина просвета между излучателем и приемником (0.78…12.00 мм) и тип выходного сигнала (аналоговый или цифровой).
2
ИК детектор может различать фазы газ/жидкость. Контроллер, входящий в состав блока обработки, в который поступает дискретный сигнал, пересчитывает эти сигналы в процентное соотношение выделяемого диоксида углерода CO (газа) и жидкости за минуту.
В ИК датчике раздела фаз применяется щелевая оптопара с фототранзистором.
2
Работает такая оптопара на принципе просвета реакционной камеры, выполненной в виде змеевика из прозрачного материала (фторопластовой трубки), насквозь. Если по трубке идет жидкость – свет попадает на фототранзистор, и он открывается, если в трубке CO (газ) – свет рассеивается и не доходит до фототранзистора.
Может регулироваться яркость свечения в зависимости от мутности раствора.
Блок анализа пробы, содержащий ИК датчик раздела фаз  фиксирует раздел фаз и посылает импульс на контроллер, входящий в  состав блока обработки, который преобразуется в аналоговый сигнал и подсчитывается количество импульсов за заданный промежуток времени.
2
2 (
Аналоговый сигнал контроллера (4-20 мА), пропорционален количеству диоксида углерода CO(газа- пузырей) в минуту. Изменение количества выделяемого диоксида углерода COгаза) свидетельствует об изменении количества карбонат-ионов в пробе.
2 (
Чем активнее реакция, тем больше количество выделяемого диоксида углерода COгаза), что позволяет делать вывод об отклонении процесса в конверсионном реакторе.
На основании зависимости количество импульсов – количество времени делают вывод об отклонении процесса в конверсионном реакторе от нормы.
2
Допустимая концентрация диоксида углерода CO, в конверсионном реакторе 5-15 мг/л.
Заявляемый анализатор проб нитратного мела прошел испытания на растворах 0-25 мг/л.
Для корректной работы анализатора используют азотную кислоту с концентрацией 6 моль/л.
Осуществление изобретения
Пробоотборный зонд с фильтровальной тканью, соединенный с фитингом входа пробы 7 погружают в реактор с пробой. При этом в рабочем положении, т.е. в открытом, находятся отсечный игольчатый вентиль13 на линии входа пробы, отсечный игольчатый вентиль15 на линии вывода разделенного 1-го потока, отсечный игольчатый вентиль 16 на линии ввода азотной кислоты, отсечный игольчатый вентиль 17 на линии отвода воды, а отсечный игольчатый вентиль14 на линии промывки закрыт.
Так же открыты в рабочем положении трехходовой шаровой вентиль18, через который качается проба, трехходовой шаровой вентиль 19 через который закачивается азотная кислота, трехходовой шаровой вентиль20 для прохождения разделенного 1-го потока.
Фильтрованная проба (фильтрованный раствор азотнокислого аммония (NH4)2CO3)) из реактора подается в анализатор через входной фитинг 7. При открытых вентилях 13 и 18 через соединитель 25 проба закачивается при помощи перистальтического насоса 27 (с расходом 100 мл/мин)
Проходя тройник 23, фаза разделяется на два потока: 1-й поток проходит через вентили 20 и 15 и удаляется через выход 8, тем самым образуя «быструю петлю» для предотвращения повышения давления в системе, а второй поток пробы проходит второй насос 28 подающий пробу в реакционную камеру - змеевик 30 (дозирует пробу с расходом 1.2 мл/мин для анализа) и далее через тройник 24 поступает в реакционную камеру -змеевик 30, в котором происходит химическая реакция с азотной кислотой.
Перистальтический насос 29 используется для выкачивания азотной кислоты (концентрация 38%) из канистры (не показана на чертеже) (с расходом 0.8 мл/мин).
Эти два потока смешиваются в реакционной камере - змеевике 30 с прозрачными стенками, и двуокись углерода вытесняется от пробной жидкости в газовой форме (в виде пузырей).
4
2
3
3
4
3
2
2
(NH)CO + HNO = NHNO + CO + HO
После реакционной камеры (змеевика) 30 жидкая фаза и выделенный в результате химической реакции углекислый газ проходят в ИК детектор раздела фаз 6, где регистрируется количество выделенного газа.
Блок анализа пробы, содержащий ИК датчик раздела фаз, фиксирует раздел фаз и посылает импульс на контроллер, входящий в состав блока обработки, который преобразуется в аналоговый сигнал и подсчитывается количество импульсов за заданный промежуток времени.
2
2
Аналоговый сигнал контроллера (4-20 мА), пропорционален количеству диоксида углерода CO(газа- пузырей) в минуту. Изменение количества выделяемого диоксида углерода CO(газа) свидетельствует об изменении количества карбонат-ионов в пробе.
2
Чем активнее реакция, тем больше количество выделяемого диоксида углерода CO(газа) что позволяет делать вывод об отклонении процесса в конверсионном реакторе.
На основании зависимости количество импульсов – количество времени делают вывод об отклонении процесса в конверсионном реакторе от нормы.
В случае отсутствия избыточной двуокиси углерода в технологической жидкости, в прозрачной реакционной камере не виден газ в виде пузырей.
Если содержание CO2 весьма высоко, то видны только мелкие сегменты жидкости, и смесь проходит через систему с высокой скоростью
2
Количество выделяемого диоксида углерода CO в виде газа (пузырей) в реакционной камере - змеевике, фиксируется инфракрасным (ИК) детектором раздела фаз и передается через блок обработки пользователю (оператору, контролирующему режим конверсии) через токовую петлю, аналоговый сигнал 4-20 мА
Заявляемый анализатор пульпы нитратного мела позволяет автоматизировать контроль технологического процесса в конверсионном реакторе при получении карбоната кальция (мела.) CaCO3, что значительно позволяет повысить надежность работы конверсионной установки,  что затруднено при ручном контроле.