УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В АППАРАТЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ, В ЧАСТНОСТИ В АППАРАТЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КАРБАМИДА
DEVICE AND METHOD FOR MEASURING LIQUID LEVEL IN PRESSURISED APPARATUS, IN PARTICULAR APPARATUS OF UREA PLANT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для измерения уровня жидкости в аппарате под давлением, в частности, в аппарате установки для производства карбамида (мочевины).
В частности, данное изобретение находит предпочтительное применение в аппаратах, образующих часть секции высокого давления установки для производства карбамида, таких как стриппер, реактор для синтеза карбамида, сепаратор карбамата, конденсатор карбамата.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно, что существует потребность в измерениях уровня жидкостей, находящихся в различных аппаратах установки для производства карбамидов.
Например, известен способ измерения уровня жидкости, находящейся на дне стриппера высокого давления (то есть, аппарата секции высокого давления установки для производства карбамидов, где карбамат выделяют из раствора карбамида, вытекающего из реактора для синтеза карбамида) с использованием измерительной аппаратуры на основе радиоактивности. Этот тип измерительной аппаратуры обычно имеет высокую надежность (превышающую надежность измерительной аппаратуры других типов, например, измерительная аппаратура радиолокационного типа), не нуждается в непрерывной очистке (как это требуется для пьезоэлектрической электронной аппаратуры на основе дифференциального давления типа датчика разности давлений на двух входах) и отличается высокой разрешающей способностью.
Принцип действия этой измерительной аппаратуры основан на измерении радиации, излучаемой радиоактивным источником, которая не поглощается жидкостью, уровень которой должен быть измерен, и воспринимается приемником.
При конкретном применении, связанным с использованием стрипперов высокого давления при производстве карбамида, где также нужно учитывать необходимость использования относительно толстых стенок (как это обычно бывает в случае применения измерительной аппаратуры, работающей при высоком давлении) известны два основных типа технических решений:
а) используют точечный радиоактивный источник, размещаемый под резервуаром (контейнер стриппера), внутри которого необходимо измерить уровень жидкости; приемник размещают в верхней части резервуара. Радиоактивный источник также может быть установлен внутри резервуара, причем приемник размещают ниже в углублении в дне резервуара. В любом случае необходимо использовать источник с относительно высокой интенсивностью излучения, поскольку поглощение радиации является экспоненциальной функцией указанного уровня; по этой причине такое техническое решение редко встречается на практике;
b) радиоактивный источник устанавливают внутри аппарата, причем он сформирован в виде проволоки или цепочки точечных зарядов, которые излучают радиацию по всей длине области, предназначенной для измерения. Приемный блок устанавливают вне аппарата, причем он обычно состоит из двух точечных приемников. Такое техническое решение чаще всего встречается в установках для производства карбамида.
На Фиг.1 показано типовое применение последнего из описанных типов. Фактически, на Фиг.1 схематично и частично показан стриппер 100 высокого давления установки для производства карбамида, где представлена только нижняя концевая часть 2, снабженная измерительным устройством 3 для измерения уровня жидкости, находящейся на дне стриппера 100.
Стриппер 100 содержит контейнер 4, имеющий боковую стенку 5; контейнер 4 содержит, начиная с нижнего конца 7 стриппера 100: фактически цилиндрический концевой участок 8, закрытую нижней стенкой 9; искривленный промежуточный участок 10 (например, полусферу); и фактически цилиндрический основной участок 11.
Концевой участок 8 снабжен выпускным патрубком 12, снабженным приемным отверстием 14 внутри контейнера 4, который обычно погружен в жидкость, имеющуюся на дне стриппера 100.
Измерительное устройство 3 содержит эмиссионную трубку 50, которая продолжается внутрь контейнера 4 через нижнюю стенку 9 и вмещает радиоактивный источник, расположенной вдоль эмиссионной трубки (например, образованный рядом радиоактивных точеных зарядов или удлиненным зарядом в виде проволоки или полоски); и пару приемников 51, размещенных вне контейнера 4 на соответствующих заданных уровнях (то есть, на соответствующих расстояниях от нижней стенки 9).
Уровень жидкости в стриппере измеряют путем измерения радиации, излучаемой радиоактивным источником, которая достигает приемников.
В первую очередь, из-за сложной геометрии стриппера, точнее из-за наличия цилиндрического конца с искривленной (полусферической) верхней частью, за которой следует дополнительная цилиндрическая часть, описанное здесь техническое решение имеет недостаток, заключающийся в низкой точности измерений, определяемой как минимальное отклонение рассматриваемой величины по всему диапазону измерений) в зоне низкого уровня, или скорее там, где поддерживается уровень технологической жидкости во время нормальной работы аппарата.
С таким же недостатком сталкиваются при использовании других конструктивно сходных аппаратов.
Кроме того, любые конфигурации измерительного устройства, которые предполагают прохождение радиации через аппарат (в частности, стенки контейнера аппарата, которые, особенно в случае применения в условиях повышенного давления, имеют относительно большую толщину) требуют использования относительно мощных источников радиации со всеми присущими ей проблемами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одной из целей настоящего изобретения таким образом является обеспечение устройства для измерения уровня жидкости в аппарате под давлением, в частности, в аппарате установки для производства карбамида, который по существу свободен от указанных здесь недостатков известного уровня техники; в частности, одной из целей изобретения является обеспечение измерительного устройства, позволяющего использовать небольшой и маломощный радиоактивный источник, и гарантирующего высокую разрешающую способность и точность измерений.
Таким образом, настоящее изобретение относится к устройству и способу для измерения уровня жидкости в аппарате под давлением, в частности, в аппарате установки для производства карбамида, как определено в основополагающих терминах соответственно в пунктах 1 и 15 прилагаемой формулы изобретения.
Изобретение также относится к герметизированному аппарату, в частности, аппарату установки для производства карбамида и к установке для производства карбамида, как определено соответственно в пунктах 11 и 13 прилагаемой формулы изобретения. Дополнительные предпочтительные признаки изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Далее описываются основные преимущества, обеспечиваемые упомянутыми устройством и способом измерения согласно настоящему изобретению.
Изобретение позволяет значительно повысить разрешающую способность и точность измерений, особенно в части с низким уровнем жидкости, то есть там, где с технологической точки зрения более важно регулировать и поддерживать уровень технологической жидкости.
Изобретение также позволяет использовать радиоактивные источники с относительно низким уровнем излучения (ниже, чем у типового источника в известных технических решениях), снижая тем самым интенсивность радиации вне аппарата, что является большим преимуществом с точки зрения защиты операторов, подвергающихся облучению, и упрощает меры, предпринимаемые для их защиты.
Настоящее изобретение также имеет преимущество, состоящее в сокращении затрат на измерительное устройство, которые прямо пропорциональны радиоактивности упомянутого источника, и затрат на обязательную систему транспортировки/локализации радиоактивных материалов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания варианта осуществлении изобретения, не являющегося ограничением, со ссылками на фигуры в сопроводительных чертежах, на которых:
Фиг.1 - схематичный вид в продольном разрезе нижней концевой части аппарата под давлением, в частности, стриппера высокого давления в установке для производства карбамида, снабженного устройством измерения уровня жидкости согласно известному уровню техники;
Фиг.2 - схематичный вид в продольном разрезе нижней концевой части аппарата под давлением, в частности, стриппера высокого давления в установке для производства карбамида, снабженного устройством измерения уровня жидкости согласно настоящему изобретению;
Фиг.3 - схематичный вид в продольном разрезе аппарата под давлением, в частности, стриппера высокого давления в установке для производства карбамида, снабженного устройством измерения уровня жидкости согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.2 показан аппарат под давлением, в частности, стриппер высокого давления установки для производства карбамида, где показана только его нижняя концевая часть 2.
Аппарат 1 снабжен устройством 3 измерения уровня жидкости для измерения уровня технологической жидкости, которая собирается в части 2 аппарата 1.
Хотя аппарат 1 в описываемом и показанном здесь примере представляет собой стриппер, измерительное устройство 3 согласно изобретению может применяться, например, в других аппаратах секции высокого давления установки для производства карбамида, таких как, в частности, реактор для синтеза карбамида, сепаратор карбамата или конденсатор карбамата.
Устройство 1 имеет продольную ось А (обычно вертикальную в процессе эксплуатации) и содержит контейнер 4, имеющий боковую стенку 5, расположенную вокруг оси А, и ограничивающий внутреннюю технологическую камеру 6.
Контейнер 4 содержит, начиная с нижнего конца 7 аппарата 1, по существу цилиндрический концевой участок 8, закрытый нижней стенкой 9, размещенной на конце 7; искривленный промежуточный участок 10 (например, по существу полусферический), расположенный над концевым участком 8; и по существу цилиндрический основной участок 11, расположенный над промежуточным участком 10.
Во время нормальной эксплуатации аппарата 1 нижняя концевая часть 2 аппарата 1 содержит некоторое количество технологической жидкости, которая достигает уровня в технологической камере 6, определенного свободной поверхностью; причем уровень технологической жидкости в аппарате 1 является переменной величиной, из чего следует необходимость его измерения и текущего контроля его изменения во времени.
Концевой участок 8 снабжен выпускным патрубком 12, продолжающимся через стенку 5 контейнера 4, и, в частности, через отверстие 13, выполненное в стенке 5. Внутри контейнера 4 выпускной патрубок 12 снабжен приемным отверстием 14, расположенным на заданном расстоянии от стенки 9, причем оно обычно погружено в технологическую жидкость.
Выпускной патрубок 12 имеет изгиб под прямым углом, причем отверстие 14 обращено к стенке 9 на уровне, измеряемом как расстояние от стенки 9, ниже уровня отверстия 13 и, в частности, ниже уровня верхнего края 15 выпускного патрубка 12.
Измерительное устройство 3 содержит: радиоактивный источник 18, который порождает радиацию; зарядную трубку 19, которая вмещает источник 18; рабочую трубку 31, расположенную в заданном месте по отношению к зарядной трубке 19; и приемник 21, предназначенный для приема и измерения радиации, порождаемой источником 18, и связанный с рабочей трубкой 31.
Источник 18 является точечным источником, а именно, источником, который содержит малогабаритный радиоактивный заряд, порождающий точечное излучение.
Источник 18 расположен внутри зарядной трубки 19, которая имеет внутреннюю полость и по существу прямой трубчатый элемент 22, продолжающийся через стенку 5 контейнера 4.
В зависимости от размера аппарата 1 зарядная трубка 19 может быть расположена на основном участке 11 или, что предпочтительней, на промежуточном участке 10 (как показано на Фиг.2), или даже на концевом участке 8.
Зарядная трубка 19 установлена по существу перпендикулярно оси А, причем она входит в аппарат 1 сбоку и, в частности, входит в контейнер 4 с боковой стороны 21 аппарата 1; в предпочтительном варианте осуществления, показанном на Фиг.2, зарядная трубка 19 по существу расположена горизонтально.
В частности, зарядная трубка 19 продолжается по прямой вдоль продольной оси В (обычно пересекающей ось А и предпочтительно перпендикулярной оси А) между двумя противоположными концами, в частности: осесимметрично между концом 24 для доступа, расположенным вне контейнера 4, и свободным концом 25, расположенным внутри контейнера 4, в технологической камере 6 на некотором расстоянии от стенки 5; таким образом, зарядная трубка 19 продолжается через стенку 5 контейнера 4 и продолжается внутри технологической камеры 6. Зарядная трубка 19 вмещает один точечный источник 18, размещенный на свободном конце 25 и отделенный (то есть, расположенный на заданном расстоянии) от стенки 5, через которую вставлена зарядная трубка 19.
Предпочтительно, чтобы свободный конец 25 был закрыт, а конец 24 для доступа завершался открываемым или съемным соединением 26, чтобы предоставлять возможность доступа внутрь зарядной трубки 19 и предоставлять возможность удаления/замены источника 18, который с этой целью снабжен в качестве опции загрузочным средством, действующей вдоль оси В для поступательного перемещения источника в зарядной трубке 19 вдоль оси В. Например, соединение 26 используют для сочленения с корпусом 27 с целью локализации источника 18 и его транспортировки из контейнера 4; при этом корпус 27, снабженный загрузочным средством, с помощью которого источник 18 вводится внутрь контейнера 4 в зарядной трубке 19, прикреплен к соединению 26 с возможностью отсоединения; причем, как только источник 18 выработал свой ресурс, его вытягивают в корпус 27 с помощью загрузочного средства, а затем корпус отсоединяют от соединения 26 и удаляют.
Зарядная трубка 19 выполнена продолжающейся через отверстие 28, выполненное в стенке 5, и возможно продолжающейся через штуцер 29, соединенное с отверстием 28 и выходящим из контейнера 4 наружу.
Зарядная трубка 19 прикреплена к аппарату 1 с помощью фланцевого соединения (согласно типовым стандартам для аппаратов установки для производства карбамида), или (как схематично показано на Фиг.2) с помощью сварного соединения, если это не противоречит совместимости материалов.
Зарядная трубка 19 выполнена из подходящего материала, устойчивого к воздействию среды внутри аппарата 1, в данном случае устойчивого к коррозии-эрозии в среде карбамида в условиях высокого давления, типичной для стриппера высокого давления.
Внутренний диаметр зарядной трубки 19 определяют в соответствии с размером источника 18, а также загрузочного средства для источника 18.
Рабочая трубка 11, содержащая внутреннюю полость и по существу прямой трубчатый элемент 30, смонтирована по существу вертикально и продолжается через стенку 9.
Рабочая трубка 11 установлена по существу параллельно оси А и входит в аппарат 1 и контейнер 4 вертикально.
В частности, рабочая трубка 31 продолжается вдоль продольной оси С (по существу параллельно оси А и перпендикулярно оси В) между двумя осесимметричными противоположными концами, в частности: между ближним концом 31, находящимся вне контейнера 4 или в стенке 9, и дальним концом 32, расположенным внутри контейнера 4 в технологической камере 6 отделенным (то есть, установлен на заданном расстоянии) от стенки 9, через которую вставляется рабочая трубка 31; таким образом, рабочая трубка 31 продолжается через стенку 9 и попадает в технологическую камеру 6.
Предпочтительно, чтобы дальний конец 32 был закрыт, в то время как ближний конец 31 открыт, и чтобы на дальнем конце имелось отверстие 33.
Рабочая трубка 31 расположена входящей через отверстие 34, выполненное в стенке 9, и прикреплена к устройству 1, в частности, к стенке 9, с помощью фланцевого соединения (согласно типовым стандартам аппаратов установки для производства карбамида), или (как схематично показано на Фиг.2) с помощью сварного соединения, если это допустимо с точки зрения совместимости материалов.
Рабочая трубка 31 также выполнена из подходящего материала, устойчивого к воздействию среды внутри аппарата 1, в данном случае устойчивого к коррозии-эрозии в среде карбамида высокого давления, типичной для стриппера высокого давления.
Преимуществом является то, что рабочая трубка 31 имеет внутренний диаметр не менее примерно 25 мм.
Приемник 21 установлен вне контейнера 4, в частности под стенкой 9. Измерительное устройство 3 снабжено одним приемником 21 (вдобавок к одному точечному источнику 18).
Приемник 21 размещен на ближнем конце 31 рабочей трубки 31 и выровнен по оси С рабочей трубки 31; в частности, приемник 21 обращен к отверстию 33 ближнего конца 31, либо частично введен в отверстие 33.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на Фиг.2, ось С (вертикальной) рабочей трубки 31 пересекает под прямым углом ось В (горизонтальной) зарядной трубки 19 у источника 18 (иными словами, источник 18 расположен на пересечении осей В и С, которые перпендикулярны друг другу).
Кроме того, в зарядной трубке 19 размещен источник 18 в положении, в котором источник 18 по существу выровнен по оси С рабочей трубки 31, и, следовательно, с приемником 21. Другими словами, зарядная трубка 19 введена внутрь контейнера 4 и технологической камеры 6 на расстояние, при котором источник 18 находится на оси С рабочей трубки 31.
Таким путем обеспечивается минимально возможное расстояние между источником 18, порождающим радиацию, и приемником 21, который ее воспринимает, в результате чего появляется возможность использования радиоактивных зарядов малого размера и мощности, например, источник Cs-137, 200 милликюри (по сравнению с традиционными техническими решениями, где используется источник Cs-137, 1000-1400 милликюри).
В других вариантах осуществления источник 18 не точно выровнен по оси С рабочей трубки 31, а находится в чуть эксцентричном положении по отношению к оси С; и/или зарядная трубка 19 и рабочая трубка 31 (то есть, соответственно оси В и С) наклонены и/или скошены друг относительно друга (вместо того, чтобы быть перпендикулярными); при этом другие конфигурации, отличные от одной предпочтительной конфигурации, описанной выше (в частности, для положения источника 18 по отношению к оси С рабочей трубки 31 и для других отклонений между зарядной трубкой 19 и рабочей трубкой 31) остаются достаточно эффективными в зависимости от размеров аппарата 1, размеров зарядной трубки 19 и размеров рабочей трубки 31, а также в зависимости от типа источника 18 и рабочих характеристик приемника 21.
В любом случае радиация, порождаемая источником 18, не должна продолжаться через стенки аппарата 1 большой толщины (в частности, через боковую стенку 5 и/или нижнюю стенку 9), достигая приемника 21, а должна только продолжаться через технологическую жидкость (в зависимости от уровня жидкости в данный момент).
Рабочая трубка 31, расположенная внутри концевой части 8, позволяет таким образом уменьшить расстояние между радиоактивным зарядом и приемником 21.
Вследствие этого разрешающая способность измерительного устройства 3 оказывается чрезвычайно высокой в зоне низкого уровня и при отсутствии искажений в зонах с более высоким уровнем.
Возможен вариант исполнения, когда зарядная трубка 19 целиком пересекает технологическую камеру 6 и соединяется со стенкой 5 контейнера 4 на боковом конце 35 напротив бокового конца 23, снабженного с отверстием 28, и находится на опоре или прикреплена к стенке 5 на конце 35.
Длина (измеренная вдоль оси С) рабочей трубки 31, в частности, расстояние между дальним концом 32 рабочей трубки 31 и приемником 21, определяет нулевой уровень измерительного устройства 3.
Таким образом, рабочая трубка 31 может иметь разную длину в соответствии с выбранным диапазоном измерения уровня. Рабочая трубка 31 выходит из стенки 9 согласовано с выпускным патрубком 12 технологической жидкости; в частности, дальний конец 32 рабочей трубки 31 находится на том же уровне, что и верхний край 15 выпускного патрубка 12.
Таким путем рабочая трубка 31 дает возможность приемнику измерять уровень технологической жидкости внутри аппарата 1, обходя участок технологической жидкости, находящийся между стенкой 9 и выпускным патрубком 12; причем, поскольку этот участок технологической жидкости всегда присутствует во время нормальной эксплуатации аппарата 1, возможность обойти этот уровень (который образует смещение при измерении) позволяет дополнительно уменьшить заряд источника 18.
В варианте осуществления на Фиг.3 аппарат 1 (аппарат установки для производства карбамида, например, стриппер) высокого давления сконфигурирован так, что его можно установить в двух противоположных рабочих положениях, развернутых на 180° относительно горизонтальной оси симметрии X аппарата 1, и измерительное устройство 3 можно смонтировать на аппарате 1 в обоих рабочих положениях без необходимости существенных модификаций аппарата 1 и, в частности, его контейнера 4.
Аппарат 1 расположен вдоль оси А (вертикаль при эксплуатации) между двумя противоположными продольными концами 7 симметрично относительно оси Х (горизонталь); в частности, контейнер 4 имеет симметричную форму относительно оси Х и снабжен опорными элементами 40, зеркально симметричными относительно оси Х для избирательной поддержки аппарата 1 в упомянутых двух рабочих положениях.
Если более подробно, то контейнер 4 имеет две противоположных концевых части 2, размещенных на соответствующих концах 7 симметрично относительно оси Х (горизонталь).
Концевые части 2 имеют соответствующие по существу цилиндрические концевые участки 8, закрытые соответствующими нижними стенками 9; и соответствующие искривленные промежуточные участки 10 (например, по существу полусферические). Основной участок 11 по существу цилиндрического контейнера соединяет указанные промежуточные участки 10.
Концевые части 2 снабжены соответствующими группами штуцеров 41, используемых для соединения аппарата 1 с внешними схемами и/или компонентами.
Штуцеры 41 обеспечены парами симметрично относительно оси Х, так что штуцеры 41 в каждой паре могут быть избирательно использованы в указанных двух рабочих положениях устройства 1.
Другими словами, штуцеры 41, расположенные на двух концах 7 также симметричны относительно оси Х.
Штуцеры 41, в частности, могут быть использованы для монтажа измерительного устройства 3.
Для простоты на Фиг.3 показаны только две пары штуцеров 41, предназначенных для монтажа измерительного устройства 3, в то время как дополнительные штуцеры 41, используемые для ввода других компонент, таких как, например, выпускной патрубок 12, не показаны.
В каждом рабочем положении аппарата 1 зарядная трубка 19, которая вмещает источник 18, и рабочая трубка 31, могут быть введены в соответствующие штуцеры 41, расположенные на одном конце 7 и в одной концевой части 2, в частности, на конце 7 и в концевой части 2, которые являются нижними в данном рабочем положении аппарата 1.
Когда аппарат 1 переворачивается относительно оси X (например, для продления срока службы аппарата 1), противоположный конец 7 также имеет штуцер 41 в тех же самых позициях, необходимые для монтажа измерительного устройства 3; в этой связи измерительное устройство 3 можно смонтировать без модификации контейнера 4.
Наконец, очевидно, что можно выполнить дополнительные модификации и предложить варианты описанного и проиллюстрированного здесь измерительного устройства, не выходя за рамки объема прилагаемой формулы изобретения.