CN220490615U - 一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及密度测量技术领域，具体为一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，包括取样装置、测量装置、清洗装置和PLC控制系统，所述取样装置分别和清洗装置的反冲水管以及工艺介质管道连通；所述测量装置设置在取样装置内部，用于测量取样装置内部工艺介质的密度，所述清洗装置用于通工艺水清洗取样装置和测量装置；所述PLC控制系统分别和取样装置、测量装置、清洗装置电性连接。该系统从根本上解决了高含固、强腐蚀、强磨蚀浆状介质的密度在线自动检测的技术瓶颈难题，即不受测量装置(浮筒等)腐蚀、结垢等导致体积、重量变化而影响工艺介质密度测量的精准性。解决了湿法磷酸工业生产装置自动化控制的行业技术难题。

Description

一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统

技术领域

本实用新型涉及密度测量技术领域，具体为一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统。

背景技术

针对湿法磷酸工艺中，需要对生产过程中涉及的主要介质浓磷酸、稀磷酸、渣酸的密度参数进行实时测量和控制，快速、准确检测并有效控制浓磷酸、稀磷酸、渣酸的密度工艺指标，对生产装置稳定运行和精益化生产、降低生产成本显得尤为重要。

因受湿法磷酸介质强腐蚀、易磨损、易结垢、易堵塞等客观因素的制约，一般密度测量方法都不能长期正常测量、稳定运行。目前国内外湿法磷酸工艺中主要介质浓磷酸、稀磷酸、渣酸的密度参数，都采用人工取样、人工分析的方法提供测量结果。分析测量周期为12～24小时不等，存在着分析测量周期长、分析结果不稳定、费时费力等种种弊端，同时还存在着操作过程中的安全风险。

针对单一组份液体介质和一般性工作条件，要实现对其密度的自动检测的方法方式非常多。在湿法磷酸工艺中，需要对生产过程涉及的浓磷酸、稀磷酸、渣酸等主要介质的密度参数进行实时测量和控制。因这类介质固有的强腐蚀、易磨损、易结垢、易堵塞等客观因素的制约，多年来采取的众多测量实践和方法尝试，往往都以失败告终。

基于此，急需设计一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，以解决工业化湿法磷酸生产工艺过程中涉及的高含固、强腐蚀、易磨损液态介质密度的在线自动检测，这也是湿法磷化工行业的自动检测技术难题。

实用新型内容

针对背景技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，包括取样装置、测量装置、清洗装置和PLC控制系统，所述取样装置分别和清洗装置的反冲水管以及工艺介质管道连通；所述测量装置设置在取样装置内部，用于测量取样装置内部工艺介质的密度，所述清洗装置用于通工艺水清洗取样装置和测量装置；所述PLC控制系统分别和取样装置、测量装置、清洗装置电性连接。

可选的，所述取样装置包括测量筒，所述测量筒上下两端分别设置有进口一和出口一，所述测量筒的上下两侧分别设置有出口二和进口二；所述进口二和渣酸管道连接；所述出口二连接有溢流管道，所述出口一连接有排空管道，所述排空管道上设置有D03二位自动阀，所述排空管道和溢流管道连通。

可选的，所述测量装置包括浮筒、高精度智能传感器和固定铆点，浮筒的顶端通过连接组件与高精度智能传感器的下端相连，成一体后通过高精度智能传感器的上端稳定悬挂在固定铆点上；所述浮筒竖直安装在测量筒的空腔中。

可选的，所述清洗装置包括工艺水管，所述工艺水管分成两路，分别为清洗管一和清洗管二，清洗管一连接至测量筒的进口一，清洗管二连接至测量筒的进口二。

可选的，所述渣酸管道上依次设置有手动截止阀、D01二位自动阀和D02二位自动阀，所述清洗管二连接在D01二位自动阀5和D02二位自动阀6之间的渣酸管道上。

可选的，所述清洗管二上依次设置有管道泵、压力变送器一和D07二位自动阀。

可选的，所述清洗管一上设置有D05二位自动阀。

可选的，所述工艺水管上依次设置有压力变送器二和截止阀。

可选的，所述溢流管道连接至生产系统回收。

可选的，所述浮筒设置为圆柱形状。

本实用新型具有如下优点和有益效果：

一、本实用新型可以实现湿法磷酸生产工艺过程中高含固、强腐蚀、强磨蚀浆状介质的密度在线自动检测，检测结果自动显示、存贮、传输，为大型湿法磷酸装置稳定运行、精益生产和原材料消耗控制、能耗控制提供关键技术支持，推进装置自动化、智能化控制水平提升。解决了湿法磷酸工业生产装置自动化控制的行业技术难题。

二、本发明设计的密度检测系统，通过测量筒、浮筒等结构的设置，以及测量筒和工艺介质以及清洗介质的连通，可以清洗净测量筒、浮筒，并利用专用的公式计算工艺介质密度，思路新颖，设计精巧，从根本上解决了高含固、强腐蚀、强磨蚀浆状介质的密度在线自动检测的技术瓶颈难题，即不受测量装置(浮筒等)腐蚀、结垢等导致体积、重量变化而影响工艺介质密度测量的精准性。

三、该可以有效替代分析人员，提高分析效率。缩短了测量周期，消除人为干扰因素。分析结果准确性高，重复性好。并从根本上消除了人工作业存在的安全风险。

四、本系统可广泛应用于其它类似化工工业生产工况高含固、强腐蚀、强磨蚀浆状介质的密度在线自动检测的领域，具有积极的现实意义和推广应用价值。

附图说明

图1为本实用新型提供的密度自动检测系统的控制原理图；

图2为本实用新型提供的测量装置的测量原理图；

图3为本实用新型提供的测量装置的受力分析示意图；

图4为本实用新型提供的密度自动检测系统的工艺流程图；

图5为本实用新型提供的取样单元的组成示意图；

图6为本实用新型提供的测量单元的组成示意图；

图7为本实用新型提供的清洗单元的组成示意图；

图8为本实用新型提供的测量装置和取样装置通入工艺水测量的示意图；

图9为本实用新型提供的测量装置和取样装置通入渣酸测量的示意图；

图标：1-清洗装置，2-取样装置，3-测量装置，4-PLC控制系统，5-浮筒，51-连接组件，52-高精度智能传感器，53-固定铆点，6-工艺水管，61-压力变送器二，62-截止阀，63-清洗管一，64-D05二位自动阀，65-清洗管二，66-管道泵，67-压力变送器一，68-D07二位自动阀，7-渣酸管道，71-手动截止阀，72-D01二位自动阀，73-D02二位自动阀，8-测量筒，81-进口一，82-出口一，83-出口二，84-进口二，85-排空管道，86-D03二位自动阀，9-溢流管道。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，包括取样装置2、测量装置3、清洗装置1和PLC控制系统4。

取样装置2分别和清洗装置1的反冲水管以及工艺介质管道连通；测量装置3设置在取样装置2内部，用于测量取样装置2内部工艺介质的密度，清洗装置1用于通工艺水清洗取样装置2和测量装置3。PLC控制系统4为在线自动检测系统的控制中枢，包括PLC系统硬件(包括PLC控制器、存在器、触膜屏、I O/DO卡件、UPS电源、控制柜等)和实现此技术方案专门开发的控制程序及相关软件。PLC控制系统4分别与取样装置2、测量装置3、清洗装置1通过电性相连接，完成相关控制功能。

工作原理、及操作程序简述：

一是清洗装置1采用工艺水清洗取样装置2、测量装置3和反冲洗取样口，保持取样装置2的清洁、畅通。清洗完成后放干净洗水。

二是清洗装置1往测量装置3灌满清水，完成清水密度测量，获取F_W值。完成测量后放干净清水。

三是取样装置2从连续生产运行的工艺系统中取出生产介质(样液)，通过测量装置3完成介质(样液)密度测量，获取F_PA值。完成测量后放干净介质(样液)。

四是清洗装置1采用工艺水再次清洗取样装置2、测量装置3。清洗完成后放干洗水。

五是PLC控制系统4根据两次测量获取的F_W值、F_PA值，作“专用算法”运算处理，输出介质(样液)密度的最终测量结果。

系统根据设定周期作上述循环运行。

具体的系统组成如图2-7所示：

取样装置2包括测量筒8，测量筒8上下两端分别设置有进口一81和出口一82，测量筒8的上下两侧分别设置有出口二83和进口二84；进口二84和渣酸管道7连接；出口二83连接有溢流管道9，所述出口一82连接有排空管道85，所述排空管道85上设置有D03二位自动阀86，所述排空管道85和溢流管道9连通，溢流管道9连接至生产系统回收利用。其功能是按要求在测量筒8内完成自动取样。

如图2、图4所示，测量装置3包括浮筒5、高精度智能传感器52和固定铆点53，浮筒5的顶端通过连接组件51与高精度智能传感器52的下端相连，成一体后通过高精度智能传感器52的上端稳定悬挂在固定铆点53上；浮筒5竖直安装在测量筒8的空腔中，并保持自由悬空和相对静止状态。

清洗装置1包括工艺水管6，工艺水管6分成两路，分别为清洗管一63和清洗管二65，清洗管一63连接至测量筒8的进口一81，清洗管二65连接至测量筒8的进口二84。

进一步的，渣酸管道7上依次设置有手动截止阀71、D01二位自动阀72和D02二位自动阀73，所述清洗管二65连接在D01二位自动阀72和D02二位自动阀73之间的渣酸管道7上。

进一步的，清洗管二65上依次设置有管道泵66、压力变送器一67和D07二位自动阀68。

进一步的，清洗管一63上设置有D05二位自动阀64。

进一步的，工艺水管6上依次设置有压力变送器二61和截止阀二62。

由取样装置2送过来的测量样液，从测量筒8的下部进口二84进入测量筒8的空腔内，再由测量筒8的上部出口二83溢流口流出，收集后反回生产系统。测量筒8的底部出口一82和排空管道85连接，排空管道85与返回系统的溢流管道9相连，用于排放洗水、遗样。

清洗装置1的作用，一是及时清理测量装置3的过流系统先清洗干净(D02二位自动阀73、D03二位自动阀86、测量筒8、以及相关管道等)，二是对取样口进行反冲洗，避免堵塞，减缓结垢，降低腐蚀速度。

实施例1

工业化30万吨/年湿法磷酸生产装置的产品为工业肥料级湿法磷酸生产过程中，对经过陈化、沉降、分组后所产生的渣酸的控制，直接影响着磷酸产品质量、磷资源消耗控制，还是直接关系到装置生产经济性的关键工艺控制指示。采用本技术方案就可以实现在线自动检测萃取渣磷酸的密度。

湿法磷酸生产过程中的类似渣酸介质，存在以下不可忽略的干扰因素：沉降速度快、容易堵塞、容易结垢、会堵塞管路；腐蚀性强、磨损严重、腐蚀、磨损过流件；介质固相物粘染、晶体结垢、腐蚀、磨损等因素，都会造成测量浮筒5的体积、重量的改变。

本实用新型中，针对该系统的技术方案，专门开发了一套专用补偿算法软件：针对湿法磷酸生产过程中的渣酸介质密度或比重的在线测量，专门设计开发了专用补偿算法软件，以消除介质结垢、腐蚀、磨损等干扰因素的影响，确保在测量浮筒5的体积、重量发生改变时不影响装置正常运行，并确保测量准确性。

“专用补偿算法”设计的具体思路是：采用同一测量装置3对水和渣酸介质的密度分别进行测量，取得测量值后再用“专用补偿算法”进行处理，最终得出准确的测量结果。操作步骤如下：

第一步是将测量装置3的过流系统先清洗干净(主要是D02二位自动阀73、D03二位自动阀86、测量筒8、以及相关管道等)，清洗完成后放干清洗水；

第二步是保持测量装置3的过流系统内无介质(即测量筒8内无介质)并处于平衡状态下，自动测量传感器受力F(Gravity)或F_G。

第三步是将测量装置3的过流系统灌满清水(如图8所示)并处于平衡状态下，自动测量传感器受力F(water)或F_W。测量完成后放干清水。

第四步将测量装置3的过流系统灌满渣酸(如图9所示)测量介质并处于平衡状态下，自动测量传感器受力F(Phosphor ic Acid)或F_PA。

第五步是PLC控制系统4自动依据自动测量到的传感器受力F_G、F_W、F_PA，并采用专用公式：ρ_PA＝(F_G-F_PA)/(F_G-F_W)，准确计算出渣酸的密度ρ_PA值。

第六步是将测量装置3的过流系统先清洗干净(阀门、测量筒8、管道等)。清洗完成后放干清洗水等待下一测量周期指令。

测量装置3过流系统分别处于三个平衡状态的分析如下：

当保持测量装置3处于过流系统内无介质的平衡状态下，测量浮筒5及连接件垂直方向受力情况如下(如图2所示)：

∑(F₁+F₂+F₃)＝0+F_G-W_x＝0

F_G＝W_x (1)

当测量装置3处于过流系统灌满清水介质的平衡状态下，根据前述公式(4)，水的密度ρ_w为：

ρ_W＝(Wx-F_W)/(gVx) (2)

当测量装置3处于过流系统灌满渣酸测量介质的平衡状态下，根据前述公式(1)，渣酸的密度ρ_PA为：

ρ_PA＝(W_x-F_PA)/(gV_x) (3)

将上述式(1)分别代入式(2)、式(3)进行运算，当ρ_W＝1.000g/cm3，可得到以下式：

ρ_PA＝(W_x-F_PA)ρ_W/(W_x-F_W)＝(F_G-F_PA)ρ_W/(F_G-F_W)

ρ_PA＝( F_G-F_PA)/( F_G-F_W) (4)

d_PA＝( F_G-F_PA)g/( F_G-F_W) (5)

以上式中：

F₁—浮筒5受到的浮力；

F₂—连接组件51受到的向上的拉力；

F₃—浮筒5、连接组件51受到的重力；

F_G—系统内无介质的平衡状态下传感器测量到的向上拉力；

F_W—系统内灌满清水介质的平衡状态下传感器测量到的向上拉力；

F_PA—系统内灌满渣酸介质的平衡状态下传感器测量到的向上拉力；

W_x—浮筒5、连接组件51自身的重力；

V_x—浮筒5的有效体积；

ρ_w—校准清水的密度；

ρ_PA—测量介质渣酸的密度；

dw—校准清水的比重；

d_PA—测量介质渣酸的比重；

g—重力系数，其值为g＝9.8N/kg。

从上述推算可知：通过自动测量数据和专门程序运算处理，自动测量得到的渣酸密度ρ_PA或d_PA比重测量结果，不受浮筒5、连接组件51自身的重力W_x和浮筒5的有效体积V_x变化的影响。此测量方法，完全可以消除浮筒5结垢、腐蚀、磨损等干扰因素的影响，确保在测量浮筒5的体积、重量发生轻微改变时不影响装置正常运行，并确保测量准确性。

更进一步的，浮筒5设计的合理性非常关键，直接决定着测量装置3检测精度、稳定性的关键因素。首先，是浮筒5的设计形状应确保其在流体中保持相对稳定的状态。液体流动状态发生一定的变化过程中，对浮筒5的冲击应是最小的。其次，是浮筒5的设计体积应确保测量精度、灵敏度。要结合高精度智能传感器52的性能来选择。再次，是确保满足正常测量所需的样液一限值要合理，并且这个值越少越好。综合上述因素，优化的设计思路应是：浮筒5首先圆柱形状，其横截面直径为20～40mm左右为宜，体积推荐400～800mL为宜。具体应结合实际需求和生产工况进行设计、优化。

更进一步的，高精度智能传感器52的性能十分关键，是直接涉及到测量装置3检测精度、稳定性的送件设备，其测量精度应优于0.2％级，具有较高稳定度。推荐的供电电源为24VDC,输出信号为4～20mADC或其它标准信号,直接送PLC控制系统4运算处理。

更进一步的，系统装置运行方式应结合具体需求和生产工况实际进行选择、优化。首先，对于测量介质密度相对较偏低，流动稳定性相对较好，不易结垢、堵塞的应用工况，以及测量频次要求相对较高的需求，可以选择“连续方式”运行，即:连续测量、定期清洗的运行方式。另外，对于测量介质密度相对偏高，流动稳定性相对较差，非常易结垢、堵塞的应用工况，以及测量频次要求相对较低的需求，可以选择“间歇方式”运行，即:间歇测量、及时清洗的运行方式。

更进一步的，清洗单元定期对测量装置3的过流系统(阀门、测量筒8、管道等)进行清洗，避免堵塞，减缓结垢，降低腐蚀速度。清洗水与测量遗样液全部返回生产系统，采取了可行防范措施避免对环境造成污染。

更进一步的，针对工业化高浓度湿法磷酸生产工艺的介质，具有极强的腐蚀性，很容易结晶、结垢，对自动取样装置2所选用的设备及管路的防腐蚀、防结晶、防堵塞性能要求极高。材质首选304、316、316L、310S、聚四氟乙烯、工程塑料等高耐腐蚀材料。在满足实际生产控制需求的前提下，宜采用“间歇方式”运行，最大限度减少测量装置3的过流系统(阀门、测量筒8、管道等)与防腐蚀介质的接触时间，延长其使用周期。每次取样完成后，启动清洗程序对相关测量装置3的过流系统(阀门、测量筒8、管道等)进行清洗，消除对下一次测量的干扰，有效减轻进样系统的腐蚀。

实施例2～7

工业化30万吨/年湿法磷酸生产装置的产品为工业肥料级磷酸(浓磷酸)，在其生产过程中，有多个中间产品需要在线测量密度。在这几个实施例的密度测量装置构成、工作原理、操作过程与“实施例1”相同，只是将其测量范围设计进行优化、安装方式根据现场实际作相应调整，均可以实现密度在线自动测量，为产生运行控制提供实时检测数据、调整依据。主要有：

过滤工序产出的中间产品——过滤稀磷酸，拆P₂O₅含量为26％左右，含固3.0％左右；

过滤稀磷酸经过陈化、澄清后送浓缩工序的中间产品——浓缩原料稀磷酸，拆P₂O₅含量为26.5％左右，含固1.5％左右；

在过滤稀磷酸陈化、澄清过程中分离出的渣酸、淤酸的混合液——稀磷酸渣酸，拆P₂O₅含量为25.0％左右，含固3.0％左右。

经浓缩工序浓缩后的中间产品——浓磷酸，拆P₂O₅含量为47.0％左右，含固6.0％左右；

浓磷酸再经过陈化、澄清后的成品——成品浓磷酸，拆P₂O₅含量为47.0％左右，含固1.0％左右；

在浓磷酸陈化、澄清过程中分离出的渣酸、淤酸的混合液——附产浓磷酸渣酸，拆P₂O₅含量为42.0％左右，含固18.0～24.0％左右。

实施例8～10

工业化60万吨/年DAP磷铵生产装置，生产57％养份、53％养份、55％养份等不同种类的产品时，所需要的原料磷酸为采用成品浓磷酸、渣酸进行混配。在生产过程中，需要对原料磷酸的密度在线测量。在这几个实施例的密度测量装置构成、工作原理、操作过程与“实施例1”相同，只是将其测量范围设计进行优化、安装方式根据现场实际作相应调整，均可以实现密度在线自动测量，为产生运行控制提供实时检测数据、调整依据。

实施例11～14

工业化120万吨/年DAP磷酸二铵生产装置中，萃取工序附产的氟硅酸、浓缩工序附产的氟硅酸、DAP尾吸循环液、磷酸装置尾吸循环液及生产过程中收集到的带悬浮物溶液等介质，需要对不同介质的密度在线测量。这些实施例的装置构成、工作原理、操作过程与“实施例1”相同，只需将其测量范围进行优化、安装方式根据现场实际作相应调整，均可以实现密度在线自动测量，为产生运行控制提供实时检测数据、调整依据。

以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于:包括取样装置、测量装置、清洗装置和PLC控制系统，所述取样装置分别和清洗装置的反冲水管以及工艺介质管道连通；所述测量装置设置在取样装置内部，用于测量取样装置内部工艺介质的密度，所述清洗装置用于通工艺水清洗取样装置和测量装置；所述PLC控制系统分别和取样装置、测量装置、清洗装置电性连接。

2.根据权利要求1所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述取样装置包括测量筒，所述测量筒上下两端分别设置有进口一和出口一，所述测量筒的上下两侧分别设置有出口二和进口二；所述进口二和渣酸管道连接；所述出口二连接有溢流管道，所述出口一连接有排空管道，所述排空管道上设置有D03二位自动阀，所述排空管道和溢流管道连通。

3.根据权利要求2所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述测量装置包括浮筒、高精度智能传感器和固定铆点，浮筒的顶端通过连接组件与高精度智能传感器的下端相连，成一体后通过高精度智能传感器的上端稳定悬挂在固定铆点上；所述浮筒竖直安装在测量筒的空腔中。

4.根据权利要求3所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述清洗装置包括工艺水管，所述工艺水管分成两路，分别为清洗管一和清洗管二，清洗管一连接至测量筒的进口一，清洗管二连接至测量筒的进口二。

5.根据权利要求4所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述渣酸管道上依次设置有手动截止阀、D01二位自动阀和D02二位自动阀，所述清洗管二连接在D01二位自动阀和D02二位自动阀之间的渣酸管道上。

6.根据权利要求5所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述清洗管二上依次设置有管道泵、压力变送器一和D07二位自动阀。

7.根据权利要求6所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述清洗管一上设置有D05二位自动阀。

8.根据权利要求7所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述工艺水管上依次设置有压力变送器二和截止阀。

9.根据权利要求2所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述溢流管道连接至生产系统回收。

10.根据权利要求3所述的高含固、强腐蚀介质密度自动检测系统，其特征在于：所述浮筒设置为圆柱形状。