質量流量計的應用

 1 基本原理與主要特點

    科氏力質量流量計的基本原理為：一根兩端固定的薄壁測量管，在中點處以測量管諧振或接近諧振的頻率（或其高次諧波頻率）所激勵，此時，在管 內流動的流體產生科里奧利力，使測量管中點前后產生方向相反的撓曲，撓曲的大小與流體的質量流量成正比。因此，用光學或電磁學的方法檢測測量管的撓曲量， 就可以求得管內流體的質量流量。

    科氏力質量流量計的主要特點為：①直接測量質量流量，有很高的測量準確度；②測量值不受流體特性（密度、粘度）等的影響；③可測量各種非牛頓流體及含微粒的漿液；④可做多參數測量，如溫度、密度等。

    2 在精細化工生產中的應用探討

    下面我們結合工程實例，來探討科氏力質量流量計在精細化工生產中的應用。

    2.1 在光氣生產中的應用

    海利化工股份有限公司的主要產品是氨基甲酸酯類農藥，在此類農藥的生產中，光氣生產是極其重要的一個環節，光氣的濃度含量及其穩定程度在氨 基甲酸酯的合成中有著舉足經重的地位。光氣的生產過程如下：液氯經過汽化器變成氣態氯，氯氣與一氧化碳氣體按比例進入混合器，混合后的氣體在催化劑的作用 下經過一、二級反應器便生成光氣。在此過程中，如何控制氯氣與一氧化碳氣體按一定的比例進入混合器，是提高光氣生產質量的重中之重。為解決此問題，海利化 工股份有限公司下屬的貴溪農藥公司在2007年5月進行的DCS改造中，在這個工段采用了比值控制，其原理結構如圖1所示。

圖1 混合氣壓力自動調節及CL2—CO比值控制系統圖

    這里用氯氣的流量來控制一氧化碳的流量。先用混合器上的壓變PI-201控制氯氣管道上的調節閥PV-201來調節氯氣的流量以保證混合器 壓力正常；然后在比值器中輸入合適的比值，比值器會根據氯氣流量計FI-201和一氧化碳流量計FI-202的流量值，自動調節控制閥FV-202的開 度，使氯氣與一氧化碳按照設定的比值流量進入混合器。

    上述調節方案在原理上是正確的，但是在裝置開車后，根據筆者的觀察和現場工藝人員的反饋，實際情況不太理想。光氣含量在上比值控制前是 62%左右（依賴于現場工人控制玻璃轉子流量計手動調節閥），用了比值控制后，含量在60%～75%之間波動，光氣濃度很不穩定，對后面的酰氯合成工藝造 成了較大的困擾。因此，在使用了三個多月以后，這套比值控制系統被棄用，操作工人又改回了以前的手動操作。

    筆者認為以上情況出現的原因是流量計的選型問題。這套裝置選用的是北京菲舍波特儀器公司生產的VT5000型渦街流量計，這種流量計的特點 是帶溫度和壓力補償，讀數穩定準確度高，運行可靠。但是現場的氯氣與一氧化碳氣體壓力過低，正常時氯氣與CO的壓力在1.5～2kg左右，氯氣因是鋼瓶液 氯汽化而來，在鋼瓶內液氯快用完時，壓力會明顯降低，有時會低到0.5～0.7kg；由于煤氣工藝的原因，煤氣壓力也時有波動，有時會降至1.0kg左 右。在如此之低的壓力下測量氣體，即使帶了溫壓補償，渦街流量計也是有心無力。在現場我們用萬分之一的高精度電子秤測量氯氣鋼瓶的汽化量，和氯氣流量計的 累積流量相比較，發現誤差達到30%之多。

    由此可見，低壓氣體的準確測量是一個技術難點，用體積式流量計明顯不合適，只能考慮使用質量流量計。質量流量計分為2種：熱式質量流量計和 本文所述的科氏力質量流量計。從原理上來說，熱式質量流量計適合測量低壓氣體，但是其精度不高，生產廠家保證其誤差值在5%～8%之間。工藝專業給流量計 提的要求是精度為1.0左右，否則光氣含量難以有大的提升。因此，筆者擬使用科氏力質量流量計：這種流量計早期只能用來測量液體和高壓氣體，且儀表自身的 壓力損失較大。但是隨著技術的發展，其中的一些高端品牌已經具備測量低壓氣體的能力。經過篩選，筆者選擇了艾默生高準公司（MicroMotion）的 CMF系列科氏力質量流量計，它采用了MVD（多變量數字技術）、獨特的大彎管結構以及其他一些旨在提高信噪比的技術，可以勝任低壓氣體的測量。在本例的 工況下，通過計算得出：采用高準公司的CMF質量流量計，最大壓損為0.15kg，測量數據可重復性為97%，完全符合我們的使用要求。購買后安裝在管道 上試運行時，筆者又用高精度電子秤進行了校驗，實際使用誤差為0.8%，完全符合工藝專業提出的精度要求。重新啟用DCS的比值控制回路，系統運行穩定， 光氣含量一直保持在84%左右，徹底解決了光氣生產中存在的這個瓶頸問題，大大減輕了操作工人的勞動強度，減少了物料消耗。

    2.2 在生產流程中作為在線密度計的應用

    由前文所述得出：由于科氏力質量流量計的測量管以一定的頻率連續振動，當一定密度的流體流過測量管時，測量管的振動頻率會發生相應的變化， 這個頻率是流體密度的函數，與流體密度有著唯一的對應關系，通過測量流體流過測量管時的頻率即可獲得流體的密度。因此，科氏力質量流量計可以同時測量流體 的質量流量和流體密度。根據這一特性，可以將其作為在線密度計使用。與其他的在線密度計，如音叉式密度計、差壓式密度計、超聲波式密度計等相比較，它具有 測量精度高、運行穩定、壓力損失較小等優點，下面以實例來介紹其作為在線密度計在精細化工生產中的應用。

    海利貴溪農藥公司于2011年7月完成了甲基硫菌靈（簡稱甲托）的技術改造項目。此項目中，有一個工藝步驟是用泵將溶劑—外購的乙酸乙酯從 溶劑儲罐輸送到甲托合成釜中，輸送管道上設一流量計，達到累積流量后DCS聯鎖停泵。由于外購的乙酸乙酯中不可避免的含有水分，而水對甲托合成的品質有很 大的消極影響，所以，如何避免水進入甲托合成釜就成了一個關鍵問題。乙酸乙酯相對水的密度是0.902，所以在溶劑儲罐中乙酸乙酯與水是分層的。因為是技 改項目，溶劑儲罐利舊，沒有多余的設備口來安裝界面計，于是筆者在自控設計中，采用了一臺科氏力質量流量計作為在線密度計，同時顯示溶劑的質量流量與密 度，其原理如圖2所示。