过程控制中质量流量的精确测量

      精确的质量流量测量带来的好处

      对流量的测量是有很多选择的。选择合适的流量计其中一项关键的因素就是在仪表应用中测量的精确性。为满足化工流量控制中对高精确性的要求，科氏质量流量测量技术应该是首选。质量流量测量的精确性有三大优势：

      ● 保证产品质量

      只有合乎规格的产品才能转入下一个生产工艺或者卖给客户。一般来说，不合规格的产品只能作以下三种处理：（1）重新混合回成品中，（2）重新加工，然后混合到成品中，（3）丢弃。这三种情况都会造成对时间，人工及原材料的浪费。降低不合格产品率可以直接降低成本，增加生产能力，提供利润率。

     ●  提高原料产出率

      在化工控制中，最高的成本部分就是原材料的成本。如果过程生产能够在尽可能高的准确性的条件下进行，那么原料浪费会降到最小，利用率达到最高。相应的就会减少成本，提高利润率。

      ● 提高系统的稳定性

      这一点是以上几个优势的必然结果。系统的稳定性能长时间内保证产品质量，并且可以避免过程条件变化所造成的影响。精确的质量流量测量技术使得系统更稳定，也能用质量守恒原理来进行过程控制。在有些情况下质量流量技术能够替代其他的依靠分析测量的控制技术而进行精确测量，尤其是对于那些高粘度的液体，他们会造成探头及传感器堵塞。这样就增加了系统的可靠性，也就提高了工厂的利润率。

      质量流量计到底有多精准？

      我们有时候会忽略了对流量测量装置的预期以及这些装置满足我们预期的能力。下面的案例解释了科氏质量流量计在一个真实情况下的精准程度。

      作者曾经参与了一个化工装置的安装调试，那是一个用降膜发生器通过气体/液体反应来生成产品的装置。在整个过程中，气态原料一直保持恒定的条件，通过调节液体原料来控制反应。正常的流量是3200kg/hour。由于没有在线分析条件来持续测量产品质量，所以只能定期采集样品送到控制实验室进行分析。实验室的分析数据用来判断过程是否合乎要求，是否需要对过程状态进行调节。

      假如一个变量略微超标，相应地流量变化就会达到正负3kg/hour。等到分析确定了以后产品质量都已经出了问题。后来，使用了科氏质量流量计来进行测量，并用控制系统进行控制，我们发现通过这一方法，液体流量可以控制到0.09%，这一数字相当于1/4 杯（60 毫升/分钟）的精度，相当于对介质进行逐滴的测量/控制。

      化学反应中的应用

      随着压力及温度的变化，流量的控制对保证高质量的合成产品变得至关重要。对连续反应来说，最重要的是控制流量。对分批反应来说，数量是最关键的因素。然而在一些分批的反应中某种反应物需要持续地加入，因此流量的控制依然是非常重要的。

      一般来说，反应物不可能完全按照化学计量平衡来进行添加。相反地，我们会将其中一种原料多添加一些以便于能达到最适宜的反应。

      反应物之间的比例叫做摩尔比。例如，一摩尔的A反应物（摩尔量255）与一摩尔的B反应物（摩尔量85）进行反应，在摩尔比是1.03 情况下流量应该是：

      A 反应物1.03 x 255 = 262.65 单位质量/时间
      B 反应物1.00 x 85 = 85 单位质量/时间

      一般来说我们会控制到百分之一的摩尔比，但有些厂家也会把摩尔比控制到千分之一。

      案例研究①：摩尔比的重要性

      以下案例可以说明为什么严格控制摩尔比如此重要。

      一台餐具清洁剂的生产设备，混合容器的容量是10，000加仑。在生产一种特定的清洁剂时我们发现原料经常会在混合容器中凝结。清理混合容器的人工，原材料，运输处理以及耽误的生产时间所造成的损失高达几十万美元。

      公司的技术研究部门受命调查是什么原因引起的产品凝结。经过长时间的调研终于发现问题是出在一种表面活性剂上。这种活性剂是由一套新购买的设备生产的。技术部门发现在硫酸盐化作用的时候会发生副反应。他们还发现当他们将摩尔比从1.01提高到1.02的时候这种副反应就会消失。因此他们在生产过程中对原料的摩尔比做了调整，这样就解决了以前的问题。

      案例研究②：批量生产

      如我们之前所提到的，在批量反应中最重要的因素应该是原材料的累加量，而不是瞬时流量。许多以前的老设备都是用磅秤来测量原料的量。磅秤对粉状的原料来说是一种很好的测量方式，但是，它也有几个不足：

      ● 因为是用秤测量，每一批原料都需要分次分批称量。这比较耗时，会限制进程，特别是对于需要混合的过程来说会受到影响。
      ● 称量时不仅要称原料，还要称量容器，可能还有搅拌器以及其他一些物体，这样使得称量数量很少的物质时（比如少于100lbs）很困难。
      ● 如果没有充分的机械隔离，测量结果很可能会受到机械应力的影响。
      ● 磅秤需要每6~12月校验一次。

      鉴于上述的限制，有不少批次测量生产线将磅秤换成了科氏质量流量计。下面的例子进一步解释了由此带来的好处。

      一家应用批次测量的化工厂商决定升级整个系统，更换新的仪表，阀门以及控制系统。其中用科氏质量流量计替代了磅秤。在系统更新之前，生产线的产品质量达标率只有85%，操作人员也坚信85%的合格率是行业标准，没办法作更大的改进了。而在系统更换成新设备投入运行以后，第一批次的成品就合格！据操作人员说，在工厂历史上这是头一次在停工以后首批次产品就达到质量要求。一个月的试运行以后，批次合格率已经达到了90%。由于其中很多误差都是为了克服原来的控制系统而对过程进行了调整，因此我们认为批次的合格率还能进一步提高。随之操作人员结合新的控制系统和原材料投入量配合进一步提高了系统合格率。

      案例研究③ ：稳定的过程控制

      稳定的过程控制是指生产单位能够在要求时间内持续稳定保证合格产品生产的能力。而高精度的流量计是能确保系统稳定性的一个重要因素。下面两个例子说明这一点。

      作者曾经参与了组建一个投资几百万美金的化工厂。生产过程的最后一步是持续的中和过程，用以把一种酸性的介质中和成中性PH值的物质。控制PH值非常关键，这是因为如果容器的PH值处于7以下那么最终产品将变回到原来的酸性物质。产品的规格要求PH值略微高于7，因此需要将碱的投入量控制在略微过量的水平。

      在原来的设计中工业控制标准是这样的：有一个递阶控制系统，用测量的产品PH值控制碱的流量。然而，在试运行时我们发现高粘度的流体（大约在15000厘泊）很快就会在PH值探头上附着，从而使得测量值偏差。自从质量流量计安装在中和器的上流以后，过程控制就开始采用质量平衡控制方案。这种控制方案是保持酸性介质和碱的流量在一个固定的比例。这个比例是经过计算确定下来以保证碱的过量投放。

      这种新的控制方案工作得非常好，保证了设备长时间的运行而不用担心由于PH值的测量误差造成产品质量的不稳定。

      另外一个例子和批量控制有关，在批量控制的过程中需要持续控制反应的PH值。在整个过程中，需要把PH值从高酸度的状态调整到高度中和状态。为了控制PH值状态，在整个过程中硫酸和氢氧化钠都需要多次加入。

      原有的PH值控制方案是在PH值探头附近增加一个细管来控制用称重法测量的硫磺酸和氢氧化钠的添加量。但这样只能对照实验室PH 读值进行取样检验，而不能对一个批次的产品进行实时测量，而且增加了人工，还有为了校正PH值而过量投入原料。就算增加取样的次数也于事无补。

      后来我们采取了两项措施：在硫磺酸和氢氧化钠流量管上安装科氏质量流量计取代了称重系统；PH值控制方案由以往的PH值反馈闭环控制改成了理论值质量平衡控制。为了保证持续生产，仅仅作定期的批次调整。免除了所有由过程误差引起的调整。

图1 混合应用中的准确性

      还有一个额外的好处就是工厂的生产能力也得以大幅度提高了。这个过程是在一个稀释的环境下进行的，原来只能得到7%的浓缩产品。其中一个影响最终浓缩产品量的关键因素是反应过程中大量的泡沫。而新的PH 值控制方案大量地减少了泡沫，从而使得最终产品浓缩液产量达到14%。原本工厂打算再投资数百万元来扩建一个反应器，而现在由于产品产能提高了一倍，所以扩建就不用了。

      在混合应用中的准确性

      尽管很多化工行业的生产厂商都在参与反应的过程控制中大量地应用了高精度的流量计量方式，但是他们大多在混合应用中并不大看重精度。这中情况在持续混合以及批次混合操作中都存在。在大多数情况下，用户都采用低精度的测量方法。在批量混合中，有时候甚至采用称重方法来控制数量。这样做使得产品的品质变化较大，并且也会造成不必要的浪费。

      对于混合过程来说，不论它是对专业的化学产品还是消费品都能借助在过程中应用高精度的测量，同时设计相同标准的工艺来带来收益。“Squeeze and shift”技术为使用高精度测量带来的收益提供了一个案例。如下图1所示，混合产品中的一个成分必须一直都高于最小的数量要求。锁定流量（减少流量的变化），允许在这种成分的最小数量以上的将标准点移动到较低的水平。这样就减少了原料的浪费，提高了产量。

      经济上的收益

      尽管由精确流量测量所带来的成本节约的数量因不同应用和行业而异，但是一般来说投资于科氏质量流量计所带来的回报会在不到一年的时间就得以体现。

      下面的例子解释了在持续流量应用中每年的成本节省。这里只对0.1% 和0.5%两种精度进行分析。这个例子假设一种原料的价格是每磅一美元，每周7天，每天24小时生产，一年中有两周的停产时间。

原料价格

原料需要量

原料量节省

每年的节省

$1/lb

5000lb/hour

-0.1%(5lb/hour)
-0.5%(25lb/hour)

$42,000
$210,000

10,000lb/h

-0.1%(5lb/hour)
-0.5%(25lb/hour)

$84,000
$420,000

      下面再对批量应用作一个估算。假定精度提高0.2%和0.8%，一天生产10个批次。

原料价格

原料需要量

原料量节省

每年的节省

$1/lb

5000lb/hour

-0.2%(10lb/hour)
-0.8%(40lb/hour)

$35,100
$140,000

10,000lb/h

-0.2%(5lb/hour)
-0.8%(25lb/hour)

$70,200
$280,800

      获取收益

      尽管安装高精度的科氏质量流量计比较简单，但是对任何项目来说正确的选型，合乎技术要求的安装也是必要的。不论是在现有设备中安装新表还是建立一套新的设备，以下几点步骤是应该遵循的。

      1. 概念性以及前端工程设计
      2. 详细的设计
      3. 安装，调试，试运行

      任何试图减少以上步骤都可能导致包括测量及控制不准或者调试和试运行时间加长等不良后果。

      以下是一个由于不良安装造成问题的案例。作者曾经被邀请对一个纺织厂的化学准备区进行调研。连续的喷淋作为纺织设备的一部分，是把织物弄湿以备下个工艺或者染色来用。这种特别的化学药品的喷淋是在一个容器中通过批量混合而成的。在设备安装过程中，工厂的业主没能遵循工程的每个步骤对化学品区进行设计安装，他在没有真正的设计条件下只是雇佣了一个当地的安装公司对四个混合容器进行安装并连接了管线。

      在设备试运行以后，化学品区就出现了不合格品质以及不稳定的混合物。经过调查以后在这里发现了几个设计上的失误，包括对测量流量的涡轮流量计的错误安装和应用。尽管涡轮表具有高精度，但是就像其他流量表一样也需要正确的安装。而在这个案例中他们选用了一个太大的表，并且在安装中也没有足够的前后直管安装。另外，还有多项流。涡轮表必须针对流量条件和介质情况进行校验才能发挥其高精度！

      最后，工厂重新更换了工程系统，用上了科氏质量流量计。因为科氏质量流量计比涡轮表有较少的安装应力。这以后，化学品区立即就生产正常，混合物的品质得以保证同时也保证了织物的质量。

      总结

      高精度的流量测量对反应过程以及混合过程来说都是很重要的。精确的流量测量能够对原材料进行严格的控制因此保证了产品品质。精确的流量测量还能增加原料的产率减少浪费，由此也降低了设备的运行成本。科氏质量流量计能够对不同流体进行精确测量的特性提高了过程控制的稳定性。高精度的流量表所具有的对品质严格的控制性为混合过程节省了大量的成本。

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      本文的出版仅以提供信息为目的，本文力求叙述精准，但无论是明确地还是隐含地，都不能把本文的内容作为依据与凭证来分析这里所提及的产品的使用和适用性。我们保留在任何不作通知的情况下修改或改进设计或规格的权利。