Jeśli ciśnienie procesowe w ważnym reaktorze zakładu chemicznego nagle wzrasta lub spada w nieoczekiwany sposób, operator systemu z pewnością czuje, jak przyspiesza mu tętno. Co takie zdarzenie oznacza dla bezpieczeństwa systemu i zakładu? Jak wpływa na jakość produktu? Co było przyczyną wystąpienia anomalii? Spojrzenie na wartości pomiarowe, nie tylko z czujników ciśnienia zainstalowanych w reaktorze, ale także z innych sond, może dostarczyć wskazówek. Jeśli jednak temperatura, natężenie przepływu, poziom itp. mieszczą się w granicach normy, przyczyną może być uszkodzenie czujnika.
Ciśnienie w reaktorze nie jest jedynym parametrem mierzonym w przemyśle chemicznym. Monitoruje się również poziom, przepływ masowy, stan filtrów, a wartości te często pochodzą z pomiarów ciśnienia lub różnicy ciśnień. Właśnie ciśnienie, zaraz po temperaturze, jest najczęściej mierzoną zmienną procesową w przemyśle chemicznym i parametrem ważnym zarówno dla bezpieczeństwa, jak i dla jakości produktu. Branża chemiczna stawia jednak trudne wyzwania przed czujnikami z tego obszaru.
Podstawę technologii pomiarowej stosowanej w procesach chemicznych stanowiły zawsze czujniki oparte na metalowych celach. Urządzenia te są zwykle wykonane ze stali nierdzewnej lub innych specjalistycznych stopów wysokiej jakości, zaprojektowanych do użytku w trudnych warunkach przemysłowych. Dzięki solidnej konstrukcji nadają się do zastosowań, w których dominują wysokie ciśnienia i ekstremalne temperatury. Ponieważ warunki procesowe i instalacyjne w przemyśle chemicznym są zróżnicowane, na przestrzeni lat opracowano wiele różnych konstrukcji i technik pomiarowych. Oprócz szerokiego zakresu temperatur i ciśnień, główną zaletę czujników metalowych stanowi ich odporność na ekstremalne warunki. Wadą jest jednak podatność na korozję, gdy membrana procesowa pozostaje stale narażona na działanie agresywnych chemikaliów, oraz nieuniknione starzenie się metalu, co może wyrażać się w wartościach pomiarowych i dryfcie zera. Regularna kalibracja jest koniecznością, aby utrzymać precyzyjne działanie tych urządzeń.
Wytrzymałe i odporne na korozję
Od lat 90. ubiegłego wieku ceramiczne czujniki ciśnienia stanowią interesującą alternatywę dla modeli wykonanych z metalu. Charakteryzują się one wyjątkową odpornością na korozję, co czyni je idealnymi do procesów chemicznych z udziałem agresywnych substancji. Ponadto ceramika zapewnia doskonałą stabilność długoterminową i minimalny dryft, co zapewnia niezawodny pomiar przez długi czas.
"Czujniki ceramiczne mogą być używane do pomiaru ciśnienia w ok. 60 do 70% wszystkich zastosowań chemicznych, zapewniając wyraźne korzyści, ale ich właściwości wciąż nie są powszechnie znane", wyjaśnia Robin Müller, International Product Manager w firmie VEGA.
Dzieje się tak, ponieważ materiał ten jest często postrzegany jako "zbyt kruchy".
"To nieuzasadniona obawa", mówi Robin Müller. "Ceramiczne ogniwa pomiarowe mają znacznie wyższą odporność na przeciążenia niż metalowe. Podczas gdy metalowe membrany mogą nieodwracalnie odkształcać się pod wpływem bardzo wysokiego ciśnienia, ceramiczna membrana po prostu odchyla się, przylega do podstawy, a następnie idealnie wraca do swojej pierwotnej pozycji".
Za stosowaniem czujników ceramicznych przemawiają także inne argumenty. Metalowe cele pomiarowe wykorzystują olej jako medium transmisyjne, które w przypadku pęknięcia membrany może wyciekać do procesu, tymczasem ceramiczne cele pomiarowe są całkowicie suche, tj. nie zawierają oleju wypełniającego. Działają w sposób podobny do kondensatora – elektrody pomiarowe osadzone w membranie i w korpusie, wraz z powietrzem jako dielektrykiem, tworzą pole elektryczne. Nacisk na ceramiczną membranę powoduje niewielkie ugięcie, które zmienia wartość pojemności. Ciśnienie można następnie obliczyć na podstawie fabrycznie skalibrowanej wartości pojemności.
"W przeciwieństwie do membran metalowych, które podlegają zmęczeniu materiału, membrany ceramiczne z natury zawsze powracają do punktu zerowego i dlatego wykazują bardzo wysoką stabilność długoterminową. Z tego też powodu czujniki zazwyczaj wymagają jedynie niewielkiej rekalibracji lub nie potrzebują jej wcale", wyjaśnia Müller. "Jest to szczególnie korzystne w przypadku zastosowań w warunkach wysokiej próżni".
Zaawansowany technologicznie design odporny na trudne warunki
Ceramiczna cela pomiarowa CERTEC firmy VEGA stanowi podstawę dla czujników VEGABAR. W precyzyjnym procesie produkcyjnym, membrana i korpus z ceramiki z tlenku glinu o ultra wysokiej czystości są pokrywane złotymi obwodami i łączone za pomocą szklanego lutu w wysokiej temperaturze, tworząc celę pomiarową.
Blisko dziesięć lat temu eksperci ds. metrologii w firmie VEGA znaleźli sposób, aby skutecznie wyeliminować wcześniejszą wadę ceramicznych czujników ciśnienia, którą wykazywały w porównaniu do metalowych cel pomiarowych – wiązało się to z poprawą odporności modeli ceramicznych na skoki temperatury i wilgoć. Poza pomiarem temperatury procesowej w korpusie, który kompensuje wpływ temperatury na mierzoną wartość ciśnienia, drugi czujnik temperatury, umieszczony z tyłu ceramicznej membrany, pozwala szybciej wykryć nawet najmniejsze zmiany temperatury. Ostatecznie algorytm wbudowany w elektronikę czujnika zapewnia kompensację szoków temperaturowych.'
"Wartości z tego stosunkowo czułego pomiaru temperatury są również dostępne jako oddzielny sygnał i mogą być wykorzystane", mówi Müller.
W zastosowaniach, w których występuje wysoka próżnia lub wodór, czujniki ceramiczne sprawdzają się znacznie lepiej niż metalowe cele pomiarowe wypełnione olejem. Wynika to z faktu, że temperatura wrzenia cieczy spada w próżni, co oznacza, że olej w celi pomiarowej może zacząć wrzeć w temperaturze poniżej temperatury wrzenia atmosferycznego, co z kolei może powodować powstawanie pęcherzyków wewnątrz celi. W zastosowaniach związanych z wodorem w grę wchodzi inny efekt – cząsteczki najmniejszego pierwiastka chemicznego mogą przenikać przez metale, a cienka membrana metalowej celi pomiarowej nie jest wyjątkiem.
"Jeśli wodór dyfunduje przez membranę, wchodzi w reakcję z olejem znajdującym się za metalową membraną. Powoduje to gromadzenie się wodoru, co prowadzi do trwałych niedokładności w wynikach pomiarów", tłumaczy Müller.
Ponadto, wodór łączy się w stali z węglem, powodując wzrost kruchości materiału.
"Nie dzieje się tak w przypadku ceramicznych cel pomiarowych – a nawet gdyby wodór dostał się do celi pomiarowej, nie spowodowałby żadnych uszkodzeń. Ceramiczne czujniki ciśnienia są zatem idealne do stosowania w produkcji wodoru za pomocą elektrolizy, która w przeciwieństwie do poprzednich zastosowań wysokociśnieniowych, działa przy niskich ciśnieniach", mówi Müller.
Druga linia obrony – bezpieczeństwo wobec toksycznych mediów
Innym ważnym obszarem zastosowań w przemyśle chemicznym jest pomiar agresywnych i toksycznych gazów. Wysoki poziom bezpieczeństwa staje się tu szczególnie ważny. Zwłaszcza w przypadku aplikacji z fosgenem, planiści i operatorzy często preferują ceramiczną celę pomiarową i chętnie rezygnują z czujników z wypełnieniem olejowym. Produkty VEGA sprawdzają się tutaj, jak również w aplikacjach, w których występują agresywne kwasy i zasady – z jednej strony dzięki tworzywom sztucznym o wysokiej odporności, ale także dzięki tzw. drugiej linii obrony. Komora pomiarowa i komora elektroniki są oddzielone gazoszczelnym, szklanym przepustem. Specjalista w dziedzinie pomiaru ciśnienia i poziomu oferuje tę funkcję bezpieczeństwa dla urządzeń z serii VEGABAR 82 i VEGABAR 83. Inną interesującą funkcją jest zastosowanie wzmocnionej szczelności układu pomiarowego do pomiaru ciśnienia względnego.
Pomiar różnicy ciśnień stanowi również ważne zastosowanie w pomiarach przepływu, poziomu i ciśnienia w zbiorniku w procesach chemicznych. Jest on wykorzystywany np. do pomiaru poziomu w zbiorniku ciśnieniowym. Powszechnie stosuje się go też do pomiaru przepływu za pomocą kryz albo monitorowania filtrów lub wymienników ciepła poprzez porównanie ciśnienia przed i za nimi. W tym celu zwykle sięga się po czujnik różnicy ciśnień, którego cela pomiarowa jest podłączona do procesu za pomocą rurek impulsowych.
"W codziennej pracy rurki impulsowe ciągle jednak sprawiają problemy", zauważa Robin Müller.
Przykładowo, zimą ciecze lub kondensat mogą zamarzać w rurkach i blokować je. W przypadku rurek impulsowych wypełnionych cieczą, pomiar może być niedokładny z powodu wnikania gazu – ponieważ w przeciwieństwie do cieczy, gazy są ściśliwe. VEGA rozwiązuje ten problem poprzez zastosowanie dwóch oddzielnych, elektronicznie połączonych czujników. Pozwala to na pomiar różnicy ciśnień bez konieczności stosowania skomplikowanych i podatnych na uszkodzenia linii impulsowych.
Czujniki ciśnienia z ceramiczną celą pomiarową
Przetwornik ciśnienia VEGABAR 82 to wszechstronny produkt w portfolio VEGA. Czujnik mierzy ciśnienie od próżni absolutnej (–1 bar) do 100 bar w zakresie temperatur od –40 do 150°C. Ceramiczna cela pomiarowa wytrzymuje i kompensuje szoki temperaturowe. Może być używana w większości zastosowań chemicznych. Przetwornik ciśnienia VEGABAR 81 służy z kolei do niezawodnego pomiaru mediów silnie korozyjnych w temperaturach od –90 do +400 °C i ciśnieniach do 1000 bar. Łącząc zaś dowolne dwa przyrządy z serii VEGABAR 80, można zrealizować pomiar różnicy ciśnień bez rurek impulsowych.
Wnioski
Ceramiczne cele pomiarowe są wysokowydajną alternatywą dla metalowych czujników ciśnienia, również w przemyśle chemicznym. Za ich stosowaniem w wymagających aplikacjach w przemyśle przemawiają takie korzyści, jak wysoki poziom bezpieczeństwa czy też długoterminowa niezawodność.
VEGA Polska
tel. +48 71 747-76-00
info.pl@vega.com
www.vega.com
