طراحی و بهینه سازی چیدمان چشمه ی رادیواکتیو برای ارتفاع سنجی راکتور اوره پتروشیمی

اسلامی راد, سیده زهرا; عیسوندنظری, سحر

doi:10.22055/jrmbs.2025.20193

طراحی و بهینه سازی چیدمان چشمه ی رادیواکتیو برای ارتفاع سنجی راکتور اوره پتروشیمی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

سیده زهرا اسلامی راد

سحر عیسوندنظری

گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه قم، قم، ایران

10.22055/jrmbs.2025.20193

چکیده

تعیین سطح و ارتفاع مایعات راکتورهای صنعتی در دما و فشار بالا در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به‌دلیل پیچیدگی فرایند تولید از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. با استفاده از روش ارتفاع‌سنجی هسته‌ای که یک روش غیرمخرب است، می‌توان ارتفاع اوره در مخازن را اندازه‌گیری نمود. بنابراین انرژی چشمة گسیلندة گاما، طراحی هندسة چشمه شامل نقطه‌ای یا میله‌ای و جنس آشکارساز شامل استفاده از کریستال یدور‌سدیم یا سوسوزن پلاستیک حائز اهمیت است. در این تحقیق، ابتدا ارتفاع‌سنج هسته‌ای شامل چشمه، آشکارساز و مخزن شامل اوره و گازها به‌وسیلة کد مونت‌کارلوی MCNPX شبیه‌سازی شد و نتایج با مقادیر تجربی مقایسه و اعتبار سنجی گردید. سپس پاسخ آشکارساز با توجه به طراحی‌های متفاوت چشمه و فواصل آن و همچنین نوع آشکارساز و هندسة آن بهینه‌سازی گردید و چیدمان بهینه انتخاب شد. مقایسة نتایج حاصل از شبیه‌سازی و تحلیل حاصل از آن نشان داد که استفاده از چشمه‌های نقطه‌ای با فواصل مشخص (سه نقطه) به‌جای چشمه‌های میله‌ای به‌دلایل داشتن ساختاری ساده، دقت و پایداری بالا و کاهش هزینة تولید نسبت به هزینة بالای چشمه‌های میله‌ای می‌تواند جایگزین مناسبی باشد. همچنین جهت ارتفاع‌سنجی دقیق، آشکارسازهای میله‌ای باید جایگزین آشکارسازهای نقطه‌ای شود.

کلیدواژه‌ها

طراحی و بهینه سازی

چشمه‌ی رادیواکتیو

ارتفاع‌سنج

راکتور اوره

پرتو گاما

شبیه سازی

کد مونت کارلو MCNPX

موضوعات

فیزیک هسته ای

عنوان مقاله English

Design and optimization of the radioactive source arrangement for the level gauging of Petrochemical Urea Reactor

نویسندگان English

Seyedeh Zahra Islami rad

Sahar Eisavand Nazari

Department of Physics, Faculty of Science, University of Qom, Qom, Iran

چکیده English

Measuring the level and height of liquids in industrial reactors at high temperature and pressure in the oil, gas, and petrochemical industries has particular importance due to the complexity of the production process. The height of Urea in the vessel can be measured using the nuclear level gauging method, which is a non-destructive method. Therefore, the energy of the gamma emitting source, the design, and arrangement of the geometry of the source, including the point or rod, and the detector material including the use of sodium iodide crystal or plastic scintillator are important. In this research, firstly, a nuclear level gauge system—comprising a source, detector, and a reactor with urea and high-temperature, high-pressure gases—was simulated using the MCNPX Monte Carlo code. The simulation results were then validated against experimental data. The study then optimized the detector's response by testing different arrangements of the radioactive source and its distances, as well as various detector types and geometries, to find the best configuration. The analysis revealed that using three strategically placed point sources is a superior and more cost-effective alternative to a rod source. This setup offers high accuracy and stability at a significantly lower production cost.

کلیدواژه‌ها English

Design and optimization

Radioactive source

Level gauge

Urea Reactor

Gamma-ray

Simulation

MCNPX Monte Carlo code

[1] G.A. Johansen, P. Jackson, Radioisotope Gauges for Industrial Process Measurements. John Wiley & Sons Ltd., The Atrium, Southern Gate, Chichester, (2004).

[2] Technical data on nucleonic gauges, IAEA-TECDOC-1459, IAEA, VIENNA, (2005).

[3] Industrial applications of sealed radioactive source, IAEA, VIENNA, (2021).

[4] P. Esmaili, F. Cavedo, M, Norgia, Differential pressure-based liquid level measurement in sloshing condition. In 2019 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), (2019), 1-6. 10.1109/I2MTC.2018.8409730

[5] Y. Zhang, B. Zhang, L. Zhang, Y. Li, X. Gao, Z. Liu, 2018. Liquid level measurement model outside of closed containers based on continuous sound wave amplitude, Sensors, 18, 2516.

https://doi.org/10.3390/s18082516

[6] J.A. Morton, M. Khavari, A. Priyadarshi, A. Kaur, N. Grobert, J. Mi, K. Porfyrakis, P. Prentice, D.G. Eskin, I. Tzanakis, 2023. Dual frequency ultrasonic cavitation in various liquids: High-speed imaging and acoustic pressure measurements. Phys. Fluids. 35, 017135.

https://doi.org/10.1063/5.0136469

[7] J.S. Slongo, J. Gund, T.A. Rigo Passarin, D.R. Pipa, J.E. Ramos, L.V. Arruda, F.N. Junior, 2022. Effects of Thermal Gradients in High-Temperature Ultrasonic Non-Destructive Tests, Sensors. 22, 2799. 10.3390/s22072799

[8] D.J. Jang, H.K. Park, M.C. Lee, 2024. Experimental investigation on the measurement performance of high-speed ultrasonic wave thermometry in ambient- and high-temperature environments. Appl. Therm. Eng. 242, 122484.

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122484

[9] D.V.Q. Rodrigues,C. Li, 2021. A Review on Low-Cost Microwave Doppler Radar Systems for Structural Health Monitoring. Sensors. 21, 2612.

https://doi.org/10.3390/s21082612

[10] A. Sahare, A. Khan, D.P. Rathod, R. Raichur, Guided Wave Radar for Precise level Measurement using Time Domain Reflectrometry (TDR) Principle, IJIRCCE. 3(6) (2015) 4987-4995. 10.15680/ijircce.2015.0306003

[11] A.A. Ayati, L.F. Farias, A.I.B. Azevedo, I.B. de Paula, 2017. Characterization of linear interfacial waves in a turbulent gas-liquid pipe flow. Phys. Fluids. 29, 062106.

https://doi.org/10.1063/1.4985717

[12] J.R. Hanni, S.K. Venkata, 2020. A novel helical electrode type capacitance level sensor for liquid level measurement. SENSOR ACTUAT A-PHYS. 315, 112283.

https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112283

[13] M. Yadollahi Roshan, M. Tajik, R. Gholipour Peyvandi, Influence of relative position gamma source–scintillator on response a large NE102 rectangular detector, JRMBS. 8 (2018) 61-68. [In Persian]

10.22055/jrmbs.2018.13954

[14] A.A. Thabet, A. Hamzawy, M.S. Badawi, New mathematical approach to calculate the geometrical efficiency using different radioactive sources with gamma-ray cylindrical shape detectors. Nucl. Eng. Technol. 52 (2020) 1271-1276. https://doi.org/10.1016/j.net.2019.11.022

[15] R. Gholipour Peyvandi, A. Taheri, A. Olfateh, S.Z. Islami, A new automated and precise calibration method for gamma level gauges with rod detector arrangement, Appl. Radiat. Isotopes. 112 (2016) 1-4.

https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2016.03.011

[16] Rod source point detector arrangement, in Berthold Technologies GmbH & Co. KG2022, Berthold: Germany. p. 6.

[17] Uni-Probe LB 490 Non-Contact Level Measurement, in BERTHOLD TECHNOLOGIES GmbH & Co. KG 2007: Germany. p. 6.

[18] G.F. Knoll, Radiation detection and measurement, John Wiley & Sons, (2016).

[19] S. Mohtaram, M. Tajik, R. Gholipour Peyvandi, 2021. Comparison of MCNPX and FLUKA Monte Carlo codes in the simulating a nuclear gauge. Appl. Radiat. Isotopes. 170, 109603. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2021.109603