蒸馏预灰桶调和液pH计应用及改进

陈 涛，吴海源

(广东南方碱业股份有限公司，广东广州 510760)



技 术 讨 论

蒸馏预灰桶调和液pH计应用及改进

陈 涛，吴海源

(广东南方碱业股份有限公司，广东广州 510760)

简要介绍了笔者对蒸馏预灰桶调和液pH计进行整改的情况及电极使用维护的经验，并对pH计在石灰乳—预热母液流量串级复杂调节系统中的应用进行了展望。

蒸馏预灰桶；调和液；pH计；电极；串级复杂调节系统

1 安装预灰桶调和液pH计的目的

氨碱法纯碱生产蒸馏工序操作控制的目的是在预灰桶、蒸馏塔中分别加入石灰乳、蒸汽以分解、蒸出氨,并控制蒸馏废液中较低的过量灰 CaO(1～2 tt) ,使废液中的氨含量降至最低(0.07～0.15 tt), 减小跑氨, 降低氨、灰乳、汽耗, 以达到节能降耗的目的。该工序的工作效率如何关系到纯碱制造的成本高低及三废能否达标排放，直接影响到整个公司的效益。为此，我们在蒸馏B、C、E塔系统采用瑞士梅特勒-托利多公司的工业过程pH计(以下简称“pH计”)对各预灰桶调和液的pH值进行在线连续测量，同时为今后石灰乳—预热母液流量串级复杂调节系统的投运做好准备。

在这一系列的工作中，pH计的正常运行是重中之重，也一直是氨碱行业努力追求的目标。从2012年12月以来，我们先后对pH计电极的安装方式和位置、自动清洗系统及pH计电极的使用维护进行了一系列的试验和整改，使pH计能长周期稳定运行，同时也总结出了若干条使用经验，现将相关情况简介如下，与大家共同探讨。

2 pH计系统整改情况

整套pH计系统由InPro4260型复合玻璃电极(即传感器)、lnTrac777P型气动伸缩护套(即气缸)、EasyClean150型全自动清洗和校准系统及M400型变送器(即多参数监控仪)组成。

2.1 pH计电极安装方式和位置的确定

pH计电极安装方式和位置的确定有一个逐步探索的过程。

1)开始将电极安装在预灰桶调和液主出口管(DN300)的取样罐上。这样安装存在一定的问题。因为安装在调和液出口管道(DN300)上的pH计取样罐是一个阻力件，故大部分调和液经主出口管(DN300)流入加热器，相对的流入pH计取样罐的量很小，形成“死水”，致使取样罐内的调和液流动不畅，温度及浓度都偏低，所测得的pH值也不具代表性。

2)后来根据工艺方面的建议，我们在预灰桶调和液的出口管上安装pH电极进行试验。结果使用不到1个月电极头就被磨穿报废。我们对此现象进行了分析：由于调和液出口管中的调和液流速大、泥沙多，对pH电极冲蚀磨损严重，虽然一时能测得较为准确的pH值，但会大大缩短pH电极的使用寿命，显然也不是好的选择。

3)最后我们参考了索尔维公司的安装方法，最后确定将pH计安装在预灰桶的中下部(蒸吸二楼)，理由如下：

①该处位置离调和液出口不远，反应已绝大部分完成，能反映出较为真实的pH值；

②因为预灰桶的容积比主管道(DN300)大百倍，所以将pH计取样口设置于预灰桶上，则调和液的流速比管道内要小得多，相对来说对pH电极的冲刷也要小得多；

③石灰乳中的泥砂沉积在预灰桶达到底部，故调和液中所带的泥砂也比主管道(DN300)内要小得多，对pH电极的磨损也要小得多；

④预灰桶内设有搅拌装置，石灰乳与母液混合反应较均匀，pH值真实可靠。

最为重要的一点是：索尔维公司是在积累了大量的使用经验的基础上才选定了安装位置，并且pH计在其下属的碱厂也有成功使用的经验，值得我们作为参考。

2.2 pH计自动清洗系统的整改

1)进气及进水电磁阀的改造。由于安装在管道或反应容器中的电极必须能从样品介质中取出来进行维护，故梅特勒-托利多pH计采用了EasyClean150型全自动清洗和校准系统来控制气缸上电极的伸缩并监控电极的自动冲洗功能。

通过在M400型变送器中进行相关组态，可设置每次清洗电极的时间及时间间隔，并通过转换器的触点输出来自动启动EasyClean150系统中的压缩空气电磁阀和进水电磁阀，以实现对pH计电极的自动维护工作。其中的压缩空气和进水电磁阀均为进口产品。

如上所述，EasyClean150型系统的设计理念是较为先进的。但在实际的运行过程中出现了水土不服的情况。压缩空气电磁阀和进水电磁阀(下简称“电磁阀” )在使用2～3天后就会发生堵塞，这些都严重影响了pH计的连续正常运行，必须进行整改。

由于进口电磁阀价格昂贵(单价可达数千元)且供货周期较长，故我们改造的主要思路是采用价廉物美的国产产品来替代进口产品。目前各套pH计的电磁阀均已采用国产产品改造完毕。改造后各pH计气缸伸缩自如，尤其是进水电磁阀自投用以来未发生过任何故障，取得了十分满意的效果。

2)EasyClean150型系统控制线路板的改造。pH计进气和进水电磁阀的动作原先由厂家专用的控制线路板进行控制。2015年3月，其中的一套控制线路板失灵，致使气缸无法正常伸缩，电极也无法进行正常的测量和清洗维护。咨询厂家则需要更换线路板及控制芯片，周期长且费用不菲。信息部主动决定依靠自身的技术力量进行技术创新，改用DCS的开关量输出功能来取代原先控制线路板的功能。我们先后完成了三套pH计控制线路板的改造工作，改造后未再出现类似的故障，为公司节省约6万元的采购费用，效果良好。

3)pH计洗水出水口的创新改造。我们在气缸出水口处采用廉价透明塑料漏斗加接PVC管的方法将清洗电极后的出水引入排水地沟，克服了用不锈钢管或软塑料管容易堵塞且不易清理的缺点，也容易监测排水口是否堵塞。大约1个月对塑料漏斗和PVC管清洗一次即可。目前在用pH计的洗水出水口均全部改造完毕，排水通畅，取得了较为满意的效果。

3 pH电极性能试验及维护经验

从2013年3月pH计试验投用至今，我们对pH电极的使用积累了一系列的经验，简略总结如下：

1)经过我们近3年的筛选试验，认为梅特勒-托利多的InPro 4260型复合玻璃电极能满足我们的需要。该型电极配有一个开放式隔膜(解决了测量粘性及含高颗粒介质时存在的隔膜受污染的问题)，且耐高温(80 ℃以上)、耐冲刷，十分适合于调和液pH值的测量。实践也证明该型电极测量精确度高，可长期稳定运行。在其中一台预灰桶上使用的该型电极，使用期限已达到230天以上，性能仍然正常。标定(校准)时，其零点、斜率及复现性都较好：如2016年1月14日某次电极两点标定结果：零点Z=7.017 (pH)；斜率S=95.55%。此外，InPro 4800型复合玻璃电极也可满足使用要求，但性能稍逊。建议今后统一购买和使用InPro 4260型复合电极。

2)电极要轮换使用。一般每台塔pH计要准备2支电极轮流使用，各pH计之间的电极最好也不要混用。在伸缩式气缸密封垫片不泄漏的条件下，一支电极在使用一段时间后需要拆下维护，然后换另一支电极标定后立即投用。这样做即可保证电极的使用性能，又不会过分地增加维护的工作量。

3)标定用的缓冲液要定期更换。根据我们的实际需要，电极采用两点标定：即用pH6.86及pH12.00的缓冲液来进行两点标定，用pH9.18及pH10.00的缓冲液来进行查定(主要是检查线性及复现性)。

4)电极由于长期受腐蚀性较强的高温(约80 ℃)调和液的冲刷，在电极表面上会形成一层薄的结垢层，影响其使用性能，故在使用数日后需拆下进行维护。我们改进了厂家原先给出的维护方法，用廉价的稀盐酸浸泡电极数小时，彻底清除电极上的结垢后再进行日常维护。事实证明该方法花钱少且效果极好，对电极的维护十分有利。

5)将电极从伸缩式气缸中拆出进行维护时，我们都提前采取有力措施，防止气缸突然伸进导致调和液喷出伤人的意外情况发生。

6)插拔电极时要极为小心，避免电极在气缸内断裂，导致pH计无法继续运行。

7)气缸不能正常伸缩时，要仔细确定是否是气缸漏气所致。若采取相应的措施还是无法排除故障的话，一般是内部密封垫片漏气所致，需拆下气缸更换。密封垫片应定期(一般为半年或一年)更换，以保证气缸的密封性。

8)及时处理电极与多芯电缆的接触不良或多芯电缆的内部故障(如短路或断路)，保证pH值及温度值的正常显示。

4 pH计今后使用方面的建议

pH计的使用虽然已步入正轨，但还是需要一定量的维护。从近三年的维护实践和经验来看，每隔10至15天就要更换一次电极，每次维护约需20 min，占用了不少人力物力。为此可考虑升级现有的系统：即使用梅特勒-托利多新推出的智能pH电极和智能变送器，通过智能传感器管理(ISM)系统实现真正的预测性维护。其最重要的功能是可以在远离工艺现场的安全环境中对传感器(电极)进行预校准。这有助于减少现场维护操作的危险性(如蒸馏操作中可能发生的氨泄漏等情况)并节省维护时间，对我们来说也十分具有吸引力。虽然升级的初期投资较多，但从长远应用的便利性、性价比及现场总线快速发展的趋势来看，值得尝试。

5 pH计在控制系统中应用的意义

要达到本文开头提到的蒸馏工序操作控制的目

的，就要严格控制各项工艺指标以及配备有效的自控仪表。若没有灰乳、蒸汽的自控系统, 光用人工操作是很难完成上述目的的。而我公司引进的索尔维真空蒸馏装置带有灰乳、蒸汽自控系统, 就能圆满地完成上述目的。如索尔维公司在德国的莱茵伯格碱厂pH计的使用就有成功的经验。

按照引进索尔维真空蒸馏技术基础设计, pH计安装在真空预灰桶中下部, 以连续、准确地测量桶内调和液的pH值,作为灰乳—预热母液流量比值调节系统(参见图1) 的参数,以此确定灰乳与预热母液流量的比值来自动调节加灰量。此比值与两种母液的因素有关，如石灰乳的密度值，它可提供判断灰乳中CaO浓度。为此，加入灰乳的密度值信号(来自核密度计)以及真空预灰桶出口的调和液pH值的信号，形成如图1所示的串级复杂调节系统来修正该比值。由于调和液的pH值与过剩灰的浓度呈线性关系，因此通过pH计的在线实时测量，便可推断调和液出口过量灰的含量，如此便可控制调和液出口过量灰的含量在2～3 tt, 为下一步将废液中过量灰的含量控制在1～2 tt的水平奠定了良好的基础。采用pH计后，克服了人工分析调和液过剩灰量滞后的缺点，对蒸氨生产起到稳定作用。

图中:E1输入1=预热母液FT(流量计)的输出；E2输入2=石灰乳FT的输出；E3输入3=AIC(pH值指示调节器)的输出； E4输入4=DT(密度计)的输出；A1输出1=控制器的连续输出图1 灰乳—预热母液流量比值调节系统原理图

一般来说,氨在高温下极易蒸出,在蒸馏塔上部1/3塔板处已蒸出绝大部分的游离氨, 塔下部2/3塔板用来蒸出其余的残氨。废液中的微量氨是很难驱赶的, 除要在塔下通入足量的蒸汽以降低气相的氨分压及足够的停留时间外, 更重要的是在废液中保持一定量的过量灰。若蒸馏塔塔况好的话,过量灰的控制就成为控制废液含氨达标的关键操作。而废液过量灰和含氨量的相应关系可通过现场试验得出。根据资料,大化曾做过废液过量灰与NH3关系曲线。表明废液过量灰CaO为2.2 tt时,含NH3达标(0.12 tt)。

目前，蒸馏B、C、E塔系统预灰桶调和液pH计运行连续、稳定，应该说调和液pH值的测量已基本过关。对与其配套的石灰乳和母液测量用电磁流量计、进蒸吸石灰乳密度(浓度)测量用核密度计(LB-444型，由德国进口)、石灰乳流量调节阀等仪表，我们也积累了较为丰富的故障判断和处理经验，能保证上述仪表长周期稳定运行。下一步的工作是与工艺方面密切配合，寻找出调和液pH值与废液含氨量之间的对应关系，开好灰乳-预热母液比值自控系统，为南碱创造出更为可观的经济效益和环保社会效益。

TQ114.161

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1005-8370(2016)06-17-04

2016-06-06

陈涛(1969—)，毕业于中山大学，计算机及应用专业，化工仪表及自动化高级工程师。广东南方碱业股份有限公司信息部仪表专职工程师，发表过多篇论文。