离子膜烧碱装置仪控技术优化探讨

2022-01-04曾子睿周健杨晓俊

氯碱工业 2021年8期

曾子睿，周健，杨晓俊

(1.浙江巨化检安石化工程有限公司，浙江衢州 324004;2.浙江衢州巨塑化工有限公司，浙江衢州 324004;3.浙江巨化集团有限公司，浙江衢州 324004)

烧碱是现代基础化学工业重要原材料之一。离子膜烧碱工艺逐步淘汰隔膜法烧碱成为制碱法的主流。浙江巨化股份有限公司电化厂离子膜烧碱装置是从日本旭化成引进的成套离子膜电解设备，生产规模达46万t/a。下面以生产工序为线索，针对装置运行中遇到具有代表性的自动控制及仪表问题，阐述改造思路。

1 一次盐水工序

1.1 膜过滤装置控制系统

(1)存在的问题。

原设计的一次盐水凯膜过滤器是采用PLC 现场控制，通过PLC控制气动电磁阀开闭来调节现场挠性阀开关，存在以下技术问题。①人工难以做到实时监控，须单独设立岗位监控；巡检次数多，劳动强度大。②原有PLC控制联锁条件少，膜过滤器压力、液位故障率高，长期处于失控状态，仅依靠计时器控制程序，调控精度低，过滤效果差。③现场原有气动挠性阀故障率高，容易发生内胆破损导致阀门无法关闭或排气管大量液体流入电磁阀，检修频繁。④现场环境恶劣，PLC控制箱及双电控集装式电磁阀极易腐蚀而出现故障。

(2)改造措施。

一次盐水膜过滤由现场PLC控制改为DCS全自动控制。取消了现场控制柜及双电控集装式电磁阀，精简了原有现场开车前及开车过程中需要的过滤6步操作、酸洗7步操作及定时现场巡检，实现DCS一键全自动过滤和清洗。实时监控每台膜过滤器的阀门开闭状态、运行步骤、过滤器液位压力，极大地减轻了员工繁琐的现场监控和手动操作。图1为一次盐水膜过滤器主控画面。

图 1 一次盐水膜过滤器主控画面Fig.1 Master control picture of membrane filter for primary brine

另外，一次盐水膜过滤器为低矮的敞口容器，平时空气中存在稀薄的盐雾、酸雾，现场仪表须有较强的抗腐蚀能力，因此，厂家原配的机械式仪表不宜使用在这个环境中。建议将用于压力检测的电接点压力表改为压力变送器，用于控制的挠性阀改为单作用气动蝶阀，用于液位检测的浮球液位计改为雷达液位计。在提高控制精度的同时，避免机械式仪表在盐雾、酸雾环境容易卡死的问题，降低检修率，提高系统稳定性。

1.2 一次盐水过碱量在线分析

一次盐水过碱量检测采用人工滴定法，分析误差大，且盐水中氢氧化钠、碳酸钠含量(以下简称“两碱”)由于原盐质量不同，导致岗位员工监控压力大。在改造过程中，选用电位滴定法在线过量碱分析仪，用蠕动泵代替移液管进行样品量取，用计量泵代替滴定管进行酸标准溶液滴加，试样电位变化代替指示剂变色对滴定终点进行判定[1]，最后将分析结果传输至DCS显示。

过碱量在线分析仪对介质流速、压力的稳定性，及杂质含量要求高。为做好进液控制，通过增加预处理装置来保证介质的稳定(如图2所示)。

图2 预处理装置与过量碱分析仪连接示意图Fig.2 Diagram of connection between pre-processing device and excessive soda analyzer

2 二次盐水精制工序

2.1 过滤盐水槽液位、盐水高位槽液位的检测

二次盐水工序中液位检测首选法兰式差压液位计，值得注意的是过滤盐水槽和盐水高位槽时常结盐，最终完全堵塞引压口截止阀，导致液位计膜片受压一直显示高液位，检测不到真实值。由于液位不是直接联锁点，异常高液位容易被忽视，导致进电解槽盐水断流，系统停车。

除了定期拆除检查液位计膜片外，可以通过在取压口增加排放阀定期疏导来减少结盐。

2.2 pH值、游离氯的检测

测点包括脱氯塔进口淡盐水pH值、脱氯盐水泵出口盐水pH值、脱氯盐水泵出口氧化还原电位。

选择二次盐水的pH值、游离氯检测仪应注意如下事项：在选择电极时，要特别注意部分测量点检测值极端(如脱氯塔进口淡盐水pH值会出现1以下的测量值，脱氯盐水泵出口盐水pH值会出现10以上的测量值)、温度高的特点。检测值可通过加装温度、参比电极来实现极高、极低值的检测，市面上也有温度、参比电极、pH值、ORP检测一体的电极。温度高可通过加装仪表冷却器来解决，但电极须具有一定的耐温能力(50～90 ℃)，多数电极会在仪表冷却器失效后，在温度较高的环境下短时间内故障损坏。

2.3 烧碱泵出口碱液浓度的检测

在烧碱浓度检测上，超声波密度计测量稳定但响应相对迟缓，受杂质、流速的影响大；谐振式密度计测量精度高，但受环境温度影响大，须定期修正温度补偿。在考虑测量精度、响应时间、稳定性等因素的条件下，选用高精度的质量流量计为宜。

由于质量流量计直接检测值是密度，参考表1烧碱密度、浓度对照表建立60 ℃(y=96.234x-95.283)、70 ℃(y=96.52x-95.022)、80 ℃(y=96.782x-94.709)、90 ℃(y=96.962x-94.283)4条检量线，以烧碱泵出口碱液温度作为温度补偿，将检测值换算成浓度。

表1 烧碱密度、浓度对照表Table 1 Caustic soda concentration and the corresponding density

以下3个因素影响烧碱浓度检测的准确度。

(1)流通池是否满管。分析仪表一般会在主路管道上引出旁路来测量介质，可以采取以下措施保证流通池满管：通过扩大管使介质气液分离；另一方面，增加排放口进行排气。

(2)介质中杂质。碱液中杂质多是由电解槽管道腐蚀、电解槽极网涂层脱落等产生的黑色颗粒，对测量精度有直接影响。除了定期清洗外，在流通池前增加过滤网也是一种可行的方法。

(3)温度变化。由表1烧碱密度、浓度对照表可以看出：不同温度下，密度与浓度的对应关系不同。因此，仪表要有检测温度且能通过温度测量值自动修正检量线的功能。除了温度补偿外，应对管线进行保温，尽量减少仪表在雨雪天气受到外界低温的干扰。

3 电解工序

3.1 电解槽、整流变等强磁场压力的检测

二次盐水工序的盐水主要是含氯的淡盐水和含碱的精盐水，淡盐水压力变送器的接液材质选用钽，精盐水压力变送器的接液材质选用哈氏合金。

氯气氢气压力测点是电解槽的关键联锁点，原设计为DN80单法兰差压变送器，由于高电流引起的强磁场干扰会屏蔽变送器信号，出现短时间失电黑屏现象，导致系统停车。建议选用单法兰毛细管压力变送器，表头安装在远离电解槽的位置，避免强电流干扰。

同理，整流装置的纯水压力检测点在整流装置内部，高电流时同样会干扰压力变送器检测。建议选用结构简单、经济紧凑型的压力传感器，也可以在压力变送器上罩金属罩屏蔽高电流干扰。

3.2 电解槽强磁场流量的检测

由于电解槽升降负荷会产生强磁场干扰，建议电解槽内使用具有自动切换双频励磁功能的电磁流量计。市面上有部分电磁流量计可实现手动切换高低频，但手动操作不能及时响应系统升降负荷，不建议使用。

3.3 气体浓度检测

根据设计要求，电解槽可燃气体浓度仪安装点在距地面5 m高的房梁上，脚手架搭设不便、检修困难。在安装位置不变的情况下，通过安装定滑轮组和钢丝绳电缆来实现气体浓度仪升降(如图3所示)，解决了检修困难等问题。

图3 气体浓度仪手动升降示意图Fig.3 Diagram of manual lifting and lowering gas concentration analyzer

4 氯处理工序

4.1 氯干燥工序湿氯气压力的检测

氯系统压力检测要考虑氯气遇水会产生腐蚀，不锈钢引压管在雨水天气后容易腐蚀漏气造成系统联锁，尤其是来自电解系统湿氯气的压力检测和湿氯除雾器出口湿氯气的压力检测，除了使用单法兰差压变送器直接测量外，需要引压的测量点建议使用乙炔管作为引压管，并定期更换。

4.2 氯压机各级进出口压力的检测

氯压机各级进出口空间狭小，适合安装部分结构简单、经济紧凑型的压力传感器。值得注意的是压力传感器接液部分使用的氟橡胶垫圈要求氯气干燥，若氯气含水，则易发生腐蚀。

4.3 冰机等成套机组压力的检测

冰机厂家自带的固定量程压力传感器通常会有故障率高、备件不通用等缺点。建议用引压管引出后改为常规螺纹连接的压力变送器，量程可调、备件通用、故障率低。

4.4 氯干燥工序温度的检测

氯干燥工序的温度仪表一般难以拆除离线检修，应尽量使用整体钻孔法兰焊接式热电阻，热电阻损坏而无法离线检修时，可以不用更换接液的法兰式整体钻孔套管，仅更换内部的可动卡套螺纹式铠装热电阻即可。

另外，氯气工序使用钛材要注意。湿氯气几乎对所有金属都有强烈的腐蚀性，但不易腐蚀钛材；干氯气则不然，氯气中的水质量分数以0.5%为界，含水低于0.5%的干燥氯气会与钛材产生激烈反应，发生燃烧。

4.5 氯气流量的检测

氯气流量在考虑精度与经济性的情况下建议选用孔板流量计，差压变送器利旧，仅需制作限流孔板，经济实用。孔板引压管上螺纹连接的针型阀建议改为法兰连接的截止阀以减少渗漏，螺杆使用碳钢高压螺杆，在每年梅雨季节用湿润的pH试纸定期检测，有效防止氯气泄漏腐蚀。

5 氢处理工序

5.1 汽水分离器液位调节

汽水分离器液位自动调节由自力式调节阀实现自动排水控制液位，实际使用时存在如下问题：①振动大，由于膜头弹簧刚度不够使得阀门控制不稳定，阀门振荡；②易堵塞，由于介质循环水中含有固体杂质，在自力式调节阀运行过程中膜头连接引压管处容易被杂质堵塞，介质流通不畅。建议将自力式调节阀改为气动单座调节阀，在原磁翻板液位计的基础上增加双法兰差压变送器作为液位检测，实现液位在DCS上集中显示，并能自动控制、调节。

5.2 氢气泵回流调节

氢气抽力调节时，DCS操作人员只能通过调节阀进行小幅调节(回流管管径较小)，当负荷变化较大或系统开停车时需人工到现场调节手动阀控制抽力。增加自动控制可以大大减少操作强度。值得注意的是，根据常规操作工况选出的调节阀往往不能满足系统升降负荷的需要，氢气泵回流流量不但要考虑常规工况下的流通量和操作压力，还要考虑升降负荷、开停车时氢气最大流通量和最大关断压差。