二次盐水精制工艺控制优化研究与应用

李长岭

（唐山三友氯碱有限责任公司，河北 唐山 063305）

目前氯碱行业离子膜制碱生产工艺技术已经日臻成熟，大多数氯碱企业采用离子交换螯合树脂塔装置，其再生与间歇运行对盐水质量起着非常重要的作用。唐山三友氯碱有限公司采用日本旭化成复极式高电流密度零极距自然循环离子膜电解槽，相关控制技术已经日益匹配现有工艺技术，生产装置中自动化控制技术应用较为广泛，多数已实现DCS控制系统的应用，对于控制系统的要求也日趋完善，对于企业安全生产、提升自动化效率、减少能源消耗有一定的作用。

1 二次盐水精制工艺

二次盐水精制生产工艺主要是将精制盐水送入树脂塔二次精制后送至盐水高位槽。从一次盐水精制盐水泵送来的过滤盐水进入过滤盐水罐，由过滤盐水泵送入盐水板式换热器中升温后进入离子交换树脂塔。通过树脂离子交换，使盐水中Ca2+，Mg2+等多价离子的含量小于规定值。从离子交换树脂塔出来的二次盐水被送入电解工序自然循环的盐水高位槽。盐水在高位差的作用下自流进入电槽精制盐水总管，进入每台电解槽的阳极入口总管，再通过单元槽阳极室的软管进入阳极室。

二次盐水精制工序中较为重要的设备即为离子交换树脂塔，塔内装填有螯合树脂，在螯合树脂再生过程中，一般以3台联动为一动态再生的循环周期，当两台在线运行时，另一台离线进行螯合树脂再生。排出的废液返回系统匹配的中和罐进行处理，另一部分排放的盐水送到再生盐水罐再返回到一次盐水化盐工序。二次盐水生产工艺流程示意图见图1。

图1 二次盐水生产工艺流程示意图

2 控制系统的初步设计

通过对工艺控制点、设备监控点及具体工艺控制采集，促进了DCS在生产效率上的提升与改进，该控制系统主要包括现场控制层、网络通信与连接层、过程监控层及操作管理层等，DCS控制系统采用先进的控制单元、操作单元、操作员站、数据归集管理等来完善控制及组态架构，通过服务器及数据管理通讯来完成企业生产网、销售信息网、生产管控及调拨的总体实现。控制单元是二次盐水工艺技术中的核心处理部分，由总线部分、IO控制卡件与模件箱、端子板及通讯电缆有机组成控制整体，从而实现二次盐水的精确控制与盐水的精制工艺的实施，并且能够保证生产系统的安全可靠。网络通信与连接层由交换机与控制总线来完成数据传输与交换。从操作站来看，对生产过程中相关参数进行实时采集、实时监控、对比及报警、画面及人机互动的界面。具体工艺流程稳态控制、数据优化及组态优化、监控界面人性化及易于监控的功能。操作人员经常使用的人机交互界面更为形象，达到管理信息、操作信息与服务信息的高端匹配与融合[1]。树脂塔控制系统配置图见图2。

图2 树脂塔控制系统配置图

3 二次盐水关键工艺控制

二次盐水关键工艺控制技术相对成熟，随着设施运行周期增加，设备及工艺存在诸多问题[2]，影响系统正常稳定运行。精盐水质量的饱和度、再生的操作频次、树脂塔的塔压差、纯水反洗流量及消耗、酸碱消耗及置换效果等，都是目前存在的问题，其中以螯合树脂塔的控制最为关键。因此，如何匹配现有设施与现有二次盐水精制工艺技术，如何合理利用液位控制、pH值、游离氯检测、气体浓度检测、压力检测等指标达到优化控制，使之成为重要参照依据，是亟待解决的问题。

3.1 溶液浓度由流量测量系统控制

将一次盐水送来的精盐水（浓度≥300 g/L，pH值9~11），经过板式换热器全面换热后，此时将交换后的溶液温度控制在（60±5）℃，以进板式换热器溶液温度为主要控制参数，使用输送设施将盐水送至螯合树脂塔进行二次精制。在此环节，系统除去钙、镁等金属离子，同时自高位槽流出的精制盐水加入盐酸进行加酸调节并将pH值稳定在4.5左右，再经管道过滤器送入电解槽。排出的废液通过管线送到中和罐进行处理。

3.2 盐水槽液位调节及控制

二次盐水精制工序中，过滤盐水槽及盐水高位槽是关键的设备，其断流停液将引起电解工序的不稳定及间歇性停车。因此，对其液位及液位调节阀的正常控制非常重要，同时设置高低限报警及阀门的联锁控制，使用PID数据连动设置，可有效增加控制精度，达到理想控制效果，避免液位不达标。

3.3 脱氯淡盐水温度的控制

二次盐水板换器采用淡盐水与回流淡盐水进行热交换的模式，通常可以节约外来热能如蒸汽、热水制冷及制热等，采用自控蝶阀达到盐水板换切换后通精盐水，再将脱氯后淡盐水控制温度为55~60℃，可以达到有效节能的目的，特别是对减少蒸汽消耗有较大的推进。

3.4 二次盐水岗位主要设备运行监控

二次盐水岗位中，螯合树脂塔压力一般控制在0.25~0.50 MPa，两塔压差应小于0.1 MPa；观察过滤盐水管道过滤器压力小于0.5 MPa，再生树脂塔反洗时应观察树脂层高度。同时，树脂塔达到塔切换的条件，实施塔切换。当一期切塔后直接再生，二期切塔后等待，每天精确控制时间进行水洗步骤，可以有效控制并且避免再生时间、工艺等的冲突，并且确保再生时的流量。再生废水在pH值调整合格后分两次排放。动力设备如过滤盐水泵，纯水泵，水环真空泵，脱氯阳极循环泵等的启停及运行监控都很重要。岗位人员日常巡检时应认真仔细，根据“四到”原则，对重点设备进行巡检，发现问题及时反应，联系相关人员处理，保证生产安全稳定运行。

3.5 树脂塔压差调节及控制

二次盐水开车前需要对螯合树脂塔压力进行确认，二次盐水现场所有动设备工作指标控制在正常范围，管线及其附属设施处于可控范围，同时流量计流量显示正常。纯水样合格，动力电、仪表气、蒸汽正常；树脂塔再生所需的31%高纯盐酸和32%液碱随时可提供，通常以螯合树脂塔压力为主调参数，进入树脂塔前后压差控制需小于0.10 MPa。树脂塔再生控制进液联锁图见图3。

图3 树脂塔再生控制进液联锁图

3.6 树脂塔再生关键控制技术

树脂塔的运行过程：两塔顺序运行，一塔再生或待机，分步序进行，由一次水洗、反洗、酸再生、二次水洗、NaOH再生、三次水洗、盐水置换等7步序来完成。经过试验及对比，如对二次水洗时间控制少于120 min时，往往不能达到预期的效果。因此，需合理调配出符合现有工艺控制指标的步序流程。（1）一次水洗工序。主要是将下线塔中的剩余盐水用纯水置换，纯水从塔顶进入，废盐水回收到回收盐水罐，此过程时间为60 min，纯水流量控制在30.5 m3/h；（2）反洗工序。主要是将纯水从塔底进入，通过液体将较小直径的树脂颗粒流动带走，并使产生的废水流到离子交换树脂捕集器后，再统一回收到回收盐水罐，此过程为30 min，纯水流量控制在55 m3/h；（3）酸再生工序。主要是将纯水稀释后的盐酸送入塔进行树脂再生，转换出氢离子，达到此工序的置换目的，此过程时间为45 min，纯水流量控制在18.1 m3/h、31%HCl控制在3.9m3/h；（4）二次水洗工序。主要是使用纯水来置换塔中剩余的盐酸，此工序持续时间120 min，控制纯水流量26.1 m3/h；（5）NaOH再生工序。主要是烧碱被水稀释后送入塔进行树脂再生，把树脂从H+形置换成Na+形的过程；（6）三次水洗工序。主要是使纯水置换塔中剩余的烧碱，在废水槽中酸碱中和后送到界外，此工序持续时间60 min，控制纯水流量26.1 m3/h；（7）盐水置换工序。主要是用从塔底供应的盐水对塔中剩余的纯水置换的过程，并且将废水经过离子交换树脂捕集后回收，此工序持续时间180 min，控制盐水流量13.1 m3/h。

纯水气动阀、酸洗气动阀、碱洗气动阀及过滤装置、树脂塔液位、流量计等参数全部引入DCS集散控制系统，控制树脂塔再生程序的正常运行，同时加入联锁、流程报警及人机通讯界面，对减少人员的操作有着重要的意义。

4 运行过程中异常情况处理

4.1 二次盐水循环水联锁控制

二次盐水生产用纯水，现场设有纯水储罐，动力设备为一开一备，因此纯水系统有保障；循环水主要在树脂塔和脱氯塔冷却器使用，当循环水停止供应，车间备用一次水管线应急；一次水车间主要是整流冷却系统，当一次水停止供应，车间有循环水应急管线可保证整流冷却系统稳定运行。由DCS集散控制系统对动力设备设置开机与停机，实现备机与运行机组的核心联锁控制。

4.2 树脂塔流量报警和联锁

由DCS监控树脂塔纯水、精制盐水、31%高纯盐酸和32%液碱的瞬时流量，并记录任意时刻的数据，当检测到任意一个流量计的流量参数与系统预设的流量参数比对异常时，DCS上产生报警信号，同时及时暂停计时器。当检测到流量恢复时，继续运行计时器并及时进行数据累计，同时人工再次校核数据正确性。通常以纯水流量低报值、盐水低报或高报值、盐酸与NaOH流量低报值数据作为再生步骤和塔切换步骤的判断值和动作值，精确可靠、运行稳定。

4.3 p H值、游离氯的检测设置

操作中需要重视的监测数据包括精制盐水进出口p H值及氧化还原电位，并注重监测仪器的电极选用，测量点的安装位置，现场安装过程中环境温度的影响等，同时对盐水p H值的异常测量值进行比对，并针对温度异常显示添加现场温度补偿工具，以确保监测数据、调试数据比对正常。如果温度高可通过加装仪表冷却器来满足系统内p H值、游离氯的检测需要，确保系统运行正常。

4.4 突发异常情况处置方案

4.4.1 外界仪表气与电力供应异常

当发生仪表气源压力低报引起停车，最大可能是公用工程系统故障、现场管线或阀门泄漏，现场主操人员应立即关闭仪表储罐进户手阀，同时立即到现场检查有无漏点。如长时间不能恢复送气，提前将部分不关键气动阀改为手动，来降低仪表气的使用量，再生树脂塔、氯酸盐装置可暂时停止运行。当动力电停，岗位外操人员联系中控主操，送保安电，如保安电或者动力电送上后迅速启动纯水泵，当运行设备无法正常启动，立即启动备用设备，启动备用设备前需检查运行设备与备用设备阀门状态，检查完毕后立即按操作规范启动备用设备，仍然无效时应联系电气人员检查动力电是否正常，并及时送电，做系统全面停车准备。以树脂塔再生环节作为主要逻辑记忆工序进行复位，并合理处理后序流程。关闭进树脂塔前入料气动阀与手阀，确保安全生产。

4.4.2 车间空间气体监测异常

二次盐水精制工艺中可能产生的气体有氯气、氯化氢气体、氢气等，这些气体有毒有害，不仅威胁操作人员身体健康，同时对周围生态环境产生较大影响，一般可采用气体泄漏应急处理措施，包括找到异常泄漏的罐或管道泄漏点，立即切断进出阀门；罐进出口阀前发生泄漏，则采取向盐酸工段或液碱储槽倒罐，迅速撤离污染区人员至上风处或空气新鲜处，并立即警戒隔离，限制人员、车辆出入；应急处理人员必须戴自给正压式呼吸器，穿防毒服，不要直接接触泄漏物；现场合理通风，加速挥发气体扩散；小量用砂土混合，也可以用大量水冲洗，水稀释后放入废水系统中和；大量泄漏时构筑围堤，用泵转移至槽车或专用收集器内回收。

5 结语

综上所述，此项目的控制系统设计、试验与实施过程中，再生效果较为理想，目前的生产频率较为合理。在完成优化智能化控制的同时，大幅降低了操作人员工作强度，并摸索出符合现有工艺技术的DCS集散控制方案。