烧碱系统自动化控制优化

马学华

（唐山三友氯碱有限责任公司，河北 唐山 063305）

唐山三友氯碱有限责任公司在企业的生产作业中，涉及浓硫酸、烧碱、盐酸、氯气、氢气、次氯酸钠等多种危险化学品，且岗位操作涉及高温、高压的场所多、危险系数大，因此，从生产工艺流程入手，依托现有设备、设施，进行深度挖潜，并结合DCS自动控制技术、远传仪器仪表在线分析检测技术，逐步提升自动化控制水平，降低操作工频繁的重复性操作，控制人为因素造成的误操作几率，从本质上消除安全、环保隐患。

1 废氯气处理系统自动化控制优化

1.1 生产现状

为了确保离子膜烧碱生产系统生产过程的安全稳定，配套设置了废氯气处理系统，即次氯酸钠生产系统，用于处理离子膜烧碱生产系统开、停车阶段电解工序、氯氢处理工序、氯化氢合成工序、液氯工序等处产生的废氯气、氯气透平机中间腔处废氯气以及事故氯气等。废氯气处理的原理为含氯废气在串联的一级废氯气吸收塔和二级废氯气吸收塔中与碱液逆流接触发生化学反应，生成次氯酸钠，尾气排放至大气中，反应方程式如下。

2NaOH+Cl2▶NaClO+NaCl+H2O

废氯气处理系统的工艺流程为废氯气从一级废氯气吸收塔底部进入，在填料层与一级废氯气吸收塔上部下来的稀释碱液充分接触，尾气由一级废氯气吸收塔顶部进入二级废氯气吸收塔底部，并在填料层与二级废氯气吸收塔上部下来的稀释碱液充分接触，由顶部引风机抽出排入大气，废氯气系统真空维持-2 kPa，由引风机通过变频自动调节。一级废氯气吸收塔吸收碱液、二级废氯气吸收塔吸收碱液分别由对应的碱液循环泵送至吸收塔顶部，反应所释放出的热量分别由一级碱液冷却器、二级碱液冷却器带走，当游离碱浓度达到0.5%～0.9%，有效氯达到13.0%～14.0%时，通过次氯酸钠泵输送至成品罐区待售。废氯气处理系统工艺流程图见图1。

图1 废氯气处理系统工艺流程图

废氯气处理系统的生产模式，最初是由操作工现场手动进行操作，后发展到中控室DCS远程手动操作气动控制阀。在生产操作过程中存在缺陷，一是气动控制阀门，由中控室DCS操作人员发出阀门打开、关闭的操作指令，有因操作不当引发生产事故的风险；二是废氯气处理系统吸收碱液的游离碱浓度，通过现场人员间断性的做样进行监测，存在滞后性，尤其是在次氯酸钠生产的后期，因做样分析不及时或不准确，废氯气处理系统存在跑氯的风险。

1.2 废氯气处理系统自动化控制优化方案

通过对废氯气处理系统操作过程进行全面分析，结合DCS自动控制技术、远传仪器仪表在线分析检测技术，实现了次氯酸钠生产的自动化控制。在原有设备、设施的基础之上，增加切断阀、游离碱在线分析仪、电导率检测仪及其附属管线，实现稀释碱液配置、游离碱浓度检测的生产过程控制优化。

（1）稀释碱液配置优化

设置稀释碱液配置自动程序启动投入/解除按钮。当自动程序投入使用时，稀释碱液配置时选择对应按钮，当碱液循环罐液位低于设定值SV1，且循环碱液进口切断阀、出口切断阀均关闭，则碱液配置切断阀、烧碱流量调节阀、纯水流量调节阀打开，烧碱流量、纯水流量通过串级控制关系进行调节，稀释碱液自动配置。当碱液循环罐液位高于设定值SV2，则碱液配置切断阀、烧碱流量调节阀、纯水流量调节阀关闭，稀释碱液配置结束。

（2）次氯酸钠外排操作优化

设置次氯酸钠外排自动程序启动投入/解除按钮，当自动程序投入使用时，碱液循环罐排次氯酸钠时选择对应按钮，当液位高于设定值SV3，且循环碱液进口切断阀、出口切断阀均关闭，则次氯酸钠外排切断阀打开；当碱液循环罐液位低于设定值SV4时，次氯酸钠泵停泵，同时次氯酸钠外排切断阀关闭，次氯酸钠外排操作结束。

（3）废氯气系统游离碱浓度检测优化

在一级碱液循环罐碱液循环管线上增加附属管线，连接至游离碱浓度在线分析仪，实现吸收碱液游离碱浓度的在线监控。依据废氯气系统吸收碱液游离碱浓度的变化规律，实施梯度检测方案。前期吸收碱液游离碱浓度高时，检测频度低，取样量小；后期吸收碱液游离碱浓度低时，检测频度高，取样量适当增加，以便实现吸收碱液游离碱浓度的及时、准确测量。游离碱浓度梯度检测方案的实施，既节省了检测试剂的使用量，又确保了废氯气系统在生产后期不跑氯，实现了废氯气生产系统的安全稳定运行。

（4）注意事项

此次废氯气处理系统优化方案中，自动化程序的执行依赖于自动阀、分析计量仪表等的及时、准确反馈，因此在实际生产过程中，需要定期对液位计、自动阀、游离碱在线分析仪等进行校对，确保数据的准确性，实现自动化程序的稳定运行。

2 树脂塔再生酸水回用自动控制优化方案

2.1 生产现状

现阶段国家对水资源的管控日益严格，废水的排放处理、中水回用对企业的发展至关重要。盐水中的钙离子、镁离子等多价金属离子会对离子膜造成严重伤害。在一次盐水精制过程中钙离子、镁离子等多价金属离子通过化学沉淀，预处理器、凯膜过滤器处理能降低到10-6水平，但残余浓度仍不能满足离子膜电解工艺对盐水中多价金属离子的浓度要求。需要通过螯合树脂进行二次盐水精制，使盐水中钙离子、镁离子等多价金属离子的浓度降低至10-9水平，为电解槽提供满足生产需求的二次精制盐水，实现零极距自然循环离子膜电解槽的安全稳定运行。

公司离子膜烧碱生产系统配置了3台螯合树脂塔，两塔串联运行，后塔起保护作用，一塔再生。为了保证螯合树脂的离子交换吸附能力处于最佳的工作状态，需要定期进行酸碱再生。螯合树脂塔的再生过程包括水洗1、反洗、酸再生、水洗2、碱再生、水洗3、待机1、盐水填充、待机2。在再生过程中累计产生酸性废水约160 m3/d，尝试将其回收至阳极液排放槽中，通过阳极液排放泵输送至淡盐水生产系统，经脱氯塔脱氯后输送至一次盐水工序用于化盐，实现循环再利用。既缓解了企业发展所面临的环保压力，又节省了水资源、降低了生产成本。

螯合树脂塔再生酸性废水进入淡盐水生产系统后，使得系统中的淡盐水流量增加、温度降低，引起了淡盐水生产系统pH值、真空度、游离氯含量的波动，严重影响脱氯塔的脱氯效果。脱氯塔通过物理脱氯方法和化学脱氯方法除去淡盐水中的游离氯。物理脱氯就是破坏有效氯体系的平衡，使有效氯尽可能的转化为氯气，并从体系中分离。化学脱氯需要用氢氧化钠来调节淡盐水的pH值，使有效氯从氯气形式全部转化为次氯酸钠的形式，再用亚硫酸钠还原。通过对脱氯塔的生产工艺流程进行分析，发现真空度的稳定调节和淡盐水流量的稳定控制，对脱氯塔的脱氯效果至关重要。

公司脱氯塔真空度的现行调节方式为：调节阀与脱氯塔真空度形成控制回路，自动调节；设置了DN25的手动阀作为旁路，进行辅助调节。在螯合树脂塔再生酸性废水回收至阳极液排放槽，进入淡盐水生产系统后，此配置的调节能力已经不能满足脱氯塔的生产需求。同时，阳极液排放槽液位由操作工通过阳极液排放泵的启停手动控制，操作频繁，且调节上存在着个体差异，不利于脱氯系统指标的稳定控制。

2.2 脱氯塔真空度自动化控制优化

在原有脱氯塔工艺流程的基础之上，增加DN50的自动调节阀，和原有的自动调节阀并联，同时与脱氯塔真空度形成控制回路，控制脱氯塔的真空度，保留了原有DN25的手动阀作为旁路，进行辅助调节。根据脱氯塔真空度的变化趋势，结合DCS自动控制技术，适当调整自动调节阀的PID参数。两个自动调节阀投入脱氯塔生产系统使用后，调节及时、准确，脱氯塔真空度稳定，脱氯效果良好。

2.3 阳极液排放槽液位自动化控制优化

在原有脱氯塔工艺流程的基础之上，阳极液排放泵增加变频控制器，与阳极液排放槽液位形成控制回路，通过变频自动控制液位，避免因淡盐水流量的大幅度波动，影响脱氯塔的脱氯效果。阳极液排放槽液位自动控制，设置程序投入/解除按钮，程序投入状态下阳极液排放泵的变频自动控制液位，程序解除状态下阳极液排放泵的变频手动调节控制液位。阳极液排放槽液位自动化控制程序具体说明如下。

（1）阳极液排放槽液位设定值为SV5，与阳极液排放泵变频形成自动控制回路，当阳极液排放槽液位高于SV5值时，变频自动上调，当阳极液排放槽液位低于SV5值时，变频自动下调，维持液位稳定，确保脱氯塔的脱氯效果。

（2）当树脂塔再生酸性废水进入阳极液排放槽时，发出操作指令使阳极液排放泵变频强制手动并上调4%（实际上调量可根据生产情况适当调整）；持续至树脂塔再生酸性废水回收结束，此时发出操作指令使阳极液排放泵变频下调4%（实际下调量可根据生产情况适当调整），当阳极液排放槽液位低于SV5后，程序控制变频调节由手动控制变为自动控制，维持液位稳定。

3 电解工序纯水泵启动自动化控制优化方案

3.1 生产现状

目前，公司离子膜烧碱生产系统电解工序配套使用的动力泵共计25台，动力泵运行时均需要使用机封冷却水。机封冷却水通过外接冷却水或换热器的方式，与介质换热后，由冷却水来带走机械密封因摩擦所产生的热量，使机械密封的工作温度控制在安全允许范围之内，以延长机械密封的使用寿命；同时机封冷却水在机械密封的动环与静环之间，起到润滑的作用，减少机械密封在高速旋转时受到的摩擦损伤，降低设备异常损坏的几率，实现泵的安全稳定运行。

动力泵的机封冷却水统一由纯水泵提供，一旦纯水泵因动力电问题、泵自身故障等原因跳停时，可能造成机封冷却水供应不足，引起工序内其他运行泵的故障、跳停，导致所输送介质的流量、温度、压力波动，以及储罐液位波动等异常状况的发生，如果操作工发现、处理不及时，甚至会触发联锁条件，造成生产系统停车，不利于生产系统的安全稳定运行。

3.2 纯水泵启动自动化控制优化

现阶段纯水泵共计有2台泵，实际生产过程中1台泵运行、1台泵备用。在此基础之上，纯水泵增加DCS远程启动、停止功能；设置纯水泵自动启动程序，避免因纯水泵异常跳停后，机封冷却水供应不足，引发其他运行泵的故障，甚至生产系统联锁停车。纯水泵自动启动程序具体说明如下。

（1）纯水泵设置自动启动程序投入/解除按钮。自动启动程序投入状态下，纯水泵执行自动启动；自动启动程序解除状态下，纯水泵通过操作工手动操作，实现泵的启动。

（2）纯水泵A运行时，当其因故障跳停后，纯水泵B自动启动；纯水泵B运行时，当其因故障跳停后，纯水泵A自动启动。

（3）若运行泵因故障跳停后，备用泵未能实现自动启动，DCS解除自动启动程序，操作工手动开启备用泵。

4 电解工序烧碱循环自动化控制优化方案

4.1 生产现状

电解槽是离子膜烧碱生产系统的关键设备，公司使用的是旭化成公司的零极距自然循环离子膜电解槽。在电解槽的阳极电极和阴极电极之间安装着具有离子选择性渗透功能的离子交换膜，进行电解反应时，二次精制盐水和稀释碱液稳定的流过离子膜的两侧，而电流则穿过离子膜。根据下面的反应方程式：

可知，氯离子在阳极电极上放电生成氯原子，并最终结合生成氯气；水在阴极电极上电离生成氢气和氢氧根，钠离子则在电场作用下发生电迁移，并通过离子膜内部孔洞构造到达阴极室，与氢氧根结合生成烧碱。

在离子膜烧碱生产系统的开停车阶段，电解槽的开、停操作步骤多且杂。主要涉及了电解槽的充液、极化整流器的运行、阴阳极液相系统的大流量循环、阴阳极液相系统的最小量循环、烧碱的槽外循环、槽内循环等多项操作。期间随着各个操作步骤的有序进行，烧碱的需求量也随之发生变动，致使烧碱罐、烧碱高位槽、烧碱中间罐的液位产生波动，需要现场操作工频繁的调节手动阀门的开度，以便维持各烧碱储罐的液位稳定，实现烧碱循环系统的安全、稳定运行。烧碱循环系统工艺流程图见图2。

图2 烧碱循环系统工艺流程图

操作工频繁的手动操作阀门，调节循环系统中高温烧碱的流量，发生误操作的几率增大，对于生产系统来说是潜在的安全风险；同时操作工先是接收到操作指令、再去执行操作指令，在时间上存在滞后性，且阀门开度通过操作工手动进行调节、个体差异性大，易造成烧碱罐、烧碱高位槽、烧碱中间罐的液位过高或过低，不利于生产系统的稳定运行。因此实现烧碱循环过程各环节的稳定控制，是离子膜烧碱生产系统亟待解决的问题。

4.2 烧碱循环自动化控制优化

在原有生产工艺流程的基础之上，在烧碱管线增加两个自动调节阀分别与相对应的烧碱罐液位、烧碱中间罐液位形成控制回路，实现烧碱罐液位的自动控制；依据实际的工艺操作条件，结合DCS自动控制技术，自动调节阀设置相对应的PID参数。自动调节阀投入离子膜烧碱生产系统使用后，调节及时、准确，烧碱罐、烧碱高位槽、烧碱中间罐液位稳定，且循环系统中烧碱流量稳定，使用效果良好。优化后的烧碱循环系统工艺流程图见图3。

图3 优化后的烧碱循环系统工艺流程图

5 结语

氯碱行业离子膜烧碱生产系统的从业人员从生产工艺流程入手，一方面不断地进行精准化操作分析，寻找生产控制过程中存在的薄弱环节并进行优化；一方面持续关注最新检测仪器、仪表的发展动态，积极引进并用于生产过程中工艺指标的检测、控制。两方面积极配合，逐步提升生产工艺控制的自动化水平，消除生产过程中存在的安全、环保隐患。