自動(dòng)化儀表在離子膜電解制堿工藝中的應(yīng)用

梁慧萍

（藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司，北京100022）

LIANGHui-ping

(Bluestar(Beijing)ChemicalMachinery Co.,Ltd.,Beijing 100022,China)

自動(dòng)化儀表在離子膜電解制堿工藝中的應(yīng)用

梁慧萍

（藍(lán)星（北京）化工機(jī)械有限公司，北京100022）

結(jié)合離子膜電解制堿工藝的特點(diǎn)，針對(duì)介質(zhì)和工藝參數(shù)選用自動(dòng)化儀表。對(duì)電解槽電壓差、氯氣、氫氣壓差、單元槽電壓及堿液濃度等測量方法進(jìn)行了論述。

離子膜電解；電解槽電壓差；折光濃度計(jì)；轉(zhuǎn)換器；數(shù)采系統(tǒng)

1 離子膜電解工藝自動(dòng)化儀表的選用

離子膜電解工藝裝置常用的自控儀表有熱電阻、壓力（液位）變送器、電磁流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、濃度計(jì)和pH值、ORP等檢測儀表。

這些儀表選型合適與否，是測量控制能否成功的關(guān)鍵?？傮w來講，由于工藝介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性和易燃、易爆性，在溫度、壓力不是很高的情況下，各類儀表的選型主要從防腐和防爆兩方面進(jìn)行考慮。從防腐角度考慮，當(dāng)介質(zhì)為鹽酸（常溫）、鹽水（86℃）、濕氯氣（86℃）等，根據(jù)儀表種類的不同可選用鉭、鈦、PFA、PTFE、PVDF等防腐材質(zhì)作為測量部件的材質(zhì)。對(duì)于90℃的32%液堿，儀表的接液部分可采用鎳或哈氏合金C、蒙乃爾。氯堿工廠有氯氣泄漏的情況發(fā)生，所以，還必須考慮環(huán)境對(duì)儀表的腐蝕，常采用在儀表的表面涂環(huán)氧樹脂、增加防護(hù)外套等措施進(jìn)行預(yù)防。對(duì)放置在現(xiàn)場的儀表盤、柜采用良好密封，通正壓的儀表，防止外界腐蝕性氣體對(duì)盤內(nèi)儀表、接線端子的腐蝕。從防爆角度考慮，電解產(chǎn)生的氫氣與空氣中的氧氣混合，如果現(xiàn)場有足夠能量的火源，就非常容易發(fā)生爆炸。根據(jù)電氣防爆區(qū)域劃分來選擇合適的儀表電氣種類和防爆結(jié)構(gòu)。離子膜裝置的防爆區(qū)域一般為1區(qū)，可以采用隔爆型Exd IICT4-CT6級(jí)來滿足要求。

另外，電解槽本身在電解過程中會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場，因此，在電解槽周圍選用“雙頻勵(lì)磁”電磁流量計(jì)，可以提高儀表的穩(wěn)定性和響應(yīng)性。測量腐蝕性介質(zhì)時(shí)，采用帶毛細(xì)管的表壓變送器，法蘭安裝。

離子膜電解工藝中，單座閥、蝶閥或偏心蝶閥、隔膜閥是常采用的閥門類型，應(yīng)根據(jù)控制介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)選擇合適的耐腐蝕材料。調(diào)節(jié)閥口徑的確定是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，要充分考慮工藝條件和參數(shù)及其他特殊要求?？趶接?jì)算采用供貨商提供的計(jì)算機(jī)軟件或公式，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來確定控制閥的口徑。

2 電解槽電壓差的檢測

電壓差的監(jiān)測對(duì)電解槽穩(wěn)定運(yùn)行以及生產(chǎn)安全具有非常重要的作用，如果正負(fù)兩極電壓偏差大于0.5 V，就必須報(bào)警通知操作人員電解槽單元槽異常，檢查問題，尋找原因，排除事故。

電壓差檢測時(shí)，將電槽兩端以及中間點(diǎn)引到電壓轉(zhuǎn)換器上，可測得電解槽上半部分電壓E1和下半部分電壓E2，測量回路如圖1所示。

在圖1的測量回路中，如果通過調(diào)整可變電阻VR將1點(diǎn)的電位調(diào)整到和3點(diǎn)電位相同，就沒有電位差顯示在電壓指示表或DCS中；如果假定E1幾乎等于E2，被檢測到的電解槽每半?yún)^(qū)的槽電壓的改變值相當(dāng)于電位差表V顯示的數(shù)值±1/2（E1-E2）?？勺x電壓指示表EDI或DCS顯示值的一個(gè)較大變化將意味著單元槽的操作不穩(wěn)定，例如電壓的波動(dòng)、短路、離子膜有泄漏、墊片泄漏等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)電壓差異常時(shí)，操作人員必須采取措施，否則，電解槽有可能被腐蝕，或產(chǎn)生電火花，甚至發(fā)生爆炸。

3 氯氣、氫氣壓差的檢測

根據(jù)電解槽自身的要求，離子膜必須貼向陽極側(cè)，另外，系統(tǒng)的后續(xù)工段氯氫壓縮機(jī)如果出現(xiàn)故障，會(huì)造成系統(tǒng)壓力波動(dòng)，甚至產(chǎn)生反向壓差，影響電解槽以及離子膜的壽命，因此，要求系統(tǒng)的氣相壓差保持4 kPa。為實(shí)現(xiàn)壓差的穩(wěn)定控制，采用的調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2所示，圖中△P為要求控制的氯氣、氫氣壓差。

正常工作中，系統(tǒng)圖的調(diào)節(jié)過程是：（1）氯氣壓力調(diào)節(jié)。按工藝操作要求，首先對(duì)氯氣壓力進(jìn)行設(shè)定，在DCS調(diào)節(jié)器里和測量值進(jìn)行比較，如果測量值和給定值有偏差，調(diào)節(jié)器的輸出就有相應(yīng)的改變，調(diào)節(jié)PV-216，使氯氣壓力回復(fù)到給定值。（2）氫氣壓力控制。氫氣壓力必須和氯氣壓力保持一定的差壓，氯氣壓力為主參數(shù)，氫氣壓力隨著氯氣壓力的變化而改變，氫氣調(diào)節(jié)器的給定值為氯氣壓力測量值進(jìn)行比值運(yùn)算之后的輸出，氫氣的給定值SV=KPV1+ 4 kPa，K為氫氣壓力和氯氣壓力的比值系數(shù)（K=1），PV1為PIT-216氯氣的測量值。SV給定值再和氫氣的測量值（PIT-226）進(jìn)行比較，如果測量值和給定值有偏差，這時(shí)調(diào)節(jié)器通過PI調(diào)節(jié)，輸出就有相應(yīng)的改變，調(diào)節(jié)PV-226，使氫氣壓力和氯氣壓力保持一定壓差。

當(dāng)氯氫壓縮機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，將ZV-219和ZV-229 2個(gè)切斷閥連鎖切斷，這樣，就不會(huì)造成前邊系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，總管氯氣通過支管去除害，氫氣放空，可有效防止由壓差不穩(wěn)定造成的電解槽和膜的損壞。

4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

如果分組片數(shù)少，單元槽數(shù)又多，就需考慮采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為MX或MW系統(tǒng)，兩者比較如表1所示。

表1 MX與MW系統(tǒng)的比較

4 電解槽單元槽電壓的檢測

每個(gè)單元槽電壓的穩(wěn)定關(guān)系到電解槽的正常工作。以前采用的人工測量單元槽電壓的方式既繁瑣又費(fèi)時(shí)，且準(zhǔn)確度不高，不能滿足生產(chǎn)及控制的需要。為了實(shí)現(xiàn)單元槽電壓的自動(dòng)監(jiān)測，根據(jù)不同情況、不同需求采用了轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MX或MW100 2種方式，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)某個(gè)單元槽電壓的異常，易于快速準(zhǔn)確地確認(rèn)原因。另外，電腦中的歷史記錄也可以總結(jié)電解槽的運(yùn)行狀況，為掌握電解槽的性能提供歷史數(shù)據(jù)。

以目前最大產(chǎn)能2.5萬t/a的一臺(tái)電解槽的單元槽數(shù)為168片為例，根據(jù)用戶的需求和資金的考慮，采用分組監(jiān)測。目前用戶要求一般有2種情況，即10片單元槽一組或3片一組進(jìn)行電壓的測量。

4.1 轉(zhuǎn)換器的方式

這種方式是針對(duì)10片一測的情況，168片單元槽需要測17組電壓，如果電解槽總的臺(tái)數(shù)少，就可以采用轉(zhuǎn)換器的方式。從電解槽上引出每組電壓信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換器把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)送到DCS控制室，通過DCS的組態(tài)在畫面上顯示出來。這種測量方法的好處是轉(zhuǎn)換器耐壓值高，基本不需要調(diào)試，維護(hù)量也很小，經(jīng)濟(jì)又實(shí)用。

從表1可以看出，MX不可以和DCS通訊，另外，MX較MW價(jià)格稍便宜，所以，在實(shí)際工程項(xiàng)目中要根據(jù)需求來選擇。兩系統(tǒng)的輸入模塊又分為4通道輸入模塊和10通道輸入模塊，4通道的通道間耐壓值為250 V（連續(xù)）；10通道的通道間耐壓值為120 V（連續(xù)）。模塊與模塊間的共模電壓最大為600 V，每個(gè)主模塊可以帶6個(gè)輸入模塊。

1臺(tái)電解槽按168片，3片一組來檢測，每片單元槽電壓3.5 V計(jì)算，則一組的電壓值為10.5 V?？偣?6組。采用10通道的輸入模塊，一個(gè)輸入模塊的總電壓為105 V，小于120 V。1臺(tái)電解槽采用1個(gè)主模塊和6個(gè)輸入模塊就可以滿足電壓的測量，與4通道的比起來是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。如果采用4片或者4片以上來分組進(jìn)行測量，只能選擇4通道的輸入模塊，但模塊數(shù)比較多，不是最佳的分組方案，所以，建議可根據(jù)工程需要以及價(jià)格來綜合考慮選擇分組和數(shù)采系統(tǒng)。

5 堿液濃度的檢測

堿液濃度是進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量和成本評(píng)估的重要參數(shù)，人工分析準(zhǔn)確度不高，現(xiàn)在采用在線自動(dòng)檢測。目前，振動(dòng)式密度計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)是比較常用的堿液濃度測量儀器。

振動(dòng)式密度計(jì)是采用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合寬量程的傳感器技術(shù)開發(fā)出來的可靠性高、多功能的儀表，具有一觸式校正、自我診斷、輸出等多種功能，測量精度高，價(jià)格比較便宜。但在使用過程中，必須經(jīng)常清洗檢測器的振子，檢測器內(nèi)部的干燥劑也需要每年更換一次，安裝時(shí)由于與管道連接的部分比較細(xì)，振動(dòng)式密度儀的檢測器又比較重，容易使連接管壓彎，造成連接部分密封不嚴(yán)，堿液很容易從連接處滲流到檢測器的外部造成腐蝕，因此，安裝時(shí)要特別注意連接的水平性，將檢測器適當(dāng)?shù)刂喂潭āＳ捎谛詢r(jià)比高，振動(dòng)式密度計(jì)是目前最常用的測量儀器[1]。

質(zhì)量流量計(jì)有很高的測量準(zhǔn)確度，可以多參數(shù)測量，測量值不受流體特性的影響，安裝上沒有直管段的要求，但管道振動(dòng)會(huì)影響精度，也必須做牢固的支撐，測量管磨損、結(jié)垢會(huì)影響測量精度，維護(hù)量相對(duì)小。在離子膜電解檢測中將質(zhì)量流量計(jì)裝在成品堿出口的總管上，可以替代密度計(jì)和電磁流量計(jì)，但價(jià)格比較昂貴。

還有一種檢測儀器是K-Patents公司的在線折光儀。這種折光儀用來測量堿液濃度，精度非常高，不受介質(zhì)中固體顆粒、氣泡、結(jié)晶體、籽、纖維、顏色或溫度變化的影響，無需任何校準(zhǔn)和日常維護(hù)，使用壽命長。由于其價(jià)格比質(zhì)量流量計(jì)還高，目前只有少數(shù)氯堿廠采用。

因此，在儀表選型時(shí)，要根據(jù)廠家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，管理水平和應(yīng)用需求綜合考慮來選用。

[1]陸德明，張振基，黃步余.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).第三版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：107.

Application of automatic instrument in ionicmembrane caustic soda process

According to analyze themedium and process parameter of ionicmembrane caustic soda process and combingwith the characteristics of ionicmembrane caustic soda,the automatic instrumentwas selected and used.Themethod ofmeasurement electrolyzer differential pressure,chlorine and hydrogen differential pressure,unitcellvoltageand alkaliconcentrationwere discussed.

ionic membrane electrolysis;electrolyzer differential pressure;refractive concentration meter; converter;data collection system

book=18,ebook=111

TQ056

B

1009－1785(2010)07－0018-03

LIANGHui-ping

(Bluestar(Beijing)ChemicalMachinery Co.,Ltd.,Beijing 100022,China)

2010-01-18