蒸餾預(yù)灰桶調(diào)和液pH計(jì)應(yīng)用及改進(jìn)

陳 濤，吳海源

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510760)

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技 術(shù) 討 論

蒸餾預(yù)灰桶調(diào)和液pH計(jì)應(yīng)用及改進(jìn)

陳 濤，吳海源

(廣東南方堿業(yè)股份有限公司，廣東廣州 510760)

簡要介紹了筆者對(duì)蒸餾預(yù)灰桶調(diào)和液pH計(jì)進(jìn)行整改的情況及電極使用維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)，并對(duì)pH計(jì)在石灰乳—預(yù)熱母液流量串級(jí)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

蒸餾預(yù)灰桶；調(diào)和液；pH計(jì)；電極；串級(jí)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1 安裝預(yù)灰桶調(diào)和液pH計(jì)的目的

氨堿法純堿生產(chǎn)蒸餾工序操作控制的目的是在預(yù)灰桶、蒸餾塔中分別加入石灰乳、蒸汽以分解、蒸出氨,并控制蒸餾廢液中較低的過量灰 CaO(1～2 tt) ,使廢液中的氨含量降至最低(0.07～0.15 tt), 減小跑氨, 降低氨、灰乳、汽耗, 以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。該工序的工作效率如何關(guān)系到純堿制造的成本高低及三廢能否達(dá)標(biāo)排放，直接影響到整個(gè)公司的效益。為此，我們?cè)谡麴sB、C、E塔系統(tǒng)采用瑞士梅特勒-托利多公司的工業(yè)過程pH計(jì)(以下簡稱“pH計(jì)”)對(duì)各預(yù)灰桶調(diào)和液的pH值進(jìn)行在線連續(xù)測(cè)量，同時(shí)為今后石灰乳—預(yù)熱母液流量串級(jí)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投運(yùn)做好準(zhǔn)備。

在這一系列的工作中，pH計(jì)的正常運(yùn)行是重中之重，也一直是氨堿行業(yè)努力追求的目標(biāo)。從2012年12月以來，我們先后對(duì)pH計(jì)電極的安裝方式和位置、自動(dòng)清洗系統(tǒng)及pH計(jì)電極的使用維護(hù)進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和整改，使pH計(jì)能長周期穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也總結(jié)出了若干條使用經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)將相關(guān)情況簡介如下，與大家共同探討。

2 pH計(jì)系統(tǒng)整改情況

整套pH計(jì)系統(tǒng)由InPro4260型復(fù)合玻璃電極(即傳感器)、lnTrac777P型氣動(dòng)伸縮護(hù)套(即氣缸)、EasyClean150型全自動(dòng)清洗和校準(zhǔn)系統(tǒng)及M400型變送器(即多參數(shù)監(jiān)控儀)組成。

2.1 pH計(jì)電極安裝方式和位置的確定

pH計(jì)電極安裝方式和位置的確定有一個(gè)逐步探索的過程。

1)開始將電極安裝在預(yù)灰桶調(diào)和液主出口管(DN300)的取樣罐上。這樣安裝存在一定的問題。因?yàn)榘惭b在調(diào)和液出口管道(DN300)上的pH計(jì)取樣罐是一個(gè)阻力件，故大部分調(diào)和液經(jīng)主出口管(DN300)流入加熱器，相對(duì)的流入pH計(jì)取樣罐的量很小，形成“死水”，致使取樣罐內(nèi)的調(diào)和液流動(dòng)不暢，溫度及濃度都偏低，所測(cè)得的pH值也不具代表性。

2)后來根據(jù)工藝方面的建議，我們?cè)陬A(yù)灰桶調(diào)和液的出口管上安裝pH電極進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果使用不到1個(gè)月電極頭就被磨穿報(bào)廢。我們對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了分析：由于調(diào)和液出口管中的調(diào)和液流速大、泥沙多，對(duì)pH電極沖蝕磨損嚴(yán)重，雖然一時(shí)能測(cè)得較為準(zhǔn)確的pH值，但會(huì)大大縮短pH電極的使用壽命，顯然也不是好的選擇。

3)最后我們參考了索爾維公司的安裝方法，最后確定將pH計(jì)安裝在預(yù)灰桶的中下部(蒸吸二樓)，理由如下：

①該處位置離調(diào)和液出口不遠(yuǎn)，反應(yīng)已絕大部分完成，能反映出較為真實(shí)的pH值；

②因?yàn)轭A(yù)灰桶的容積比主管道(DN300)大百倍，所以將pH計(jì)取樣口設(shè)置于預(yù)灰桶上，則調(diào)和液的流速比管道內(nèi)要小得多，相對(duì)來說對(duì)pH電極的沖刷也要小得多；

③石灰乳中的泥砂沉積在預(yù)灰桶達(dá)到底部，故調(diào)和液中所帶的泥砂也比主管道(DN300)內(nèi)要小得多，對(duì)pH電極的磨損也要小得多；

④預(yù)灰桶內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，石灰乳與母液混合反應(yīng)較均勻，pH值真實(shí)可靠。

最為重要的一點(diǎn)是：索爾維公司是在積累了大量的使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上才選定了安裝位置，并且pH計(jì)在其下屬的堿廠也有成功使用的經(jīng)驗(yàn)，值得我們作為參考。

2.2 pH計(jì)自動(dòng)清洗系統(tǒng)的整改

1)進(jìn)氣及進(jìn)水電磁閥的改造。由于安裝在管道或反應(yīng)容器中的電極必須能從樣品介質(zhì)中取出來進(jìn)行維護(hù)，故梅特勒-托利多pH計(jì)采用了EasyClean150型全自動(dòng)清洗和校準(zhǔn)系統(tǒng)來控制氣缸上電極的伸縮并監(jiān)控電極的自動(dòng)沖洗功能。

通過在M400型變送器中進(jìn)行相關(guān)組態(tài)，可設(shè)置每次清洗電極的時(shí)間及時(shí)間間隔，并通過轉(zhuǎn)換器的觸點(diǎn)輸出來自動(dòng)啟動(dòng)EasyClean150系統(tǒng)中的壓縮空氣電磁閥和進(jìn)水電磁閥，以實(shí)現(xiàn)對(duì)pH計(jì)電極的自動(dòng)維護(hù)工作。其中的壓縮空氣和進(jìn)水電磁閥均為進(jìn)口產(chǎn)品。

如上所述，EasyClean150型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念是較為先進(jìn)的。但在實(shí)際的運(yùn)行過程中出現(xiàn)了水土不服的情況。壓縮空氣電磁閥和進(jìn)水電磁閥(下簡稱“電磁閥” )在使用2～3天后就會(huì)發(fā)生堵塞，這些都嚴(yán)重影響了pH計(jì)的連續(xù)正常運(yùn)行，必須進(jìn)行整改。

由于進(jìn)口電磁閥價(jià)格昂貴(單價(jià)可達(dá)數(shù)千元)且供貨周期較長，故我們改造的主要思路是采用價(jià)廉物美的國產(chǎn)產(chǎn)品來替代進(jìn)口產(chǎn)品。目前各套pH計(jì)的電磁閥均已采用國產(chǎn)產(chǎn)品改造完畢。改造后各pH計(jì)氣缸伸縮自如，尤其是進(jìn)水電磁閥自投用以來未發(fā)生過任何故障，取得了十分滿意的效果。

2)EasyClean150型系統(tǒng)控制線路板的改造。pH計(jì)進(jìn)氣和進(jìn)水電磁閥的動(dòng)作原先由廠家專用的控制線路板進(jìn)行控制。2015年3月，其中的一套控制線路板失靈，致使氣缸無法正常伸縮，電極也無法進(jìn)行正常的測(cè)量和清洗維護(hù)。咨詢廠家則需要更換線路板及控制芯片，周期長且費(fèi)用不菲。信息部主動(dòng)決定依靠自身的技術(shù)力量進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，改用DCS的開關(guān)量輸出功能來取代原先控制線路板的功能。我們先后完成了三套pH計(jì)控制線路板的改造工作，改造后未再出現(xiàn)類似的故障，為公司節(jié)省約6萬元的采購費(fèi)用，效果良好。

3)pH計(jì)洗水出水口的創(chuàng)新改造。我們?cè)跉飧壮鏊谔幉捎昧畠r(jià)透明塑料漏斗加接PVC管的方法將清洗電極后的出水引入排水地溝，克服了用不銹鋼管或軟塑料管容易堵塞且不易清理的缺點(diǎn)，也容易監(jiān)測(cè)排水口是否堵塞。大約1個(gè)月對(duì)塑料漏斗和PVC管清洗一次即可。目前在用pH計(jì)的洗水出水口均全部改造完畢，排水通暢，取得了較為滿意的效果。

3 pH電極性能試驗(yàn)及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)

從2013年3月pH計(jì)試驗(yàn)投用至今，我們對(duì)pH電極的使用積累了一系列的經(jīng)驗(yàn)，簡略總結(jié)如下：

1)經(jīng)過我們近3年的篩選試驗(yàn)，認(rèn)為梅特勒-托利多的InPro 4260型復(fù)合玻璃電極能滿足我們的需要。該型電極配有一個(gè)開放式隔膜(解決了測(cè)量粘性及含高顆粒介質(zhì)時(shí)存在的隔膜受污染的問題)，且耐高溫(80 ℃以上)、耐沖刷，十分適合于調(diào)和液pH值的測(cè)量。實(shí)踐也證明該型電極測(cè)量精確度高，可長期穩(wěn)定運(yùn)行。在其中一臺(tái)預(yù)灰桶上使用的該型電極，使用期限已達(dá)到230天以上，性能仍然正常。標(biāo)定(校準(zhǔn))時(shí)，其零點(diǎn)、斜率及復(fù)現(xiàn)性都較好：如2016年1月14日某次電極兩點(diǎn)標(biāo)定結(jié)果：零點(diǎn)Z=7.017 (pH)；斜率S=95.55%。此外，InPro 4800型復(fù)合玻璃電極也可滿足使用要求，但性能稍遜。建議今后統(tǒng)一購買和使用InPro 4260型復(fù)合電極。

2)電極要輪換使用。一般每臺(tái)塔pH計(jì)要準(zhǔn)備2支電極輪流使用，各pH計(jì)之間的電極最好也不要混用。在伸縮式氣缸密封墊片不泄漏的條件下，一支電極在使用一段時(shí)間后需要拆下維護(hù)，然后換另一支電極標(biāo)定后立即投用。這樣做即可保證電極的使用性能，又不會(huì)過分地增加維護(hù)的工作量。

3)標(biāo)定用的緩沖液要定期更換。根據(jù)我們的實(shí)際需要，電極采用兩點(diǎn)標(biāo)定：即用pH6.86及pH12.00的緩沖液來進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定，用pH9.18及pH10.00的緩沖液來進(jìn)行查定(主要是檢查線性及復(fù)現(xiàn)性)。

4)電極由于長期受腐蝕性較強(qiáng)的高溫(約80 ℃)調(diào)和液的沖刷，在電極表面上會(huì)形成一層薄的結(jié)垢層，影響其使用性能，故在使用數(shù)日后需拆下進(jìn)行維護(hù)。我們改進(jìn)了廠家原先給出的維護(hù)方法，用廉價(jià)的稀鹽酸浸泡電極數(shù)小時(shí)，徹底清除電極上的結(jié)垢后再進(jìn)行日常維護(hù)。事實(shí)證明該方法花錢少且效果極好，對(duì)電極的維護(hù)十分有利。

5)將電極從伸縮式氣缸中拆出進(jìn)行維護(hù)時(shí)，我們都提前采取有力措施，防止氣缸突然伸進(jìn)導(dǎo)致調(diào)和液噴出傷人的意外情況發(fā)生。

6)插拔電極時(shí)要極為小心，避免電極在氣缸內(nèi)斷裂，導(dǎo)致pH計(jì)無法繼續(xù)運(yùn)行。

7)氣缸不能正常伸縮時(shí)，要仔細(xì)確定是否是氣缸漏氣所致。若采取相應(yīng)的措施還是無法排除故障的話，一般是內(nèi)部密封墊片漏氣所致，需拆下氣缸更換。密封墊片應(yīng)定期(一般為半年或一年)更換，以保證氣缸的密封性。

8)及時(shí)處理電極與多芯電纜的接觸不良或多芯電纜的內(nèi)部故障(如短路或斷路)，保證pH值及溫度值的正常顯示。

4 pH計(jì)今后使用方面的建議

pH計(jì)的使用雖然已步入正軌，但還是需要一定量的維護(hù)。從近三年的維護(hù)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)來看，每隔10至15天就要更換一次電極，每次維護(hù)約需20 min，占用了不少人力物力。為此可考慮升級(jí)現(xiàn)有的系統(tǒng)：即使用梅特勒-托利多新推出的智能pH電極和智能變送器，通過智能傳感器管理(ISM)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的預(yù)測(cè)性維護(hù)。其最重要的功能是可以在遠(yuǎn)離工藝現(xiàn)場(chǎng)的安全環(huán)境中對(duì)傳感器(電極)進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)。這有助于減少現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)操作的危險(xiǎn)性(如蒸餾操作中可能發(fā)生的氨泄漏等情況)并節(jié)省維護(hù)時(shí)間，對(duì)我們來說也十分具有吸引力。雖然升級(jí)的初期投資較多，但從長遠(yuǎn)應(yīng)用的便利性、性價(jià)比及現(xiàn)場(chǎng)總線快速發(fā)展的趨勢(shì)來看，值得嘗試。

5 pH計(jì)在控制系統(tǒng)中應(yīng)用的意義

要達(dá)到本文開頭提到的蒸餾工序操作控制的目

的，就要嚴(yán)格控制各項(xiàng)工藝指標(biāo)以及配備有效的自控儀表。若沒有灰乳、蒸汽的自控系統(tǒng), 光用人工操作是很難完成上述目的的。而我公司引進(jìn)的索爾維真空蒸餾裝置帶有灰乳、蒸汽自控系統(tǒng), 就能圓滿地完成上述目的。如索爾維公司在德國的萊茵伯格堿廠pH計(jì)的使用就有成功的經(jīng)驗(yàn)。

按照引進(jìn)索爾維真空蒸餾技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì), pH計(jì)安裝在真空預(yù)灰桶中下部, 以連續(xù)、準(zhǔn)確地測(cè)量桶內(nèi)調(diào)和液的pH值,作為灰乳—預(yù)熱母液流量比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)(參見圖1) 的參數(shù),以此確定灰乳與預(yù)熱母液流量的比值來自動(dòng)調(diào)節(jié)加灰量。此比值與兩種母液的因素有關(guān)，如石灰乳的密度值，它可提供判斷灰乳中CaO濃度。為此，加入灰乳的密度值信號(hào)(來自核密度計(jì))以及真空預(yù)灰桶出口的調(diào)和液pH值的信號(hào)，形成如圖1所示的串級(jí)復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)來修正該比值。由于調(diào)和液的pH值與過?；业臐舛瘸示€性關(guān)系，因此通過pH計(jì)的在線實(shí)時(shí)測(cè)量，便可推斷調(diào)和液出口過量灰的含量，如此便可控制調(diào)和液出口過量灰的含量在2～3 tt, 為下一步將廢液中過量灰的含量控制在1～2 tt的水平奠定了良好的基礎(chǔ)。采用pH計(jì)后，克服了人工分析調(diào)和液過?；伊繙蟮娜秉c(diǎn)，對(duì)蒸氨生產(chǎn)起到穩(wěn)定作用。

圖中:E1輸入1=預(yù)熱母液FT(流量計(jì))的輸出；E2輸入2=石灰乳FT的輸出；E3輸入3=AIC(pH值指示調(diào)節(jié)器)的輸出； E4輸入4=DT(密度計(jì))的輸出；A1輸出1=控制器的連續(xù)輸出圖1 灰乳—預(yù)熱母液流量比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

一般來說,氨在高溫下極易蒸出,在蒸餾塔上部1/3塔板處已蒸出絕大部分的游離氨, 塔下部2/3塔板用來蒸出其余的殘氨。廢液中的微量氨是很難驅(qū)趕的, 除要在塔下通入足量的蒸汽以降低氣相的氨分壓及足夠的停留時(shí)間外, 更重要的是在廢液中保持一定量的過量灰。若蒸餾塔塔況好的話,過量灰的控制就成為控制廢液含氨達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵操作。而廢液過量灰和含氨量的相應(yīng)關(guān)系可通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出。根據(jù)資料,大化曾做過廢液過量灰與NH3關(guān)系曲線。表明廢液過量灰CaO為2.2 tt時(shí),含NH3達(dá)標(biāo)(0.12 tt)。

目前，蒸餾B、C、E塔系統(tǒng)預(yù)灰桶調(diào)和液pH計(jì)運(yùn)行連續(xù)、穩(wěn)定，應(yīng)該說調(diào)和液pH值的測(cè)量已基本過關(guān)。對(duì)與其配套的石灰乳和母液測(cè)量用電磁流量計(jì)、進(jìn)蒸吸石灰乳密度(濃度)測(cè)量用核密度計(jì)(LB-444型，由德國進(jìn)口)、石灰乳流量調(diào)節(jié)閥等儀表，我們也積累了較為豐富的故障判斷和處理經(jīng)驗(yàn)，能保證上述儀表長周期穩(wěn)定運(yùn)行。下一步的工作是與工藝方面密切配合，尋找出調(diào)和液pH值與廢液含氨量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，開好灰乳-預(yù)熱母液比值自控系統(tǒng)，為南堿創(chuàng)造出更為可觀的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保社會(huì)效益。

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1005-8370(2016)06-17-04

2016-06-06

陳濤(1969—)，畢業(yè)于中山大學(xué)，計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)，化工儀表及自動(dòng)化高級(jí)工程師。廣東南方堿業(yè)股份有限公司信息部儀表專職工程師，發(fā)表過多篇論文。