氯化鈉酸化鹵水工藝自控技術(shù)探討

蓋玉浩

（天津海光藥業(yè)股份有限公司，天津 300457）

1 項(xiàng)目背景

藥用氯化鈉的生產(chǎn)工藝為工業(yè)鹽溶解后鹵水，經(jīng)過升溫加入輔料氯化鋇、混合堿(氫氧化鈉和碳酸鈉)除硫酸根以及鈣、鎂、鋇等金屬離子，然后酸化，蒸發(fā)結(jié)晶烘干即得。 在我公司實(shí)際生產(chǎn)中往往在酸化陷入困擾。 酸化，就是要把除雜后pH 值約為12 的濾液用鹽酸降到3～5， 酸化是精致鹵水澄清度的重要控制工序，pH 值為關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)。 但目前存在以下幾點(diǎn)困擾：

1）現(xiàn)有測酸模式為pH 試紙間斷性手工檢測，通過肉眼識別試紙顏色檢驗(yàn)酸化前后鹵水指標(biāo)并放行，人為不可控因素太大，給產(chǎn)品帶來不勻至成品不合格等風(fēng)險(xiǎn)。

2）現(xiàn)在加酸模式為高位瓶自流，控制瓶上刻度加酸，人工強(qiáng)度大且存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）手動加酸容易過量，過酸的鹵水進(jìn)入后續(xù)工序，伴隨高溫蒸發(fā)對蒸發(fā)罐、離心機(jī)、干燥機(jī)等設(shè)備帶來很大程度的腐蝕，加速了過流部件的更換，設(shè)備維修費(fèi)高。

2 酸化鹵水工藝自控改造的意義

通過自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在線pH 檢測儀表、計(jì)量泵、靜態(tài)混勻器等關(guān)鍵設(shè)備的選型安裝，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的、可監(jiān)測性的、高精度控制的酸化鹵水自控系統(tǒng)，從而解決以上難題。 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升、危險(xiǎn)化學(xué)品的自控控制管理、降低設(shè)備檢維修費(fèi)以及勞動負(fù)荷（見圖1 和圖2）。

圖1 改造前

圖2 改造后

3 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)采用浙大控制JX300XP DCS 自控系統(tǒng)平臺, 將鹵水加酸前pH1 、 加酸后pH2 流量F和計(jì)量泵變頻信號送到DCS, 由DCS 實(shí)時跟蹤鹵水pH 值, 通過計(jì)算， 核定需要的鹽酸加入量；輸出信號與鹽酸加入量成正比的4-20mA 直流電信號給DCS 系統(tǒng)；DCS 系統(tǒng)組態(tài)編程實(shí)現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)， 輸出4-20mA 信號給交流變頻器， 變頻器把DCS 傳送來的的控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率去控制隔膜計(jì)量泵轉(zhuǎn)速；通過PID 調(diào)節(jié)控制泵轉(zhuǎn)速達(dá)到控制加酸量的目的。 具體系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)控制圖

當(dāng)鹵水pH1＞7 時,DCS 系統(tǒng)根據(jù)鹵水的流量和△pH 值， 送給DCS 系統(tǒng)初始信號去控制計(jì)量泵加酸, 當(dāng)鹵水和鹽酸混合后，pH2 表測量的pH值及流量反饋到DCS 系統(tǒng),該系統(tǒng)根據(jù)澄清液鹵水的實(shí)時pH 值適當(dāng)調(diào)整4-20mA 輸出信號,調(diào)整隔膜計(jì)量泵轉(zhuǎn)速, 改變加入鹽酸的流量； 逐步調(diào)節(jié)，達(dá)到合格(pH=4±0.3)的目的[1]。

4 結(jié)合工藝特性對關(guān)鍵設(shè)備的選型

4.1 隔膜計(jì)量泵

隔膜計(jì)量泵的選型是項(xiàng)目的重點(diǎn)及難點(diǎn)，重點(diǎn)在于控制過程中輸出量決定了酸化鹵水的效果，難點(diǎn)在于選型。 如何能選擇一款合適的計(jì)量泵是課題小組攻關(guān)的重中之重。 按照公司生產(chǎn)現(xiàn)狀，高純鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在31%左右，酸化鹵水大概流量在60m3/h， 若用現(xiàn)有高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸直接進(jìn)行酸化，用量很低流量很小，市場上很難選型到小型計(jì)量泵，同時也存在管道混合不均勻的問題。 為了解決此難題，首選對現(xiàn)有鹽酸進(jìn)行稀釋，稀釋3～5 倍；經(jīng)過計(jì)算稀釋的鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在5%～10%之間； 換算鹵水加酸量大概在100L/h 左右，主體管道壓力在0.1MPa 以下。 攻關(guān)工藝難題后，針對此工況下，通過對標(biāo)學(xué)習(xí)調(diào)研市場，擬選型 “世界第一臺計(jì)量泵的發(fā)明者” 米頓羅隔膜計(jì)量泵為品牌；加藥隔膜計(jì)量泵為單頭機(jī)械隔膜計(jì)量泵，調(diào)節(jié)比10∶1，穩(wěn)態(tài)精度應(yīng)達(dá)到±2%以上。 加藥計(jì)量泵由傳動箱體和變頻調(diào)速電機(jī)組成。 流量調(diào)節(jié)既可以通過手輪調(diào)節(jié)也可以通過變頻調(diào)速裝置自動完成。 電機(jī)通過蝸輪/蝸桿減速，與蝸輪同軸的可變偏心機(jī)構(gòu)帶動與之相連的連桿產(chǎn)生直線往復(fù)運(yùn)動，完成吸入及排出沖程。 專采用可調(diào)偏心傳動機(jī)構(gòu)-保證有效沖程長度調(diào)節(jié)精度，高精度進(jìn)出口止回閥保證精度高性能隔膜泵頭。 泵頭的材質(zhì)應(yīng)選PVC 材質(zhì)，隔膜材料應(yīng)選用PTFE 聚四氟乙烯材料， 在正常工況定期維護(hù)的狀態(tài)下，連續(xù)運(yùn)行壽命應(yīng)至少18000h。 并且，無論泵是否運(yùn)行，均可在0～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量。油浴潤滑，只需定期更換潤滑油，潤滑系統(tǒng)無需專門維護(hù)（見圖4）。

圖4 隔膜計(jì)量泵樣例

4.2 在線pH 檢測儀表

化工工藝過程中的介質(zhì)pH 測量,是保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的重要檢測項(xiàng)目, 是評價核定工藝數(shù)據(jù)的重要依據(jù)，是工業(yè) “眼睛” 的作用。 對被測溶液的化學(xué)、物理性質(zhì)需要全面了解,以判斷這些參數(shù)對pH 測量的影響程度,為此我們課題小組制定方案認(rèn)真分析化學(xué)成分， 雜質(zhì)離子帶來的影響，溫度壓力等變化； 周期性生產(chǎn)結(jié)晶的解決方案，以及后期的定期校驗(yàn)的方法和校準(zhǔn)環(huán)境, 以實(shí)現(xiàn)長期、連續(xù)穩(wěn)定檢測pH 之目的。 現(xiàn)有的工況介質(zhì)為高溫鹵水（70～80℃）且所需調(diào)節(jié)范圍大，pH 在3～12 范圍整定。 除傳感發(fā)送器的外殼材質(zhì),pH 電極能否在這類腐蝕性介質(zhì)并溫度偏高環(huán)境下中長期測定也是必須考慮的。 一般國產(chǎn)pH 玻璃電極僅能使用1～3d,電極即全部被腐蝕掉而無法使用,即使進(jìn)口的玻璃電極也只能使用15～30d。 一般來說,pH 傳感器在腐蝕性工況中能連續(xù)使用三個月至半年以上的,方可認(rèn)為屬于正常。 經(jīng)過充分調(diào)研， 我們決定采用德國E+H 分析儀表品牌，在儀表及電極選型與對方技術(shù)人員深入溝通，采用二次表型號為CM442-XAV2/0、雙通道輸入。電極采用數(shù)字電極CPS171D；過程溫度范圍0～100℃；pH 允許最高過程壓力7bar、 電極材質(zhì)玻璃、KCl凝膠；溫度補(bǔ)償NTC 30K；數(shù)字電纜通訊。 傳輸信號應(yīng)使用4～20mnAdc[2]。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，課題小組決定在水平工藝管線上安裝，在線pH 計(jì)安裝方法（見圖5）。 可以在主工藝管線上引一個旁路，做一個能將壓力降下來的流通池VA, 將pH 計(jì)電極AI 安裝在它上面, 來確保pH 計(jì)所能承受的壓力及物料的流速,物料回到反應(yīng)罐內(nèi),再用泵P 將物料打回膜過濾系統(tǒng)工藝管線。 控制旁路入口的閥門，減小工藝介質(zhì)的壓力和流速。 根據(jù)工藝管線的壓力大小,制作一個適合大小減壓比的流通檢測池，以滿足pH 計(jì)對壓力的要求。 前后配有閥門以及排放閥，方便控制標(biāo)定與更換[3]。

圖5 水平管線pH 計(jì)的安裝方法

4.3 管道靜態(tài)混勻器

靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動的高效混合設(shè)備，通過固定在管內(nèi)的混合單元內(nèi)件，使二股或多股流體產(chǎn)生切割、剪切、旋轉(zhuǎn)和重新混合，達(dá)到流體之間良好分散和充分混合的目的[4]。 結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備管道布局以及物料特性，課題小組反復(fù)論證，決定采用靜態(tài)混合器，輕巧方便，結(jié)合現(xiàn)場改造實(shí)際條件，最終選用DN100 法蘭、304L 襯PE 材質(zhì)、長度2m、加酸口DN20，圖6 是主要設(shè)備控制效果圖。

圖6 主要設(shè)備控制效果圖

4.4 項(xiàng)目設(shè)備清單（見表1）

表1

5 技術(shù)方案實(shí)施后效果評價

藥用氯化鈉酸化鹵水工藝自控改造，能實(shí)時監(jiān)測pH 值和反映鹽酸的投加量及效果， 并將檢測結(jié)果以4-20mA 形式傳遞給DCS 系統(tǒng)。 pH 分析儀表與隔膜計(jì)量泵變頻器、DCS 系統(tǒng)相連可組成一個完整的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，對計(jì)量泵進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到自動控制目的。 在整個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)中無需其他儀表或設(shè)備[5]。 改造后效果分析：

1）通過酸化自控改造，改造現(xiàn)有工藝操作模式，由之前的A/B 切換酸化操作改為在線管道酸化操作，降低用工成本以及設(shè)備投入成本；精準(zhǔn)的酸度控制可以延長后續(xù)工序的設(shè)備工作環(huán)境，減輕蒸發(fā)罐、離心機(jī)、干燥機(jī)等過流部件的腐蝕；整體節(jié)費(fèi)約50 萬元。

2）通過鹵水pH 的實(shí)時監(jiān)測控制，可以保證精制鹵水的pH 均一性， 由原來的寬泛視覺檢測改造線上監(jiān)測，提高了工藝技術(shù)指標(biāo)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3）鹽酸屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，通過以上改造可以有效將人與鹽酸隔離，提高安全作業(yè)環(huán)境；自動化的升級改造為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定了基礎(chǔ)。