伍德-迪諾拉離子膜電解工藝自動(dòng)化改造

沈靖宗，劉靜，侯學(xué)文

(陜西北元化工集團(tuán)有限公司，陜西 榆林 719319)

陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“北元化工”)有4條離子膜法燒堿生產(chǎn)線，分兩期建成，一期裝置于2010年10月投產(chǎn)，二期裝置于2012年3月投產(chǎn)，共有24臺(tái)伍迪BM2.7型獨(dú)立單元復(fù)極離子膜電解槽，每臺(tái)電解槽有200個(gè)單元槽，燒堿生產(chǎn)能力88萬(wàn)t/a。北元化工離子膜電解裝置雖然在近年來(lái)的運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行了一些技術(shù)改造，但基本維持了原有的工藝技術(shù)設(shè)計(jì)。離子膜電解裝置在日常運(yùn)行中自動(dòng)化程度較高，人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，但在系統(tǒng)開停車過(guò)程中稀釋進(jìn)槽鹽水和陰極系統(tǒng)堿液置換過(guò)程人工操作頻繁，鹽水濃度精準(zhǔn)度差，人工操作堿液手動(dòng)閥時(shí)存在堿液噴濺灼傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，用先進(jìn)的自動(dòng)化控制代替人工操作非常必要。

1 進(jìn)槽鹽水稀釋方式自動(dòng)化改造

1.1 原控制系統(tǒng)及操作方式

改造前鹽水稀釋流程如圖1所示：崗位人員采用現(xiàn)場(chǎng)純水手動(dòng)閥1調(diào)節(jié)稀釋總管鹽水的純水流量，采用現(xiàn)場(chǎng)純水手動(dòng)閥2調(diào)節(jié)進(jìn)單臺(tái)電解槽稀釋鹽水的純水流量。用比重計(jì)測(cè)密度的方法對(duì)鹽水濃度進(jìn)行粗略分析，待鹽水濃度穩(wěn)定后由檢測(cè)人員進(jìn)行人工滴定分析鹽水濃度。此過(guò)程存在以下弊端。

圖1 改造前鹽水稀釋流程圖

(1)由于工況不同，當(dāng)電解槽出現(xiàn)單槽降溫排液，其余電解槽升溫的情況時(shí)，單槽與系統(tǒng)同時(shí)稀釋鹽水，但濃度控制指標(biāo)不同，由于共用1臺(tái)純水流量計(jì)，因此調(diào)節(jié)鹽水濃度時(shí)相互影響，導(dǎo)致鹽水濃度不能精準(zhǔn)控制，且調(diào)節(jié)過(guò)程長(zhǎng)，人工工作量較大。

(2)沒(méi)有鹽水濃度在線監(jiān)測(cè)儀，鹽水濃度調(diào)節(jié)靠經(jīng)驗(yàn)、打比重及人工滴定分析，鹽水濃度不能精準(zhǔn)控制。

(3)現(xiàn)場(chǎng)崗位人員調(diào)節(jié)閥門、打比重頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

1.2 改造措施

本次改造是考慮以下情況進(jìn)行的：完全實(shí)現(xiàn)DCS遠(yuǎn)程控制，且DCS控制邏輯簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)，適用于任何工況下的電解槽進(jìn)槽鹽水的稀釋，最大限度減輕現(xiàn)場(chǎng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。改造措施如下(改造后鹽水稀釋流程如圖2所示)。

圖2 改造后鹽水稀釋流程圖

(1)分別在電解槽單槽鹽水及總管鹽水進(jìn)口管線增加鹽水濃度在線檢測(cè)儀，實(shí)現(xiàn)進(jìn)槽鹽水濃度在線檢測(cè)，將原遠(yuǎn)傳純水流量計(jì)移至總管鹽水稀釋的純水管道上，在單槽鹽水稀釋的純水管道上增加遠(yuǎn)傳流量計(jì)。

(2)單槽與總管鹽水稀釋的純水管道上分別增加自控閥，設(shè)置對(duì)應(yīng)純水流量計(jì)的自動(dòng)控制回路。

(3)在去單槽的鹽水管線與鹽水總管上增加在線鹽水濃度檢測(cè)儀。

1.3 改造的意義

(1)電解槽停車后，鹽水稀釋可完全實(shí)現(xiàn)DCS遠(yuǎn)程控制，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(2)鹽水總管與去單槽的鹽水管線上有獨(dú)立的純水稀釋控制邏輯，鹽水稀釋時(shí)互不影響。

(3)鹽水總管與去單槽的鹽水管線上均裝有在線鹽水濃度檢測(cè)儀，不僅可以檢測(cè)電解槽正常運(yùn)行期間進(jìn)槽鹽水濃度是否在指標(biāo)范圍，更重要的是在電解槽開停車期間能縮短進(jìn)槽鹽水稀釋時(shí)間，精準(zhǔn)控制鹽水濃度，避免離子膜的損傷。

2 陰極系統(tǒng)堿液置換方式的自動(dòng)化改造

2.1 原控制系統(tǒng)及操作方式

在電解槽系統(tǒng)停車期間電解液會(huì)流動(dòng)，以保持陰極液和陽(yáng)極液中陰陽(yáng)離子強(qiáng)度的平衡。如果陰極液離子強(qiáng)度低于陽(yáng)極液離子強(qiáng)度，水就會(huì)從陰極室擴(kuò)散至陽(yáng)極室，這種液體流過(guò)離子膜所造成的后果如同離子膜裝反一樣，最終導(dǎo)致離子膜鼓泡，由于擴(kuò)散速度較慢，損壞通常要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)看到[1]。為了防止電解槽循環(huán)堿濃度過(guò)低，陰極室的水分子擴(kuò)散至陽(yáng)極室而使離子膜鼓泡，要求系統(tǒng)循環(huán)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)指標(biāo)范圍為28.0%～32.5%，此時(shí)陽(yáng)極室的離子強(qiáng)度低于陰極液離子強(qiáng)度，陽(yáng)極室的水分子就會(huì)擴(kuò)散至陰極室，致使陰極室的堿濃度不斷降低，必須向電解槽陰極室及時(shí)補(bǔ)充32%的燒堿對(duì)低濃度堿液進(jìn)行置換。改造前堿液置換流程如圖3所示，為了減少輸送至蒸發(fā)工序的開車堿的量，降低蒸發(fā)工序的運(yùn)行負(fù)荷，保證32%的燒堿能夠有效地進(jìn)入電解槽達(dá)到置換低濃度堿液的目的，采取間斷性的置換方式，崗位人員頻繁操作開車堿罐堿液接收手動(dòng)閥及開車堿罐至陰極液罐補(bǔ)堿手動(dòng)閥，DCS人員頻繁操作輸送至蒸發(fā)工序的堿液自控閥，且因堿濃度、陰極液換熱器溫度、陰極液罐液位、開車堿罐液位波動(dòng)大，DCS人員須耗費(fèi)大量精力時(shí)刻關(guān)注陰極系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)。

圖3 改造前堿液置換流程圖

2.2 改造措施及操作方式

因原系統(tǒng)設(shè)計(jì)由開車堿罐輸送來(lái)的32%燒堿進(jìn)入陰極液罐，與陰極液罐低濃度的燒堿混合后進(jìn)入電解槽，致使電解槽陰極室的堿液置換效果差，為了將32%開車堿液有效利用，降低32%燒堿消耗，達(dá)到持續(xù)、穩(wěn)定置換電解槽陰極室的低濃度燒堿的目的，從以下幾方面進(jìn)行了自動(dòng)化改造。改造后堿濃度置換流程如圖4所示。

圖4 改造后堿液置換流程圖

(1)罐區(qū)至開車堿罐的32%燒堿管道增加自控閥1，并設(shè)置與開車堿罐遠(yuǎn)傳液位計(jì)的自動(dòng)控制回路，實(shí)現(xiàn)開車堿罐自動(dòng)接收堿液，并維持液位穩(wěn)定。

(2)在陰極液罐至陰極液高位槽出口管線增加自控閥3，并設(shè)置自控閥3與陰極液高位槽遠(yuǎn)傳液位計(jì)的自動(dòng)控制回路，實(shí)現(xiàn)陰極液高位槽液位自動(dòng)控制并維持穩(wěn)定。

(3)將原開車堿罐輸送陰極液罐的堿管線改至去高位槽堿管道處，并增加自控閥2，設(shè)置自控閥2與燒堿密度計(jì)的自動(dòng)控制回路及自控閥2與開車堿泵自啟動(dòng)聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)停車期間堿濃度自動(dòng)控制，當(dāng)堿濃度低于設(shè)定值，則自控閥2自動(dòng)打開補(bǔ)堿，此時(shí)開車堿泵聯(lián)鎖啟動(dòng)。

2.3 改造的意義

(1)開車堿罐液位自動(dòng)控制，陰極液高位槽液位自動(dòng)控制，停車期間堿濃度自動(dòng)控制。

(2)改造后將32%的燒堿由換熱器控制到工藝所需的溫度后送至陰極液高位槽，再進(jìn)入電解槽，不僅達(dá)到持續(xù)、穩(wěn)定置換電解槽陰極室低濃度燒堿的目的，更重要的是堿濃度、陰極液換熱器出口溫度、槽溫等指標(biāo)穩(wěn)定，同時(shí)降低了32%開車燒堿消耗量。

(3)停車后堿液置換實(shí)現(xiàn)全程DCS控制。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上自動(dòng)化改造，有效降低了開、停車期間人員勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了燒堿灼傷的危險(xiǎn)性，確保了鹽水濃度和堿液濃度精準(zhǔn)控制，延長(zhǎng)了離子膜使用壽命，同時(shí)減少了開、停車期間32%燒堿置換消耗量。該改造為伍德-迪諾拉電解工藝提供了自動(dòng)化升級(jí)的新思路。