离子膜烧碱过程中自动化仪表设计选型要点

离子膜烧碱过程中自动化仪表设计选型要点作者：周桂成王彩红
来源：《科技创新与应用》2016年第19期
摘要：文章结合离子膜烧碱项目的工艺特征以及此类项目上相关实施经验而总结编写，分析了一般离子膜烧碱项目在选型中的要点，对主要的常用工业自动化仪表在离子膜烧碱项目中选型时的材质和关键要点进行分析阐述，以提高自动化仪表在离子膜烧碱项目中的适用性、可靠性和安全性。

关键词：离子膜烧碱；自动化仪表；仪表选型
1 离子膜烧碱项目工艺及仪表选型概述
烧碱是重要的基础化工工业原料之一，离子膜制碱工艺法在本世纪初已经逐渐成为制碱法的主流，现今该工艺每年所生产烧碱已占国内烧碱总产能的90%以上。

离子膜烧碱项目的主要工艺段包括：一次盐水、二次盐水精制、纯水站、电解、氯气处理、氢气处理、氯气液化、氯化氢合成及盐酸、蒸发和公用工程等。

自动化仪表贯穿整个工艺的所有自动控制环节，各个工艺监测和控制点大量应用了各种工业自动化仪器仪表，包括：温度计、压力表、压力变送器、液位计、流量计、可燃/有毒探测器、PH/ORP计、分析仪和控制阀等。

所以仪表设计选型的科学合理性对项目自控系统运行、生产安全和产品质量有最直接的重要影响。

离子膜烧碱项目的主要物料介质有NaCl盐水、NaOH碱液、（干、湿）氯气、氢气、HCl 气体和盐酸等，介质特性涵盖结晶、有毒、强酸碱电化学腐蚀、金属腐蚀、极易燃易爆等复杂特性，所以对仪表的选型要求较高，需要多方综合考虑工况条件，确保选型的科学合理性。

2 主要仪表选型注意
2.1 热元件
现场温度计选用双金属温度计，远传温度测量推荐选用A级Pt100热电阻，套管形式推荐统一采用密封高的整体钻孔型法兰连接，以保证密封性和安全性。

套管材质的选择：测湿氯气和氯水套管材质应选钛材（Ti）；盐水因含大量Cl-须选钛材或衬氟，电解出的碱液也含大量Cl-应选304衬氟、哈C或316L，高温浓碱液推荐选镍材套管；液氯推荐选用304衬氟或16Mn低温钢；盐水常规选用304衬氟即可。

2.2 压力仪表
压力变送器按功能分有测压力、流量差压和液位三类，其选型关键是接液元件/膜片材质、量程及过程接口的选择，其中量程和过程接口按工艺要求和设备接口保持一致即可。

带毛细管导压的变送器在被测介质具有强氧化性时应充氟油，普通被测介质依据温度充硅油或高温硅油。

接液元件/膜片材质选择：介质为盐水、氯气、盐水的测量元件材质应为钽膜片，碱液用316L膜片（高浓度或高温时推荐选择哈C膜片）。

测量氢气压力的变送器为避免氢脆作用对膜片的破坏，提高仪表寿命和安全可靠性，膜片最好做镀金处理。

压力表在被测介质为酸碱时，接液元件材质推荐为钽或衬氟膜片，低温弱酸选哈C亦可行。

测有毒、腐蚀、易燃易爆介质压力表必须选用膜盒压力表，测氢气的压力表须要做禁油处理。

2.3 液位仪表
离子膜烧碱项目的大多介质都具有很强的酸碱性，介质液面上方无雾气和结晶，故推荐选用非接触式液位计，测量范围宽、安装简易且维护方便。

对液位测量精度要求不高的循环水池、酸性废水池、废盐池可选用超声波液位计。

测量范围更大的原盐、一次盐水、原料及成品灌区均选用高精度的低频雷达液位计；若精度要求很高可选用高频雷达。

雷达液位计比超声波液位计应用范围广、精度高、成本高，超声波液位计不能用于有真空、蒸汽工况，雷达液位计须考虑介质介电常数。

选用雷达液位计时，装置内工况复杂容易产生回波时，须配导波杆/缆或安装测量管。

树脂塔顶用到的物位开关，介质为过滤盐水，其液体成酸性、导电性能优良，可选用电极物位开关，探头材质为钛材。

设备工况为常压（无有呼吸阀）且被测介质密度单一稳定，可考虑压力变送器式单法兰液位计，封闭的工艺设备液位可选用带信号远传的磁性翻版液位计，量程较大时推荐双法兰差压液位变送器，更大量程则推荐选择雷达。

液氯灌的液位测量，因液氯的有毒须严密密封，推荐选用外测式液位计。

其在测量有毒害、腐蚀性、有压力、易燃易爆、易挥发、易侧漏的液体时，不使用阀门、连通管、接头、不需开孔，不接触罐内的液体和气体，通过外置的声呐传感器（探头）实现测量，保障人员安全和生产的正常进行，调试及维修时不清罐、不影响生产。

2.4 流量计
离子膜烧碱项目中流量的测量非常重要，涉及被测介质多种多样，结合实际工程经验及各流量计特点，把离子膜烧碱项目各主要工艺段中可能用到的流量计做如下类比分析，如表1所示。

因离子膜烧碱项目其涉及工艺种类和工艺段多，故其流体类型、状态、介质特性和工艺管道走向特点也比较多样化，这就要求我们在选择流量计时，必须综合考虑：介质物理特性、精度、介质腐蚀性、允许压损、结构特点和经济性等因素综合考虑确定。

2.5 控制阀
离子膜烧碱工艺中，在盐水、湿氯气和盐酸工艺段国内外氯碱行业认为普遍较好的阀门是PVDF隔膜阀，但PVDF国产化率不高，最重要的是成本很高。

结合实际工况和工程经验，充分考虑经济性和适用性，可选用钢衬F46或钢衬F4的气动薄膜式调节阀和气动活塞式球/蝶阀。

在电解工段进出电解槽的关键部位，选阀门时须要考虑管道导电性能，若选用非金属阀门时须要考虑在管道间加接地排流装置，以便配出管道介质流动产生的杂质电流，以免介质带入电解槽产生工艺生产安全隐患。

电解后烧碱液及碱蒸发部分阀门材质因会从电解中带出微量Cl-，而Cl-与奥体不锈钢会产生化学反应，故碱液阀门材质须用钢衬F46或哈C材质；高浓度碱液（30%～50%）推荐选用镍材蝶阀（尤其120℃以上），在60℃以下时阀门材质可用316L，但阀门寿命稍差；盐泥部分阀门采用气动衬氟塑隔膜阀。

部分工艺部位考虑到口径较大、安装空间小、方便维护、开关迅速且密封较好等因素，选用对夹式蝶阀，尤其是电解槽的阳极液系统、阴极液系统和碱蒸发。

阀门泄露等级的要求：
（1）介质为氯气、液氯和氢气的所有角行程开关阀其泄露等级应设计为ClassⅥ，密封为软密封或衬氟塑硬密封。

（2）介质为氯气、液氯和部分浓酸的直行程薄膜调节阀应为波纹管/PTFE密封，用波纹管和填料双重保障，充分防止有毒氯气和强酸介质泄露（为避免氯气泄露风险，可选用氯气专用阀，但成本很高）。

（3）其他调节阀的填料，除蒸汽常规用硬密封+STL外，填料为PTFE的建议选择V形以尽量提高密封性能。

2.6 PH/ORP计
离子膜烧碱项目的盐水调制处理和电解工艺过程中，对介质物料的酸碱度或氧化还原性有很高的要求，必须对其PH值或ORP值进行严格的监测和控制，以确保生产工艺要求和生产安全。

依据工艺工况，项目需要测量管道内盐水和生产用水的分析仪选用填充式的液体智能电极，护套形式采用生产商配套的流通池，其不但具备精度高、可以用于多种恶劣环境的优点，还可以通过简单方便的维护大大延长分析仪的使用寿命。

项目需要测量饱和盐水池的PH计，考虑到将电极沉入池内进行测量，所以须选用沉入式护套管，电极选用精巧、低维护且精度较高的凝胶智能电机。

2.7 其他仪表
除上述主要仪表外，离子膜烧碱项目还必须用到可燃和有毒气体探测器，烧碱部分还用到密度计，氯化氢合成部分还必须用到露点仪以精确检测气体的水分含量。

选型需要注意的有：
（1）有毒气体探测器被测介质是Cl2气体，具有很强的毒性，少量即可致命，其量程范围应为0～10ppm，报价设定值应分别为1ppm和3ppm。

（2）密度计测量介质如是≥32%烧碱，其探头材质宜选用镍（Ni）材。

2.8 其他注意事项
（1）电解工艺的产物和后续处理中有氢气，作为ⅡC类爆炸性物质（为甲类车间），其设计界区爆炸性气体环境为一般为1区（即在正常情况下爆炸性气体混合物有可能出现的场所），自动化仪表的防爆等级最低应为ⅡCT4。

如设计界区爆炸性气体环境为0区（即在正常情况下，爆炸性气体混合物连续或长时间存在的场所），则其防爆形式必须用本安防爆，最低等级为ExiaⅡCT4。

（2）离子膜烧碱项目因其中有多种重大危险源，所以项目必定有SIS（安全仪表系统），所有接入SIS系统的仪表其安全性能评测必须通过SIL3认证，如接入SIS系统压力变送器、开关阀的电磁阀等。

3 结束语
随着国内产业结构调整升级和智能时代的开启，工业自动化的水平会逐渐提高，烧碱行业的电解因为其超高的耗能特点，烧碱行业的自动化水平在未来还有很大的提升潜力。

在未来的烧碱工业生产中自动化仪表起着举足轻重的作用，而选择合适的仪表，对提高生产效率、产品质量和安全生产都有最直接的促进作用。

所以，作为工程技术人员，应锲而不舍的提高专业技术能力，丰富工程经验，为每一个用户做出科学合理的设计选择。

参考文献
[1]李相彪，俞晓辉，俞慧玲.氯碱生产技术[M].化学工业出版社，2011.
[2]乐嘉谦.仪表工手册[M].化学工业出版社，2004.。