離子膜制堿裝置氯氣氫氣壓差的自動控制

李東偉，張彬

（長蘆海晶集團有限公司，天津 300450）

離子膜制堿裝置氯氣氫氣壓差的自動控制

李東偉，張彬

（長蘆海晶集團有限公司，天津 300450）

介紹了氯堿行業中廣泛應用的離子膜法制堿電解工藝的氯氣氫氣壓差調節回路，就系統的構成、功能以及離子膜燒堿工藝中一些較為復雜控制方案做了詳細說明。通過國內外的離子膜法制堿在應用過程中出現的問題的分析，對離子交換膜的進一步改進和發展提出了方向。

隨動調節；壓差；選擇器；聯鎖

離子膜法制堿因其投資省、能耗低、出堿質量好、無污染等優點，已被廣泛應用。但在生產過程中有氯氣和氫氣生成，氫氣為易燃易爆氣體，氯氣為有毒氣體，這兩種副產品處理不好將危及人的生命、財產及周圍的環境的安全，尤其近幾年偶有發生氯氣泄漏及電解槽反壓差造成離子膜損壞事件［1］。因此，在離子膜法制堿過程中，做好氯氣、氫氣壓差控制對安全生產顯得尤為重要，本文重點介紹國內、國外幾種不同的的控制方案。

1 電解工藝簡述

由二次鹽水精制工序來的二次精制鹽水通過陽極液進料總管進入電解槽各單元槽的陽極室中，為了降低氯氣中的含氧量，在陽極液加入適量鹽酸，陽極液電解后產生淡鹽水和氯氣，經過各單元槽的陽極液出口軟管以及陽極液排出總管進入淡鹽水貯槽，氯氣在淡鹽水貯槽中被分離后氯氣處理工序，淡鹽水由淡鹽水泵送到脫氯塔，陰極液用燒堿液泵在各單元槽的陰極室以及陰極液貯槽之間維持一定的循環量，為保持堿液濃度，在陰極液入口管中添加純水，電解所產生的氫氣在堿液貯槽中被分離之后送氫氣處理工序［2］。

2 氯氣氫氣的壓差

陽極室的氯氣和陰極室的氫氣的壓力差變化，會使離子膜同電極反復摩擦受到機械損傷，特別是離子膜已經有皺紋時，就容易在膜上產生裂紋，因此除了電極表面要做得光滑，同時要自動調節陽極室和陰極室的壓差，使其保持在一定范圍內，但是如果將離子膜過分地壓向陽極表面也會導致離子膜的損傷，反之，陽極壓力高于陰極，氯氣進入氫氣中會產生爆炸。小爆會損壞昂貴的離子膜，大爆會造成人身安全和環境的嚴重破壞。因此各種工藝對氯氣氫氣壓差的調節極為重視。幾乎所有離子膜電解槽都是調節陰極室的壓力大于陽極室的壓力［3］。以下介紹伍迪公司、旭化成公司及天辰公司氯氫壓差調節系統。

2.1 國外技術的氯氫壓差調節系統

國外技術的氯氫壓差調節系統的特點是控制方案復雜，卻是最為安全的，流程圖見圖1。

在氯氣總管在設兩個壓力變送器（PT-1151A，PT-1151B），所取壓力進打比較，壓力較低的信號作為XI-1151A進行顯示，壓力較高的信號作為XI-11518進行顯示，21kPa高報警，23kPa時高高報警并連鎖全廠停車。筒式，壓力高的信號作為PIC-1151 和PV-1151B進行調節。PIC-1151A的設定值為20kPa，PIC-1151B的設定值為21.5kPa。因此PV-1151B在正常運行時為關閉狀態，所以PIC-1151B要采取抗積分飽和措施。ZT-1151B是PV-1151B的閥位變送器，當ZT-1151B的輸入信號大于20%時，要報警并全廠聯鎖停車［4］。

裝置聯鎖停車時，通過電磁閥的作用，PV-1151B關閉，筒式將PIC-1151A調節器自動由自動設為手動，通過選擇器吧閥門定位器的輸入設為0%，以保證PV-1151A的關閉；PIC-1151B調節器自動由自動設為手動，并通過選擇器將輸出設為10%，即PV-1151B開度設為10%。60S以后，PV-1151B再按一定速率打開，具體速率（I=KX+B）可在試車時通過實踐確定。詳見圖2氣壓力調節聯鎖示意圖。

圖1 國外氯氫壓差調節系統流程圖

PDT-1155是PV-1151A閥前后的壓力差指示、報警及聯鎖（見圖3）。當壓力差值小于3kPa時，低報警，小于1kPa時，則表明閥門基本上處于處于全開狀態，即氯氣總管壓力過高產生低低報警并裝置聯鎖停車。這是又一個保證不會因氣壓力太高而產生氯氫壓差倒置發生危險的措施。

圖2 國外氯氣壓力調節系統聯鎖示意圖

氯氣壓力穩定后只要調節氯氣氫氣的壓力差就可以達到保證電解槽穩定運行，并保護離子膜不易損傷的目的。同時取兩個氯氣總管及氫氣總管的壓力差信號（PDT-1152A，PDT-1152B見圖1），二者進行比較，壓力高選的信號作為XDI-1152A進行指示，4.5kPa時高報警，6.0kPa時高高報警并裝置聯鎖停車。壓力低選的信號作為XDI-1152B進行指示，2.5kPa時低報警，1.5kPa時低低報警并全廠聯鎖停車。同時壓力差較低的信號作為PDIC-1152A和PDIC-1152B的測量值對PDV-1152A及PDIC-1I52B進行調節。PDIC-1152A調節器的設定值為4kPa，PDIC-1152B調節器的設定值為5kPa，因此，正常運行時，PDV-1152B的狀態為關閉，所以PDIC-1152B要采取抗積分飽和措施。

圖3 PDT-1155回路聯鎖示意圖

裝置聯鎖停車時，通過電磁閥的作用，PDV-1152A關閉，同時將PDIC-1152A調節器自動由自動變為手動，60S后，通過選擇器將輸出至閥門定位器的信號設為0%，以保證PDV-1152A的關閉；PDIC-1152B調節器自動由自動變為手動，60S后，通過選擇器將輸出至閥門定位器的信號設為10%，即PDV-1152B開度為10%。然后再將PDIC-1152B調節器人工由手動設置回自動。詳見圖4壓差調節聯鎖示意圖。

圖4 國外氯氫壓差調節系統聯鎖示意圖

PI-1153是氫氣總管的壓力指示。24.5kPa時 PI-1153高報警，10kPa時低報警，2.5kPa時低報警，并打開XV-1108充氮，直至PI-1153恢復到4kPa以上，關閉XV-1 l08。充氮系統見圖5。

圖5 PI-1153回路聯鎖示意圖

2.2 國內技術氯氫壓差調節系統

國內設計一般用一個調節回路（PICA-216）穩定氯氣壓力，并把氯氣壓力加上應保持的壓差值作為給定值調節氫氣壓力（PDICA-226），即比值調節系統達到維持氯氣和氫氣壓差的目的。其回路示意圖見圖6。

圖6 國內氯氣氫氣壓差調節控制回路示意圖

上述的控制方案是簡單有效的，但在運行過程中，出現聯鎖停車時，會出現負差壓的情況，即氯氣壓力高于氫氣壓力，這是極其危險的。對出現負差壓的情況進行分析后，此設計方案還需要進一步完善。

2.3 國內技術氯氫壓差調節系統的改善

國內技術氯氫壓差調節系統在裝置聯鎖時，去氯氣處理的閥門直接關閉，而去廢氯處理的閥門直接打開；同樣，去氫氣處理的閥門直接關閉，去氫氣放空的閥門直接打開［5］。

按上述方案，氫氣一般直接放空，而氯氣去事故處理塔，所以，氫氣的泄壓阻力小，氯氣的泄壓阻力大。

設計時，雖然對調節閥進行了計算并且選擇了CV值及工藝參數都是準確的，但氫氣的相對分子質量小，按計算公式計算的結果在單一調節回路沒有問題，但在本工藝過程有排放速率比較時，便顯現出來普通計算式計算結果不盡合理，導致氫氣泄壓速度過快，從而導致氫氣壓力迅速下降，調節系統不能跟上這種反應速度，造成了氯氣壓力高于氫氣壓力的負差壓。

為解決這個問題，國內設計在氫氣放空回路上設計了新的調節系統，以限制氫氣放空的速度。如圖7。

圖7 國內氫氣放空回路聯鎖示意圖

圖中FDIC-200是氯氣和氫氣壓差調節器的輸出，PDT200是氯氣和氫氣壓差值。正常運行時，氫氣放空閥PV-5350A由PIG-5350A調節器調節，全廠聯鎖時，通過選擇器2將PV5350A開度設為5%，2S后，通過選擇器1將FDIC-200調節器的輸出給PV5350A，進行調節。

當氯氣和氫氣壓差小于1kPa，通過選擇器3將閥門PV535OA關閉，當氯氣和氫氣壓差大于4kPa時，選擇器3失效，PV5350A仍由PDIC-200調節器調節。從而保證了在聯鎖發生時氯氣和氫氣的壓差，避免負差壓的出現，增加了離子膜電解槽的安全性。

3 結束語

在離子膜法制堿生產工藝中，氯氣、氫氣壓差調節是非常關鍵的控制系統，本文的控制方案分析僅為同類項目設計參考，可根據項目的投資、工期等綜合因素比照選擇，以完善離子膜電解槽的控制，提高項目的整體可靠性及安全性。

［1］程殿彬.離子膜法制堿生產技術［M］.北京：化學工業出版社，1998:1-7，175-203.

［2］王志勇，李和平，尹志剛.離子膜燒堿生產工藝的優化［J］.桂林理工大學學報.2011，31（1）；100-105.

［3］李尚昕，王鳳明，丁海秋.離子膜電解槽氯氫壓力及壓差控制探討［M］.2011年全國燒堿行業技術年會論文集，2011，205-208.

［4］錢伯章，朱建芳.國內外氯堿生產的現狀和發展分析［J］.中國氯堿，2007（2）:7-9.

［5］劉自珍.我國離子膜法燒堿現狀分析與發展對策［J］.氯堿工業，2007（11）：1-6.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.05.010

TQ114.26+2

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1008-1267（2016）05-0026-04

2016-02-29