離子膜燒堿過程中自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)選型要點(diǎn)

摘 要：文章結(jié)合離子膜燒堿項(xiàng)目的工藝特征以及此類項(xiàng)目上相關(guān)實(shí)施經(jīng)驗(yàn)而總結(jié)編寫，分析了一般離子膜燒堿項(xiàng)目在選型中的要點(diǎn)，對(duì)主要的常用工業(yè)自動(dòng)化儀表在離子膜燒堿項(xiàng)目中選型時(shí)的材質(zhì)和關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行分析闡述，以提高自動(dòng)化儀表在離子膜燒堿項(xiàng)目中的適用性、可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：離子膜燒堿；自動(dòng)化儀表；儀表選型

1 離子膜燒堿項(xiàng)目工藝及儀表選型概述

燒堿是重要的基礎(chǔ)化工工業(yè)原料之一，離子膜制堿工藝法在本世紀(jì)初已經(jīng)逐漸成為制堿法的主流，現(xiàn)今該工藝每年所生產(chǎn)燒堿已占國(guó)內(nèi)燒堿總產(chǎn)能的90%以上。離子膜燒堿項(xiàng)目的主要工藝段包括：一次鹽水、二次鹽水精制、純水站、電解、氯氣處理、氫氣處理、氯氣液化、氯化氫合成及鹽酸、蒸發(fā)和公用工程等。

自動(dòng)化儀表貫穿整個(gè)工藝的所有自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，各個(gè)工藝監(jiān)測(cè)和控制點(diǎn)大量應(yīng)用了各種工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表，包括：溫度計(jì)、壓力表、壓力變送器、液位計(jì)、流量計(jì)、可燃/有毒探測(cè)器、PH/ORP計(jì)、分析儀和控制閥等。

所以儀表設(shè)計(jì)選型的科學(xué)合理性對(duì)項(xiàng)目自控系統(tǒng)運(yùn)行、生產(chǎn)安全和產(chǎn)品質(zhì)量有最直接的重要影響。

離子膜燒堿項(xiàng)目的主要物料介質(zhì)有NaCl鹽水、NaOH堿液、（干、濕）氯氣、氫氣、HCl氣體和鹽酸等，介質(zhì)特性涵蓋結(jié)晶、有毒、強(qiáng)酸堿電化學(xué)腐蝕、金屬腐蝕、極易燃易爆等復(fù)雜特性，所以對(duì)儀表的選型要求較高，需要多方綜合考慮工況條件，確保選型的科學(xué)合理性。

2 主要儀表選型注意

2.1 熱元件

現(xiàn)場(chǎng)溫度計(jì)選用雙金屬溫度計(jì)，遠(yuǎn)傳溫度測(cè)量推薦選用A級(jí)Pt100熱電阻，套管形式推薦統(tǒng)一采用密封高的整體鉆孔型法蘭連接，以保證密封性和安全性。

套管材質(zhì)的選擇：測(cè)濕氯氣和氯水套管材質(zhì)應(yīng)選鈦材（Ti）；鹽水因含大量Cl-須選鈦材或襯氟，電解出的堿液也含大量Cl-應(yīng)選304襯氟、哈C或316L，高溫濃堿液推薦選鎳材套管；液氯推薦選用304襯氟或16Mn低溫鋼；鹽水常規(guī)選用304襯氟即可。

2.2 壓力儀表

壓力變送器按功能分有測(cè)壓力、流量差壓和液位三類，其選型關(guān)鍵是接液元件/膜片材質(zhì)、量程及過程接口的選擇，其中量程和過程接口按工藝要求和設(shè)備接口保持一致即可。帶毛細(xì)管導(dǎo)壓的變送器在被測(cè)介質(zhì)具有強(qiáng)氧化性時(shí)應(yīng)充氟油，普通被測(cè)介質(zhì)依據(jù)溫度充硅油或高溫硅油。

接液元件/膜片材質(zhì)選擇：介質(zhì)為鹽水、氯氣、鹽水的測(cè)量元件材質(zhì)應(yīng)為鉭膜片，堿液用316L膜片（高濃度或高溫時(shí)推薦選擇哈C膜片）。測(cè)量氫氣壓力的變送器為避免氫脆作用對(duì)膜片的破壞，提高儀表壽命和安全可靠性，膜片最好做鍍金處理。

壓力表在被測(cè)介質(zhì)為酸堿時(shí)，接液元件材質(zhì)推薦為鉭或襯氟膜片，低溫弱酸選哈C亦可行。測(cè)有毒、腐蝕、易燃易爆介質(zhì)壓力表必須選用膜盒壓力表，測(cè)氫氣的壓力表須要做禁油處理。

2.3 液位儀表

離子膜燒堿項(xiàng)目的大多介質(zhì)都具有很強(qiáng)的酸堿性，介質(zhì)液面上方無霧氣和結(jié)晶，故推薦選用非接觸式液位計(jì)，測(cè)量范圍寬、安裝簡(jiǎn)易且維護(hù)方便。對(duì)液位測(cè)量精度要求不高的循環(huán)水池、酸性廢水池、廢鹽池可選用超聲波液位計(jì)。測(cè)量范圍更大的原鹽、一次鹽水、原料及成品灌區(qū)均選用高精度的低頻雷達(dá)液位計(jì)；若精度要求很高可選用高頻雷達(dá)。

雷達(dá)液位計(jì)比超聲波液位計(jì)應(yīng)用范圍廣、精度高、成本高，超聲波液位計(jì)不能用于有真空、蒸汽工況，雷達(dá)液位計(jì)須考慮介質(zhì)介電常數(shù)。選用雷達(dá)液位計(jì)時(shí)，裝置內(nèi)工況復(fù)雜容易產(chǎn)生回波時(shí)，須配導(dǎo)波桿/纜或安裝測(cè)量管。

樹脂塔頂用到的物位開關(guān)，介質(zhì)為過濾鹽水，其液體成酸性、導(dǎo)電性能優(yōu)良，可選用電極物位開關(guān)，探頭材質(zhì)為鈦材。

設(shè)備工況為常壓（無有呼吸閥）且被測(cè)介質(zhì)密度單一穩(wěn)定，可考慮壓力變送器式單法蘭液位計(jì)，封閉的工藝設(shè)備液位可選用帶信號(hào)遠(yuǎn)傳的磁性翻版液位計(jì)，量程較大時(shí)推薦雙法蘭差壓液位變送器，更大量程則推薦選擇雷達(dá)。

液氯灌的液位測(cè)量，因液氯的有毒須嚴(yán)密密封，推薦選用外測(cè)式液位計(jì)。其在測(cè)量有毒害、腐蝕性、有壓力、易燃易爆、易揮發(fā)、易側(cè)漏的液體時(shí)，不使用閥門、連通管、接頭、不需開孔，不接觸罐內(nèi)的液體和氣體，通過外置的聲吶傳感器（探頭）實(shí)現(xiàn)測(cè)量，保障人員安全和生產(chǎn)的正常進(jìn)行，調(diào)試及維修時(shí)不清罐、不影響生產(chǎn)。

2.4 流量計(jì)

離子膜燒堿項(xiàng)目中流量的測(cè)量非常重要，涉及被測(cè)介質(zhì)多種多樣，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及各流量計(jì)特點(diǎn)，把離子膜燒堿項(xiàng)目各主要工藝段中可能用到的流量計(jì)做如下類比分析，如表1所示。

因離子膜燒堿項(xiàng)目其涉及工藝種類和工藝段多，故其流體類型、狀態(tài)、介質(zhì)特性和工藝管道走向特點(diǎn)也比較多樣化，這就要求我們?cè)谶x擇流量計(jì)時(shí)，必須綜合考慮：介質(zhì)物理特性、精度、介質(zhì)腐蝕性、允許壓損、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮確定。

2.5 控制閥

離子膜燒堿工藝中，在鹽水、濕氯氣和鹽酸工藝段國(guó)內(nèi)外氯堿行業(yè)認(rèn)為普遍較好的閥門是PVDF隔膜閥，但PVDF國(guó)產(chǎn)化率不高，最重要的是成本很高。結(jié)合實(shí)際工況和工程經(jīng)驗(yàn)，充分考慮經(jīng)濟(jì)性和適用性，可選用鋼襯F46或鋼襯F4的氣動(dòng)薄膜式調(diào)節(jié)閥和氣動(dòng)活塞式球/蝶閥。

在電解工段進(jìn)出電解槽的關(guān)鍵部位，選閥門時(shí)須要考慮管道導(dǎo)電性能，若選用非金屬閥門時(shí)須要考慮在管道間加接地排流裝置，以便配出管道介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的雜質(zhì)電流，以免介質(zhì)帶入電解槽產(chǎn)生工藝生產(chǎn)安全隱患。

電解后燒堿液及堿蒸發(fā)部分閥門材質(zhì)因會(huì)從電解中帶出微量Cl-，而Cl-與奧體不銹鋼會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，故堿液閥門材質(zhì)須用鋼襯F46或哈C材質(zhì)；高濃度堿液（30%～50%）推薦選用鎳材蝶閥（尤其120℃以上），在60℃以下時(shí)閥門材質(zhì)可用316L，但閥門壽命稍差；鹽泥部分閥門采用氣動(dòng)襯氟塑隔膜閥。

部分工藝部位考慮到口徑較大、安裝空間小、方便維護(hù)、開關(guān)迅速且密封較好等因素，選用對(duì)夾式蝶閥，尤其是電解槽的陽極液系統(tǒng)、陰極液系統(tǒng)和堿蒸發(fā)。

閥門泄露等級(jí)的要求：

（1）介質(zhì)為氯氣、液氯和氫氣的所有角行程開關(guān)閥其泄露等級(jí)應(yīng)設(shè)計(jì)為ClassⅥ，密封為軟密封或襯氟塑硬密封。

（2）介質(zhì)為氯氣、液氯和部分濃酸的直行程薄膜調(diào)節(jié)閥應(yīng)為波紋管/PTFE密封，用波紋管和填料雙重保障，充分防止有毒氯氣和強(qiáng)酸介質(zhì)泄露（為避免氯氣泄露風(fēng)險(xiǎn)，可選用氯氣專用閥，但成本很高）。

（3）其他調(diào)節(jié)閥的填料，除蒸汽常規(guī)用硬密封+STL外，填料為PTFE的建議選擇V形以盡量提高密封性能。

2.6 PH/ORP計(jì)

離子膜燒堿項(xiàng)目的鹽水調(diào)制處理和電解工藝過程中，對(duì)介質(zhì)物料的酸堿度或氧化還原性有很高的要求，必須對(duì)其PH值或ORP值進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)和控制，以確保生產(chǎn)工藝要求和生產(chǎn)安全。

依據(jù)工藝工況，項(xiàng)目需要測(cè)量管道內(nèi)鹽水和生產(chǎn)用水的分析儀選用填充式的液體智能電極，護(hù)套形式采用生產(chǎn)商配套的流通池，其不但具備精度高、可以用于多種惡劣環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，還可以通過簡(jiǎn)單方便的維護(hù)大大延長(zhǎng)分析儀的使用壽命。項(xiàng)目需要測(cè)量飽和鹽水池的PH計(jì)，考慮到將電極沉入池內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，所以須選用沉入式護(hù)套管，電極選用精巧、低維護(hù)且精度較高的凝膠智能電機(jī)。

2.7 其他儀表

除上述主要儀表外，離子膜燒堿項(xiàng)目還必須用到可燃和有毒氣體探測(cè)器，燒堿部分還用到密度計(jì)，氯化氫合成部分還必須用到露點(diǎn)儀以精確檢測(cè)氣體的水分含量。選型需要注意的有：

（1）有毒氣體探測(cè)器被測(cè)介質(zhì)是Cl2氣體，具有很強(qiáng)的毒性，少量即可致命，其量程范圍應(yīng)為0～10ppm，報(bào)價(jià)設(shè)定值應(yīng)分別為1ppm和3ppm。

（2）密度計(jì)測(cè)量介質(zhì)如是≥32%燒堿，其探頭材質(zhì)宜選用鎳（Ni）材。

2.8 其他注意事項(xiàng)

（1）電解工藝的產(chǎn)物和后續(xù)處理中有氫氣，作為ⅡC類爆炸性物質(zhì)（為甲類車間），其設(shè)計(jì)界區(qū)爆炸性氣體環(huán)境為一般為1區(qū)（即在正常情況下爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場(chǎng)所），自動(dòng)化儀表的防爆等級(jí)最低應(yīng)為ⅡCT4。

如設(shè)計(jì)界區(qū)爆炸性氣體環(huán)境為0區(qū)（即在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續(xù)或長(zhǎng)時(shí)間存在的場(chǎng)所），則其防爆形式必須用本安防爆，最低等級(jí)為ExiaⅡCT4。

（2）離子膜燒堿項(xiàng)目因其中有多種重大危險(xiǎn)源，所以項(xiàng)目必定有SIS（安全儀表系統(tǒng)），所有接入SIS系統(tǒng)的儀表其安全性能評(píng)測(cè)必須通過SIL3認(rèn)證，如接入SIS系統(tǒng)壓力變送器、開關(guān)閥的電磁閥等。

3 結(jié)束語

隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)和智能時(shí)代的開啟，工業(yè)自動(dòng)化的水平會(huì)逐漸提高，燒堿行業(yè)的電解因?yàn)槠涑叩暮哪芴攸c(diǎn)，燒堿行業(yè)的自動(dòng)化水平在未來還有很大的提升潛力。在未來的燒堿工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)化儀表起著舉足輕重的作用，而選擇合適的儀表，對(duì)提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)都有最直接的促進(jìn)作用。所以，作為工程技術(shù)人員，應(yīng)鍥而不舍的提高專業(yè)技術(shù)能力，豐富工程經(jīng)驗(yàn)，為每一個(gè)用戶做出科學(xué)合理的設(shè)計(jì)選擇。

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