離子膜燒堿工藝中氯氣含水量測量的儀表選擇

韓雪松

(中國天辰工程有限公司黑龍江分公司, 黑龍江 哈爾濱 150076)

離子膜燒堿工藝中氯氣含水量測量的儀表選擇

韓雪松

(中國天辰工程有限公司黑龍江分公司, 黑龍江 哈爾濱 150076)

根據相關儀表選型設計規范及安裝規范，并結合以往分析儀表的現場使用情況及相關分析儀表的最新發展趨勢，討論了離子膜燒堿工藝中氯氣含水測量的儀表選型，分別介紹了測量原理、分類、優點及缺點，指出了該類型儀表選型設計的注意事項，為同類型裝置的分析儀表選擇提供了參考，也對相關分析儀表的改進有著指導意義。

氯氣 電解式微量水分析儀 激光分析儀

氫氧化鈉俗稱燒堿，在國民經濟中有廣泛應用，許多工業都會用到燒堿，如化學藥品的制造、造紙、冶金、紡織、石油、化工等行業。在燒堿的生產工藝中，離子膜方式為主流方式，其副產品氯氣具有毒性且不易大規模存儲，故通常將其通過化學反應進行處理，而在化學反應前，需要做干燥處理，并設置分析儀表檢查氯氣中含水情況，以防止腐蝕管道，污染后續生產工段。本文針對該檢測位置探討分析儀表的選型問題。

1 工藝情況

在離子膜燒堿生產過程中，粗鹽水經過一次鹽水單元和二次鹽水單元后進入電解單元，當精制鹽水流經電解槽時，在一定直流電作用下，離子經離子交換膜發生遷移，最終在陰極液相形成燒堿，陽極液相產生淡鹽水，陰極氣相生成氫氣，陽極氣相生成氯氣。電解槽出來的濕氯氣，溫度較高并伴有大量的水蒸氣和雜質，具有較強的腐蝕性，須經過冷卻、干燥和凈化處理，一般說來，濕氯氣需要經過氯水洗滌塔、一級干燥塔和二級干燥塔，然后進入氯氣壓縮機，再送往相應工段，在此過程中大部分氯氣壓縮機廠家要求氯氣的體積分數小于5×10-5。

2 氯氣中含水檢測點的設置

一般來說，氯氣中含水檢測點應設置在氯氣壓縮機自一級壓縮出口。當部分分析儀表需要將通過引壓管取樣的氯氣樣氣返回工藝管道的時候，則分析儀表的出口樣氣一般返回至氯氣壓縮機一級壓縮進口，因為部分分析儀器需要一定的流量，利用進出口壓差正好可以滿足此要求。

3 分析儀表的選擇

測量氯氣含水量的分析儀表主要有電解式微量水分析儀和激光分析儀兩種。

3.1 電解式微量水分析儀

電解式微量水分析儀也叫庫侖法電解濕度計，屬于電化學在線分析儀表的一種，根據法拉第電解定律，通過電解水為氫氣與氧氣，進而進行水分的測量，常用在氣體里的微量水分檢測。電解式微量水分析儀主要由電解池和電解電極構成，電解電極式為螺旋型鉑絲，其繞在池壁上呈平行狀，并在鉑絲中間涂上具有很強親水性的五氧化二磷，這樣，當有檢測氣體通過電解池的時候，五氧化二磷會吸收氣體中的水分，從而產生偏磷酸液體，進而被2條鉑絲間的直流電壓電解，生產氧氣和氫氣，最后氧氣和氫氣放出，五氧化二磷還原，具體過程為

在上述電解進行時，電解電流也隨之發生，由于在一定溫度、壓力和流量條件下，電解電流和氣體中的含水量成正比，故可以根據電流值推算出水分的含量。

電解式微量水分析儀的優點:

1) 含水量和電流對應，而且電路可以精確測算出微量的電流，電解式微量水分析儀靈敏度高、精度高，絕對誤差小。

2) 由于其屬于絕對方式測量，探頭一般不需要現場標定。

3) 由于電解池結構簡單，實際應用中使用壽命較長。

4) 對于有經驗的維護人員來說，電極經過長時間的使用后，可以現場人工再生，免去維修工作需要返廠進行的麻煩。

電解式微量水分析儀需要注意:

1) 干氯氣的腐蝕性不強，普通的不銹鋼也耐干燥氯氣腐蝕，但是實際生產中，需要考慮在特殊情況下濕氯氣也會進入分析儀表的情況，濕氯氣具有強腐蝕性，所以取樣部分中的管線、接頭和閥門等相關部件需要采用蒙乃爾合金或者鈦，也可以使用非金屬材質，例如聚四氟乙烯(PTFE)或者氯化聚氯乙烯(PVC-C)，當然也可以使用鋼襯管。上述材料中所涉及的墊片應采用聚四氟乙烯玻璃纖維(RPTFE)或者氟橡膠(FKM)等材質。

2) 考慮到介質為氯氣，故微量水分析儀中的檢測器和電解池的材質也宜采用RPTFE，此外安裝在現場的保護箱也宜采用樹脂等材料，以防氯氣腐蝕。

3) 注意取樣氣體的溫度、壓力及流量計的穩定，一般在氯氣主管道設置溫度和壓力儀表進行觀測，在取樣線路中設置流量計進行監測。

4) 注意所有接頭的密封，因為一旦有泄漏，大氣中水分即可進入系統，從而影響測量，并帶來腐蝕隱患。

5) 開機前需要脫水處理，以避免偏差。

6) 可根據現場情況及微量水分析儀要求選擇氯氣樣氣的排放形式。

7) 減少取樣管道長度，以保證檢測響應時間。

3.2 激光分析儀

激光分析儀屬于光學分析儀器中吸收光譜法的一種，可通過快速調制激光頻率使其掃過被測氣體，吸收一定頻率范圍的被測氣體譜線，然后采用相敏檢測技術測量被氣體吸收后透射譜線中的諧波分量來分析氣體的吸收情況，一般來說，采用半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)測量氣體吸收強度，并根據Lamber-Beer定律，即氣體吸收的強度與其濃度成正比，計算出氣體的濃度。現階段常用的激光技術為可調諧二極管激光，該激光安全等級非常高，不但直射對人體沒有傷害，而且該能量非常低，不用擔心激光能量引爆被測氣體，該激光分析儀可應用于防爆場合。此外，由于利用了高度單色性激光源，可以發射特定波長的光，而且該波長可以調諧，可掃描很窄的波長范圍。采用控溫元件，可以通過0.01 ℃的精確度調節和控制激光二極管溫度，從而確定掃描的范圍。固定溫度后，激光二極管發射出穩定、可重復的固定波長激光。而在考慮吸收譜線時，則選擇在所吸收譜線頻率附近約10倍譜線寬帶內無測量環境中背景氣體組分的吸收譜線。

激光分析儀還可以分為旁路式激光分析儀、原位對射式激光分析儀和原位反射式激光分析儀。

3.2.1旁路式激光分析儀

旁路式激光分析儀為旁路安裝，把待檢測氣體通過引壓管線引至激光分析儀中的測量室內，通過兩側的激光發射和接收裝置照射后，再將氣體送回氯氣壓縮機入口，從而完成氯氣中含水量的檢測。圖1為旁路式激光分析儀的示意圖。該分析儀可以避免氯氣壓縮機及其附近相關管道振動給激光分析儀帶來的影響；另外，由于激光分析儀的激光發射、接收部分以及測量室都安裝在地面的控制柜內，故環境中有可能存在的腐蝕、高溫或者低溫對激光分析儀整體影響不大；此外，如果該處氯氣管道出于較高位置，則該安裝方案便于激光分析儀的日常巡檢及維護。該方法由于需要引壓管線，故需注意相關管道及接口的密封，以避免影響測量及污染環境。

圖1 旁路式激光分析儀示意

3.2.2原位對射式激光分析儀

原位對射式激光分析儀的激光發射和激光接收裝置分別采用法蘭安裝于管道的兩側，工作時一邊發出激光，經過管道內的氣體后，由另一段接收，從而完成氯氣中含水量的檢測。圖2為原位對射式激光分析儀示意圖。該方法減少了氯氣外漏的概率；減少了檢測時間，并避免了氯氣尾氣回收的問題。該分析儀由于必須保證對焦正確，故對于現場安裝要求較高。

圖2 原位對射式激光分析儀示意

3.2.3原位反射式激光分析儀

原位反射式激光分析儀的激光發射和激光接收裝置都在管道的同一側，共用1個法蘭接口，將激光分析儀自帶的探桿插入管道中，反射直角棱鏡在探桿頂端。激光經過管道內的氣體后，被探桿頂端的直角棱鏡反射，原路返回，并經過分光后，進入激光接收裝置，從而完成氯氣中含水量的檢測，圖3為原位反射式激光分析儀示意圖。該分析儀直接安裝在管道同一側，減少了安裝空間；另外，由于激光發射和接收裝置都在同側的變送器內，故原位反射式激光分析儀對振動不敏感，也相當于擴大了安裝位置的范圍。但當激光分析儀發生故障時，很難及時拆卸下來進行維護和檢修，需要停產進行操作。為了解決上述問題，設計過程中，在氯氣管道上增加檢修旁路，那么還需要設計相應的吹掃氣體及氯氣排放接收管道，這樣會增加投資費用，并且給操作人員增加了額外工作量。

圖3 原位反射式激光分析儀示意

激光分析儀的優點:

1) 具有高的靈敏度和高的分辨率，可以保障氯氣壓縮機正常工作。

2) 如果氯氣的溫度及壓力不穩定，可以在檢測點前設置溫度及壓力檢測點，將檢測信號送入激光分析儀，并通過算法進行溫壓補償。

3) 由于激光分析儀對粉塵影響的耐受程度好，故激光分析儀可以避免大部分粉塵及光學視窗污染干擾，所以用激光分析儀檢測氯氣中含水量，避免了由于氯氣含水檢測位置前的2套干燥設備可能帶入污染物而造成的影響。

4) 由于激光分析儀優異的單色性能，所以從根本上排除了傳統氣體吸收譜技術測量某氣體成分時受到氣體中其它成分吸收譜干擾的可能，更能反映氯氣中水的實際含量及微小變化。

5) 部分激光分析儀廠家自帶參比系統，可對激光分析儀性能進行校驗，并實時進行調整及補償。

4 結束語

在實際設計中，由于每個企業的情況不盡相同，故上述幾種氯氣中含水量測量方式，需要采用哪種，則需要綜合考慮以下幾點:

1) 業主對投資的要求。

2) 氯氣壓縮機廠家對含水量及相應時間的要求。

3) 工藝管道的布置及周邊空間大小。

4) 分析儀器所在位置的環境影響，包括空氣中的腐蝕程度、空氣溫度及空氣濕度。

5) 是否處于防爆區內。

6) 維護是否方便。

7) 氯氣是否純凈，氯氣的溫度、壓力及流量是否穩定。

8) 分析儀表在以往項目中的使用效果。

如果分析儀表選型得當，可以準確、及時地測量出氯氣中含水量，那么就可以保證氯氣壓縮機的正常運行，并穩定后續工藝生產過程，對于安全生產、保護環境、提高經濟效益有著十分重要的作用。

[1] 王雪梅，安鐵夫，孫建文,等.HG/T 20507—2014 自動化儀表選型設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[2] 賈藝軍，曾裕玲，羅倩.HG/T 20509—2014 儀表供電設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[3] 杜彧，張晉紅，賀潤鴻.HG/T 20510—2014 儀表供氣設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[4] 于鋒.HG/T 20512—2014 儀表配管配線設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[5] 王丙強,毛仲德，劉俊成，等.GB 50093—2013自動化儀表工程施工及質量驗收規范[S].北京:中國計劃出版社,2013.

[6] 張海峰，曹永友，曲福年,等.AQ/T 3016—2008 氯堿生產企業安全標準化實施指南[S].北京:煤炭工業出版社,2009.

[7] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京:化學工業出版社,2000.

[8] 邴涓林，黃志明.聚氯乙烯工藝技術[M].北京:化學工業出版社,2008.

[9] 李晶，王鐵山，劉玉蘭.微量水分分析儀在氯氣含水測量中的應用[J].儀表技術與傳感器,2000(01):43-45.

[10] 黃偉,顧海濤,黃健.微量水分分析儀在氯氣含水測量中的應用[C]//第三屆中國在線分析儀器應用及發展國際論壇論文集.北京:中國儀器儀表學會，2010.

稿件收到日期：2017-07-29，修改稿收到日期2017-09-18。

韓雪松(1977—)，男，黑龍江哈爾濱人，2000年畢業于齊齊哈爾大學自動化系，獲學士學位，現就職于中國天辰工程有限公司黑龍江分公司，從事儀表設計工作，任高級工程師。

TH744.4

B

1007-7324(2017)06-0063-03