pH檢測(cè)方案分析

劉 斌

（福陸（中國）工程建設(shè)有限公司，浙江杭州 310000）

工藝生產(chǎn)過程中分析儀的種類有很多，比如酸堿度（pH）分析儀、電導(dǎo)率分析儀、溶解氧分析儀、氧氣分析儀、煙氣分析儀、水分儀等，每種分析儀分析的組分不一樣，并且所需要的環(huán)境也不一樣，但是分析儀的共同點(diǎn)在于分析儀一般比較脆弱，對(duì)于環(huán)境的要求比較苛刻，每種分析儀有各自適用的環(huán)境，還有各自的禁忌，如果沒有對(duì)其工作原理或者適用工況進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，無法得到想要測(cè)量的結(jié)果，甚至可能導(dǎo)致分析儀表的損壞，造成損失，甚至?xí)l(fā)連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

在工業(yè)生產(chǎn)或者化工裝置中，酸堿度分析或者pH分析，在很多場(chǎng)合都有應(yīng)用，無論是精細(xì)化工或者食品行業(yè)，還是電力行業(yè)與污水處理等都有非常廣泛的應(yīng)用，能夠直接反映控制的效果，生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性、可行性，直觀反映生產(chǎn)過程是否正常有效進(jìn)行，在很多的過程中，酸堿分析扮演著重要的角色。

酸堿度（pH）的測(cè)量一般分為在線測(cè)量（In-line）和離線測(cè)量（On-line），根據(jù)不同的生產(chǎn)過程，為了能夠滿足生產(chǎn)工藝實(shí)際的工況，需要對(duì)實(shí)際的工藝過程進(jìn)行分析從而選擇合適的測(cè)量方案，既保證生產(chǎn)成本的降低，也能保證后期維護(hù)的方便，更能保證測(cè)量的可用性。

1 在線測(cè)量

在線測(cè)量，更直觀的說法就是儀表直接安裝在工藝管線上進(jìn)行測(cè)量（如圖1中左側(cè)部分顯示），這種安裝相對(duì)比較簡單，儀表直接安裝在管道上即可。

圖1 在線測(cè)量

上述儀表的測(cè)量方案有一定的條件限制：

1）受限于目前測(cè)量元件的限制，此種儀表不能安裝在工藝介質(zhì)壓力很高的場(chǎng)合，一般情況下需要保證管道內(nèi)壓力在0.1MPa以下，可以選擇上述儀表，但是如果管道壓力較高的情況下，測(cè)量元件無法承受較高的壓力，元件就會(huì)遭到無法逆轉(zhuǎn)的損壞，導(dǎo)致無法使用。

2）如此選型還要考慮到流體介質(zhì)溫度的影響，溫度同樣是限制使用的條件，目前按照主流產(chǎn)品的規(guī)格，在100℃以下，儀表本身還能承受，如果溫度高于100℃，儀表元件無法承受，儀表就會(huì)損壞無法使用。

2 方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上面的情況，如果能夠保證所測(cè)介質(zhì)的溫度能夠滿足儀表本身的使用溫度，僅僅是壓力超出了儀表的使用條件的限制，僅需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行降壓，降到儀表所能承受的壓力范圍，更進(jìn)一步，雖然每種儀表或者電極都有工廠推薦的最大使用條件，但是對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)而言，不能僅滿足儀表的最大使用工況就可以，為了能夠讓儀表使用壽命更長以及使用效果更好，在允許的范圍內(nèi)，要將儀表工作在一個(gè)最靈敏的條件下，所以可以將壓力盡可能地降到一個(gè)較小的工況，這樣儀表探頭能夠更加穩(wěn)定。

通常情況下，會(huì)在工藝管線上設(shè)置一個(gè)旁路（如圖1中右側(cè)部分顯示），然后在旁路上增加降壓孔板，通過降壓孔板，將工藝介質(zhì)的壓力降到所需的一個(gè)范圍，保證儀表的正常運(yùn)行。

注意：

1）流體介質(zhì)溫度不能高于測(cè)量儀表所推薦的一個(gè)溫度范圍。

2）需要考慮旁路的取樣以及回樣的位置，要綜合考慮儀表的耐受壓力和回樣點(diǎn)的壓力，降壓孔板如果降壓太多，就會(huì)導(dǎo)致經(jīng)過儀表之后壓力太低，無法返回到工藝系統(tǒng)中，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)。

上面的所闡述的儀表方案，典型的安裝位置就是在泵出口，此處的壓力一般相對(duì)較高，而泵入口的壓力要低很多，所以經(jīng)過降壓孔板，介質(zhì)能夠返回到工藝系統(tǒng)中，并能滿足儀表的正常測(cè)量需求。

經(jīng)過上述的分析，在某些適當(dāng)?shù)膱?chǎng)合下，可以選擇直接在線安裝的儀表，對(duì)于生產(chǎn)過程并不是安裝完就沒有問題了，還有后期的維護(hù)，一旦生產(chǎn)進(jìn)入運(yùn)行階段，維護(hù)就變成一件不可忽視的事情。

所有的分析儀表都需要按照實(shí)際生產(chǎn)使用狀況，進(jìn)行定期的維護(hù)，上述所說的儀表選型，如何在生產(chǎn)過程不終止的情況下進(jìn)行維護(hù)呢？此種可以選用帶有隔離球閥的產(chǎn)品，儀表的電極安裝在帶有球閥的護(hù)套中，如果儀表出現(xiàn)問題，需要維護(hù)，就將電極從護(hù)套向上提，然后關(guān)閉球閥，從而對(duì)儀表進(jìn)行維護(hù) 。

還有帶有自動(dòng)功能的護(hù)套，操作人員可以通過按鈕控制電極的取出與插入，還能外接沖洗裝置，對(duì)電極進(jìn)行沖洗，極大減少了工作人員的工作量。此種安裝方式 成本很高，應(yīng)用也就相對(duì)較少，并且還需要外接儀表氣源等，為自動(dòng)裝置提供動(dòng)力，也是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的一種限制。

3 離線測(cè)量

離線測(cè)量就是指儀表不直接安裝在工藝管線上直接進(jìn)行測(cè)量，而是通過樣品處理系統(tǒng)將樣品先進(jìn)行處理，將樣品處理到儀表最適合的工作條件，能夠延長儀表的使用壽命，更能夠不受現(xiàn)場(chǎng)工藝操作的限制，能較好地解決生產(chǎn)工藝過程中的問題。

在上文中提到在線可以解決壓力過高的問題，但是流體如果溫度和壓力同時(shí)超出了分析儀正常的操作環(huán)境，上文的方案就顯得力不從心，而離線測(cè)量的方案就能很好地解決上述問題。

將樣品預(yù)先處理的系統(tǒng)稱之為預(yù)處理系統(tǒng)（Sample Condition System）。如圖2所示。

圖2 預(yù)處理系統(tǒng)

3.1 工藝介質(zhì)

任何一種儀表的選型，對(duì)于工藝介質(zhì)物理特性的研究是必不可少的，只有對(duì)介質(zhì)的特性有一個(gè)深刻的了解才能針對(duì)介質(zhì)特性選擇適合的儀表。在pH測(cè)量儀表的選型中，如果工藝介質(zhì)在輸送的過程中可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶或者結(jié)冰的可能，就需要考慮對(duì)其傳輸?shù)墓芫€進(jìn)行保溫伴熱處理，使得管線內(nèi)的介質(zhì)溫度高于介質(zhì)結(jié)晶的溫度或者高于介質(zhì)的冰點(diǎn)，從而使分析儀表能夠進(jìn)行正常的工作。

對(duì)于儀表管線的伴熱，通常會(huì)有兩種方式可以選擇：①蒸汽伴熱；②電伴熱。

蒸汽伴熱需要裝置內(nèi)有蒸汽介質(zhì)，并且在儀表附近設(shè)有蒸汽盤，能夠?yàn)閮x表提供源源不斷的蒸汽。電伴熱相對(duì)就簡單很多，只需要電氣專業(yè)為儀表伴熱帶提供電源即可。值得注意的是電伴熱有伴熱溫度及溫升的限制，需要根據(jù)實(shí)際情況而定。

3.2 操作工況

pH測(cè)量元件會(huì)受到溫度和壓力的限制，兩者都需要在一定的范圍內(nèi)才能保證正常運(yùn)行。因此圖2所示，在預(yù)處理系統(tǒng)中加入了冷卻裝置，能夠?qū)⒐に嚱橘|(zhì)的溫度降低到一個(gè)合理范圍。根據(jù)提供的冷卻水的溫度和壓力，計(jì)算冷卻器的能力以及所需要的冷卻水的消耗量，從而滿足需求介質(zhì)溫度降低的需求。

關(guān)于壓力的限制，上文中使用限流孔板作為一種降壓的方式，在預(yù)處理系統(tǒng)中，采用自力式調(diào)節(jié)閥對(duì)介質(zhì)壓力進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)介質(zhì)到儀表測(cè)量點(diǎn)的壓力和后系統(tǒng)的壓力以及通過閥門的流量計(jì)算閥門的CV（流通能力），設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)流通能力的自力式調(diào)節(jié)閥，根據(jù)介質(zhì)的特點(diǎn)選擇閥門的材質(zhì)，并考慮防腐蝕和泄漏等問題。

3.3 安全操作

上述已經(jīng)解決了分析儀基本的選型安裝問題，針對(duì)有些介質(zhì)可能會(huì)有毒性，因此安全操作非常重要，有些場(chǎng)合比如介質(zhì)中含有HCN介質(zhì)，此種介質(zhì)毒性非常大，一旦泄漏就會(huì)產(chǎn)生致命的后果，因此會(huì)在預(yù)處理的箱子里安裝有毒氣體檢測(cè)器，實(shí)時(shí)檢測(cè)預(yù)處理系統(tǒng)中的介質(zhì)狀態(tài)，如果發(fā)生泄漏，將報(bào)警信號(hào)會(huì)傳輸?shù)紻CS中實(shí)時(shí)監(jiān)控，在預(yù)處理裝置的外面也會(huì)設(shè)置有聲光報(bào)警裝置，一旦發(fā)生泄漏，報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員注意險(xiǎn)情發(fā)生，并對(duì)其進(jìn)行處理。

這種方式缺點(diǎn)：

1）額外增加了一套預(yù)處理的系統(tǒng)，儀表成本肯定會(huì)有所上升。

2）增加了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，因?yàn)轭A(yù)處理系統(tǒng)包含各種各樣的元器件，包括閥門、過濾器、減壓閥、管接頭等裝置，故障點(diǎn)明顯增多。

3）滯后時(shí)間會(huì)相對(duì)增加，樣品需經(jīng)過管線流到儀表，勢(shì)必會(huì)使整個(gè)分析的過程時(shí)間變長，如果有要求需要滿足一定的分析時(shí)間，在預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候還要考慮快速回路以及措施加速介質(zhì)的流動(dòng)，以降低分析回路的時(shí)間。

4 結(jié)語

針對(duì)pH分析儀在設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題進(jìn)行了比較全面的闡述，詳細(xì)分析了可能會(huì)遇到的各種的工藝狀況，針對(duì)每種具體工況給出了較為可行的設(shè)計(jì)方案，并且針對(duì)方案進(jìn)行比較，列出優(yōu)缺點(diǎn)，也方便設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中遇到相似工況的時(shí)候，能夠有一個(gè)可以參考的解決方案。方案設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，適合操作工況的設(shè)計(jì)就是最好的設(shè)計(jì)。