二次鹽水精制工藝控制優化研究與應用

李長嶺

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305）

目前氯堿行業離子膜制堿生產工藝技術已經日臻成熟，大多數氯堿企業采用離子交換螯合樹脂塔裝置，其再生與間歇運行對鹽水質量起著非常重要的作用。唐山三友氯堿有限公司采用日本旭化成復極式高電流密度零極距自然循環離子膜電解槽，相關控制技術已經日益匹配現有工藝技術，生產裝置中自動化控制技術應用較為廣泛，多數已實現DCS控制系統的應用，對于控制系統的要求也日趨完善，對于企業安全生產、提升自動化效率、減少能源消耗有一定的作用。

1 二次鹽水精制工藝

二次鹽水精制生產工藝主要是將精制鹽水送入樹脂塔二次精制后送至鹽水高位槽。從一次鹽水精制鹽水泵送來的過濾鹽水進入過濾鹽水罐，由過濾鹽水泵送入鹽水板式換熱器中升溫后進入離子交換樹脂塔。通過樹脂離子交換，使鹽水中Ca2+，Mg2+等多價離子的含量小于規定值。從離子交換樹脂塔出來的二次鹽水被送入電解工序自然循環的鹽水高位槽。鹽水在高位差的作用下自流進入電槽精制鹽水總管，進入每臺電解槽的陽極入口總管，再通過單元槽陽極室的軟管進入陽極室。

二次鹽水精制工序中較為重要的設備即為離子交換樹脂塔，塔內裝填有螯合樹脂，在螯合樹脂再生過程中，一般以3臺聯動為一動態再生的循環周期，當兩臺在線運行時，另一臺離線進行螯合樹脂再生。排出的廢液返回系統匹配的中和罐進行處理，另一部分排放的鹽水送到再生鹽水罐再返回到一次鹽水化鹽工序。二次鹽水生產工藝流程示意圖見圖1。

圖1 二次鹽水生產工藝流程示意圖

2 控制系統的初步設計

通過對工藝控制點、設備監控點及具體工藝控制采集，促進了DCS在生產效率上的提升與改進，該控制系統主要包括現場控制層、網絡通信與連接層、過程監控層及操作管理層等，DCS控制系統采用先進的控制單元、操作單元、操作員站、數據歸集管理等來完善控制及組態架構，通過服務器及數據管理通訊來完成企業生產網、銷售信息網、生產管控及調撥的總體實現。控制單元是二次鹽水工藝技術中的核心處理部分，由總線部分、IO控制卡件與模件箱、端子板及通訊電纜有機組成控制整體，從而實現二次鹽水的精確控制與鹽水的精制工藝的實施，并且能夠保證生產系統的安全可靠。網絡通信與連接層由交換機與控制總線來完成數據傳輸與交換。從操作站來看，對生產過程中相關參數進行實時采集、實時監控、對比及報警、畫面及人機互動的界面。具體工藝流程穩態控制、數據優化及組態優化、監控界面人性化及易于監控的功能。操作人員經常使用的人機交互界面更為形象，達到管理信息、操作信息與服務信息的高端匹配與融合[1]。樹脂塔控制系統配置圖見圖2。

圖2 樹脂塔控制系統配置圖

3 二次鹽水關鍵工藝控制

二次鹽水關鍵工藝控制技術相對成熟，隨著設施運行周期增加，設備及工藝存在諸多問題[2]，影響系統正常穩定運行。精鹽水質量的飽和度、再生的操作頻次、樹脂塔的塔壓差、純水反洗流量及消耗、酸堿消耗及置換效果等，都是目前存在的問題，其中以螯合樹脂塔的控制最為關鍵。因此，如何匹配現有設施與現有二次鹽水精制工藝技術，如何合理利用液位控制、pH值、游離氯檢測、氣體濃度檢測、壓力檢測等指標達到優化控制，使之成為重要參照依據，是亟待解決的問題。

3.1 溶液濃度由流量測量系統控制

將一次鹽水送來的精鹽水（濃度≥300 g/L，pH值9~11），經過板式換熱器全面換熱后，此時將交換后的溶液溫度控制在（60±5）℃，以進板式換熱器溶液溫度為主要控制參數，使用輸送設施將鹽水送至螯合樹脂塔進行二次精制。在此環節，系統除去鈣、鎂等金屬離子，同時自高位槽流出的精制鹽水加入鹽酸進行加酸調節并將pH值穩定在4.5左右，再經管道過濾器送入電解槽。排出的廢液通過管線送到中和罐進行處理。

3.2 鹽水槽液位調節及控制

二次鹽水精制工序中，過濾鹽水槽及鹽水高位槽是關鍵的設備，其斷流停液將引起電解工序的不穩定及間歇性停車。因此，對其液位及液位調節閥的正常控制非常重要，同時設置高低限報警及閥門的聯鎖控制，使用PID數據連動設置，可有效增加控制精度，達到理想控制效果，避免液位不達標。

3.3 脫氯淡鹽水溫度的控制

二次鹽水板換器采用淡鹽水與回流淡鹽水進行熱交換的模式，通常可以節約外來熱能如蒸汽、熱水制冷及制熱等，采用自控蝶閥達到鹽水板換切換后通精鹽水，再將脫氯后淡鹽水控制溫度為55~60℃，可以達到有效節能的目的，特別是對減少蒸汽消耗有較大的推進。

3.4 二次鹽水崗位主要設備運行監控

二次鹽水崗位中，螯合樹脂塔壓力一般控制在0.25~0.50 MPa，兩塔壓差應小于0.1 MPa；觀察過濾鹽水管道過濾器壓力小于0.5 MPa，再生樹脂塔反洗時應觀察樹脂層高度。同時，樹脂塔達到塔切換的條件，實施塔切換。當一期切塔后直接再生，二期切塔后等待，每天精確控制時間進行水洗步驟，可以有效控制并且避免再生時間、工藝等的沖突，并且確保再生時的流量。再生廢水在pH值調整合格后分兩次排放。動力設備如過濾鹽水泵，純水泵，水環真空泵，脫氯陽極循環泵等的啟停及運行監控都很重要。崗位人員日常巡檢時應認真仔細，根據“四到”原則，對重點設備進行巡檢，發現問題及時反應，聯系相關人員處理，保證生產安全穩定運行。

3.5 樹脂塔壓差調節及控制

二次鹽水開車前需要對螯合樹脂塔壓力進行確認，二次鹽水現場所有動設備工作指標控制在正常范圍，管線及其附屬設施處于可控范圍，同時流量計流量顯示正常。純水樣合格，動力電、儀表氣、蒸汽正常；樹脂塔再生所需的31%高純鹽酸和32%液堿隨時可提供，通常以螯合樹脂塔壓力為主調參數，進入樹脂塔前后壓差控制需小于0.10 MPa。樹脂塔再生控制進液聯鎖圖見圖3。

圖3 樹脂塔再生控制進液聯鎖圖

3.6 樹脂塔再生關鍵控制技術

樹脂塔的運行過程：兩塔順序運行，一塔再生或待機，分步序進行，由一次水洗、反洗、酸再生、二次水洗、NaOH再生、三次水洗、鹽水置換等7步序來完成。經過試驗及對比，如對二次水洗時間控制少于120 min時，往往不能達到預期的效果。因此，需合理調配出符合現有工藝控制指標的步序流程。（1）一次水洗工序。主要是將下線塔中的剩余鹽水用純水置換，純水從塔頂進入，廢鹽水回收到回收鹽水罐，此過程時間為60 min，純水流量控制在30.5 m3/h；（2）反洗工序。主要是將純水從塔底進入，通過液體將較小直徑的樹脂顆粒流動帶走，并使產生的廢水流到離子交換樹脂捕集器后，再統一回收到回收鹽水罐，此過程為30 min，純水流量控制在55 m3/h；（3）酸再生工序。主要是將純水稀釋后的鹽酸送入塔進行樹脂再生，轉換出氫離子，達到此工序的置換目的，此過程時間為45 min，純水流量控制在18.1 m3/h、31%HCl控制在3.9m3/h；（4）二次水洗工序。主要是使用純水來置換塔中剩余的鹽酸，此工序持續時間120 min，控制純水流量26.1 m3/h；（5）NaOH再生工序。主要是燒堿被水稀釋后送入塔進行樹脂再生，把樹脂從H+形置換成Na+形的過程；（6）三次水洗工序。主要是使純水置換塔中剩余的燒堿，在廢水槽中酸堿中和后送到界外，此工序持續時間60 min，控制純水流量26.1 m3/h；（7）鹽水置換工序。主要是用從塔底供應的鹽水對塔中剩余的純水置換的過程，并且將廢水經過離子交換樹脂捕集后回收，此工序持續時間180 min，控制鹽水流量13.1 m3/h。

純水氣動閥、酸洗氣動閥、堿洗氣動閥及過濾裝置、樹脂塔液位、流量計等參數全部引入DCS集散控制系統，控制樹脂塔再生程序的正常運行，同時加入聯鎖、流程報警及人機通訊界面，對減少人員的操作有著重要的意義。

4 運行過程中異常情況處理

4.1 二次鹽水循環水聯鎖控制

二次鹽水生產用純水，現場設有純水儲罐，動力設備為一開一備，因此純水系統有保障；循環水主要在樹脂塔和脫氯塔冷卻器使用，當循環水停止供應，車間備用一次水管線應急；一次水車間主要是整流冷卻系統，當一次水停止供應，車間有循環水應急管線可保證整流冷卻系統穩定運行。由DCS集散控制系統對動力設備設置開機與停機，實現備機與運行機組的核心聯鎖控制。

4.2 樹脂塔流量報警和聯鎖

由DCS監控樹脂塔純水、精制鹽水、31%高純鹽酸和32%液堿的瞬時流量，并記錄任意時刻的數據，當檢測到任意一個流量計的流量參數與系統預設的流量參數比對異常時，DCS上產生報警信號，同時及時暫停計時器。當檢測到流量恢復時，繼續運行計時器并及時進行數據累計，同時人工再次校核數據正確性。通常以純水流量低報值、鹽水低報或高報值、鹽酸與NaOH流量低報值數據作為再生步驟和塔切換步驟的判斷值和動作值，精確可靠、運行穩定。

4.3 p H值、游離氯的檢測設置

操作中需要重視的監測數據包括精制鹽水進出口p H值及氧化還原電位，并注重監測儀器的電極選用，測量點的安裝位置，現場安裝過程中環境溫度的影響等，同時對鹽水p H值的異常測量值進行比對，并針對溫度異常顯示添加現場溫度補償工具，以確保監測數據、調試數據比對正常。如果溫度高可通過加裝儀表冷卻器來滿足系統內p H值、游離氯的檢測需要，確保系統運行正常。

4.4 突發異常情況處置方案

4.4.1 外界儀表氣與電力供應異常

當發生儀表氣源壓力低報引起停車，最大可能是公用工程系統故障、現場管線或閥門泄漏，現場主操人員應立即關閉儀表儲罐進戶手閥，同時立即到現場檢查有無漏點。如長時間不能恢復送氣，提前將部分不關鍵氣動閥改為手動，來降低儀表氣的使用量，再生樹脂塔、氯酸鹽裝置可暫時停止運行。當動力電停，崗位外操人員聯系中控主操，送保安電，如保安電或者動力電送上后迅速啟動純水泵，當運行設備無法正常啟動，立即啟動備用設備，啟動備用設備前需檢查運行設備與備用設備閥門狀態，檢查完畢后立即按操作規范啟動備用設備，仍然無效時應聯系電氣人員檢查動力電是否正常，并及時送電，做系統全面停車準備。以樹脂塔再生環節作為主要邏輯記憶工序進行復位，并合理處理后序流程。關閉進樹脂塔前入料氣動閥與手閥，確保安全生產。

4.4.2 車間空間氣體監測異常

二次鹽水精制工藝中可能產生的氣體有氯氣、氯化氫氣體、氫氣等，這些氣體有毒有害，不僅威脅操作人員身體健康，同時對周圍生態環境產生較大影響，一般可采用氣體泄漏應急處理措施，包括找到異常泄漏的罐或管道泄漏點，立即切斷進出閥門；罐進出口閥前發生泄漏，則采取向鹽酸工段或液堿儲槽倒罐，迅速撤離污染區人員至上風處或空氣新鮮處，并立即警戒隔離，限制人員、車輛出入；應急處理人員必須戴自給正壓式呼吸器，穿防毒服，不要直接接觸泄漏物；現場合理通風，加速揮發氣體擴散；小量用砂土混合，也可以用大量水沖洗，水稀釋后放入廢水系統中和；大量泄漏時構筑圍堤，用泵轉移至槽車或專用收集器內回收。

5 結語

綜上所述，此項目的控制系統設計、試驗與實施過程中，再生效果較為理想，目前的生產頻率較為合理。在完成優化智能化控制的同時，大幅降低了操作人員工作強度，并摸索出符合現有工藝技術的DCS集散控制方案。