氯化鈉酸化鹵水工藝自控技術探討

蓋玉浩

（天津海光藥業股份有限公司，天津 300457）

1 項目背景

藥用氯化鈉的生產工藝為工業鹽溶解后鹵水，經過升溫加入輔料氯化鋇、混合堿(氫氧化鈉和碳酸鈉)除硫酸根以及鈣、鎂、鋇等金屬離子，然后酸化，蒸發結晶烘干即得。 在我公司實際生產中往往在酸化陷入困擾。 酸化，就是要把除雜后pH 值約為12 的濾液用鹽酸降到3～5， 酸化是精致鹵水澄清度的重要控制工序，pH 值為關鍵工藝控制點。 但目前存在以下幾點困擾：

1）現有測酸模式為pH 試紙間斷性手工檢測，通過肉眼識別試紙顏色檢驗酸化前后鹵水指標并放行，人為不可控因素太大，給產品帶來不勻至成品不合格等風險。

2）現在加酸模式為高位瓶自流，控制瓶上刻度加酸，人工強度大且存在安全風險。

3）手動加酸容易過量，過酸的鹵水進入后續工序，伴隨高溫蒸發對蒸發罐、離心機、干燥機等設備帶來很大程度的腐蝕，加速了過流部件的更換，設備維修費高。

2 酸化鹵水工藝自控改造的意義

通過自控系統設計，在線pH 檢測儀表、計量泵、靜態混勻器等關鍵設備的選型安裝，實現可持續性的、可監測性的、高精度控制的酸化鹵水自控系統，從而解決以上難題。 實現產品質量的提升、危險化學品的自控控制管理、降低設備檢維修費以及勞動負荷（見圖1 和圖2）。

圖1 改造前

圖2 改造后

3 設計思路

本設計采用浙大控制JX300XP DCS 自控系統平臺, 將鹵水加酸前pH1 、 加酸后pH2 流量F和計量泵變頻信號送到DCS, 由DCS 實時跟蹤鹵水pH 值, 通過計算， 核定需要的鹽酸加入量；輸出信號與鹽酸加入量成正比的4-20mA 直流電信號給DCS 系統；DCS 系統組態編程實現PID 調節， 輸出4-20mA 信號給交流變頻器， 變頻器把DCS 傳送來的的控制信號轉換成相應的頻率去控制隔膜計量泵轉速；通過PID 調節控制泵轉速達到控制加酸量的目的。 具體系統原理圖見圖3。

圖3 系統控制圖

當鹵水pH1＞7 時,DCS 系統根據鹵水的流量和△pH 值， 送給DCS 系統初始信號去控制計量泵加酸, 當鹵水和鹽酸混合后，pH2 表測量的pH值及流量反饋到DCS 系統,該系統根據澄清液鹵水的實時pH 值適當調整4-20mA 輸出信號,調整隔膜計量泵轉速, 改變加入鹽酸的流量； 逐步調節，達到合格(pH=4±0.3)的目的[1]。

4 結合工藝特性對關鍵設備的選型

4.1 隔膜計量泵

隔膜計量泵的選型是項目的重點及難點，重點在于控制過程中輸出量決定了酸化鹵水的效果，難點在于選型。 如何能選擇一款合適的計量泵是課題小組攻關的重中之重。 按照公司生產現狀，高純鹽酸的質量分數在31%左右，酸化鹵水大概流量在60m3/h， 若用現有高質量分數的鹽酸直接進行酸化，用量很低流量很小，市場上很難選型到小型計量泵，同時也存在管道混合不均勻的問題。 為了解決此難題，首選對現有鹽酸進行稀釋，稀釋3～5 倍；經過計算稀釋的鹽酸質量分數控制在5%～10%之間； 換算鹵水加酸量大概在100L/h 左右，主體管道壓力在0.1MPa 以下。 攻關工藝難題后，針對此工況下，通過對標學習調研市場，擬選型 “世界第一臺計量泵的發明者” 米頓羅隔膜計量泵為品牌；加藥隔膜計量泵為單頭機械隔膜計量泵，調節比10∶1，穩態精度應達到±2%以上。 加藥計量泵由傳動箱體和變頻調速電機組成。 流量調節既可以通過手輪調節也可以通過變頻調速裝置自動完成。 電機通過蝸輪/蝸桿減速，與蝸輪同軸的可變偏心機構帶動與之相連的連桿產生直線往復運動，完成吸入及排出沖程。 專采用可調偏心傳動機構-保證有效沖程長度調節精度，高精度進出口止回閥保證精度高性能隔膜泵頭。 泵頭的材質應選PVC 材質，隔膜材料應選用PTFE 聚四氟乙烯材料， 在正常工況定期維護的狀態下，連續運行壽命應至少18000h。 并且，無論泵是否運行，均可在0～100%范圍內調節流量。油浴潤滑，只需定期更換潤滑油，潤滑系統無需專門維護（見圖4）。

圖4 隔膜計量泵樣例

4.2 在線pH 檢測儀表

化工工藝過程中的介質pH 測量,是保證產品質量和產量的重要檢測項目, 是評價核定工藝數據的重要依據，是工業 “眼睛” 的作用。 對被測溶液的化學、物理性質需要全面了解,以判斷這些參數對pH 測量的影響程度,為此我們課題小組制定方案認真分析化學成分， 雜質離子帶來的影響，溫度壓力等變化； 周期性生產結晶的解決方案，以及后期的定期校驗的方法和校準環境, 以實現長期、連續穩定檢測pH 之目的。 現有的工況介質為高溫鹵水（70～80℃）且所需調節范圍大，pH 在3～12 范圍整定。 除傳感發送器的外殼材質,pH 電極能否在這類腐蝕性介質并溫度偏高環境下中長期測定也是必須考慮的。 一般國產pH 玻璃電極僅能使用1～3d,電極即全部被腐蝕掉而無法使用,即使進口的玻璃電極也只能使用15～30d。 一般來說,pH 傳感器在腐蝕性工況中能連續使用三個月至半年以上的,方可認為屬于正常。 經過充分調研， 我們決定采用德國E+H 分析儀表品牌，在儀表及電極選型與對方技術人員深入溝通，采用二次表型號為CM442-XAV2/0、雙通道輸入。電極采用數字電極CPS171D；過程溫度范圍0～100℃；pH 允許最高過程壓力7bar、 電極材質玻璃、KCl凝膠；溫度補償NTC 30K；數字電纜通訊。 傳輸信號應使用4～20mnAdc[2]。

結合現場實際，課題小組決定在水平工藝管線上安裝，在線pH 計安裝方法（見圖5）。 可以在主工藝管線上引一個旁路，做一個能將壓力降下來的流通池VA, 將pH 計電極AI 安裝在它上面, 來確保pH 計所能承受的壓力及物料的流速,物料回到反應罐內,再用泵P 將物料打回膜過濾系統工藝管線。 控制旁路入口的閥門，減小工藝介質的壓力和流速。 根據工藝管線的壓力大小,制作一個適合大小減壓比的流通檢測池，以滿足pH 計對壓力的要求。 前后配有閥門以及排放閥，方便控制標定與更換[3]。

圖5 水平管線pH 計的安裝方法

4.3 管道靜態混勻器

靜態混合器是一種沒有運動的高效混合設備，通過固定在管內的混合單元內件，使二股或多股流體產生切割、剪切、旋轉和重新混合，達到流體之間良好分散和充分混合的目的[4]。 結合現場設備管道布局以及物料特性，課題小組反復論證，決定采用靜態混合器，輕巧方便，結合現場改造實際條件，最終選用DN100 法蘭、304L 襯PE 材質、長度2m、加酸口DN20，圖6 是主要設備控制效果圖。

圖6 主要設備控制效果圖

4.4 項目設備清單（見表1）

表1

5 技術方案實施后效果評價

藥用氯化鈉酸化鹵水工藝自控改造，能實時監測pH 值和反映鹽酸的投加量及效果， 并將檢測結果以4-20mA 形式傳遞給DCS 系統。 pH 分析儀表與隔膜計量泵變頻器、DCS 系統相連可組成一個完整的閉環反饋控制系統，對計量泵進行遠程控制，從而達到自動控制目的。 在整個閉環反饋控制系統中無需其他儀表或設備[5]。 改造后效果分析：

1）通過酸化自控改造，改造現有工藝操作模式，由之前的A/B 切換酸化操作改為在線管道酸化操作，降低用工成本以及設備投入成本；精準的酸度控制可以延長后續工序的設備工作環境，減輕蒸發罐、離心機、干燥機等過流部件的腐蝕；整體節費約50 萬元。

2）通過鹵水pH 的實時監測控制，可以保證精制鹵水的pH 均一性， 由原來的寬泛視覺檢測改造線上監測，提高了工藝技術指標，從而提高產品質量。

3）鹽酸屬于危險化學品，通過以上改造可以有效將人與鹽酸隔離，提高安全作業環境；自動化的升級改造為企業數字化轉型奠定了基礎。