李東偉，張彬

（長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450）

離子膜制堿裝置氯氣氫氣壓差的自動(dòng)控制

李東偉，張彬

（長(zhǎng)蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450）

介紹了氯堿行業(yè)中廣泛應(yīng)用的離子膜法制堿電解工藝的氯氣氫氣壓差調(diào)節(jié)回路，就系統(tǒng)的構(gòu)成、功能以及離子膜燒堿工藝中一些較為復(fù)雜控制方案做了詳細(xì)說(shuō)明。通過(guò)國(guó)內(nèi)外的離子膜法制堿在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題的分析，對(duì)離子交換膜的進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展提出了方向。

隨動(dòng)調(diào)節(jié)；壓差；選擇器；聯(lián)鎖

離子膜法制堿因其投資省、能耗低、出堿質(zhì)量好、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用。但在生產(chǎn)過(guò)程中有氯氣和氫氣生成，氫氣為易燃易爆氣體，氯氣為有毒氣體，這兩種副產(chǎn)品處理不好將危及人的生命、財(cái)產(chǎn)及周?chē)沫h(huán)境的安全，尤其近幾年偶有發(fā)生氯氣泄漏及電解槽反壓差造成離子膜損壞事件［1］。因此，在離子膜法制堿過(guò)程中，做好氯氣、氫氣壓差控制對(duì)安全生產(chǎn)顯得尤為重要，本文重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)、國(guó)外幾種不同的的控制方案。

1 電解工藝簡(jiǎn)述

由二次鹽水精制工序來(lái)的二次精制鹽水通過(guò)陽(yáng)極液進(jìn)料總管進(jìn)入電解槽各單元槽的陽(yáng)極室中，為了降低氯氣中的含氧量，在陽(yáng)極液加入適量鹽酸，陽(yáng)極液電解后產(chǎn)生淡鹽水和氯氣，經(jīng)過(guò)各單元槽的陽(yáng)極液出口軟管以及陽(yáng)極液排出總管進(jìn)入淡鹽水貯槽，氯氣在淡鹽水貯槽中被分離后氯氣處理工序，淡鹽水由淡鹽水泵送到脫氯塔，陰極液用燒堿液泵在各單元槽的陰極室以及陰極液貯槽之間維持一定的循環(huán)量，為保持堿液濃度，在陰極液入口管中添加純水，電解所產(chǎn)生的氫氣在堿液貯槽中被分離之后送氫氣處理工序［2］。

2 氯氣氫氣的壓差

陽(yáng)極室的氯氣和陰極室的氫氣的壓力差變化，會(huì)使離子膜同電極反復(fù)摩擦受到機(jī)械損傷，特別是離子膜已經(jīng)有皺紋時(shí)，就容易在膜上產(chǎn)生裂紋，因此除了電極表面要做得光滑，同時(shí)要自動(dòng)調(diào)節(jié)陽(yáng)極室和陰極室的壓差，使其保持在一定范圍內(nèi)，但是如果將離子膜過(guò)分地壓向陽(yáng)極表面也會(huì)導(dǎo)致離子膜的損傷，反之，陽(yáng)極壓力高于陰極，氯氣進(jìn)入氫氣中會(huì)產(chǎn)生爆炸。小爆會(huì)損壞昂貴的離子膜，大爆會(huì)造成人身安全和環(huán)境的嚴(yán)重破壞。因此各種工藝對(duì)氯氣氫氣壓差的調(diào)節(jié)極為重視。幾乎所有離子膜電解槽都是調(diào)節(jié)陰極室的壓力大于陽(yáng)極室的壓力［3］。以下介紹伍迪公司、旭化成公司及天辰公司氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2.1 國(guó)外技術(shù)的氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)

國(guó)外技術(shù)的氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是控制方案復(fù)雜，卻是最為安全的，流程圖見(jiàn)圖1。

在氯氣總管在設(shè)兩個(gè)壓力變送器（PT-1151A，PT-1151B），所取壓力進(jìn)打比較，壓力較低的信號(hào)作為XI-1151A進(jìn)行顯示，壓力較高的信號(hào)作為XI-11518進(jìn)行顯示，21kPa高報(bào)警，23kPa時(shí)高高報(bào)警并連鎖全廠停車(chē)。筒式，壓力高的信號(hào)作為PIC-1151 和PV-1151B進(jìn)行調(diào)節(jié)。PIC-1151A的設(shè)定值為20kPa，PIC-1151B的設(shè)定值為21.5kPa。因此PV-1151B在正常運(yùn)行時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)，所以PIC-1151B要采取抗積分飽和措施。ZT-1151B是PV-1151B的閥位變送器，當(dāng)ZT-1151B的輸入信號(hào)大于20%時(shí)，要報(bào)警并全廠聯(lián)鎖停車(chē)［4］。

裝置聯(lián)鎖停車(chē)時(shí)，通過(guò)電磁閥的作用，PV-1151B關(guān)閉，筒式將PIC-1151A調(diào)節(jié)器自動(dòng)由自動(dòng)設(shè)為手動(dòng)，通過(guò)選擇器吧閥門(mén)定位器的輸入設(shè)為0%，以保證PV-1151A的關(guān)閉；PIC-1151B調(diào)節(jié)器自動(dòng)由自動(dòng)設(shè)為手動(dòng)，并通過(guò)選擇器將輸出設(shè)為10%，即PV-1151B開(kāi)度設(shè)為10%。60S以后，PV-1151B再按一定速率打開(kāi)，具體速率（I=KX+B）可在試車(chē)時(shí)通過(guò)實(shí)踐確定。詳見(jiàn)圖2氣壓力調(diào)節(jié)聯(lián)鎖示意圖。

圖1 國(guó)外氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)流程圖

PDT-1155是PV-1151A閥前后的壓力差指示、報(bào)警及聯(lián)鎖（見(jiàn)圖3）。當(dāng)壓力差值小于3kPa時(shí)，低報(bào)警，小于1kPa時(shí)，則表明閥門(mén)基本上處于處于全開(kāi)狀態(tài)，即氯氣總管壓力過(guò)高產(chǎn)生低低報(bào)警并裝置聯(lián)鎖停車(chē)。這是又一個(gè)保證不會(huì)因氣壓力太高而產(chǎn)生氯氫壓差倒置發(fā)生危險(xiǎn)的措施。

圖2 國(guó)外氯氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)鎖示意圖

氯氣壓力穩(wěn)定后只要調(diào)節(jié)氯氣氫氣的壓力差就可以達(dá)到保證電解槽穩(wěn)定運(yùn)行，并保護(hù)離子膜不易損傷的目的。同時(shí)取兩個(gè)氯氣總管及氫氣總管的壓力差信號(hào)（PDT-1152A，PDT-1152B見(jiàn)圖1），二者進(jìn)行比較，壓力高選的信號(hào)作為XDI-1152A進(jìn)行指示，4.5kPa時(shí)高報(bào)警，6.0kPa時(shí)高高報(bào)警并裝置聯(lián)鎖停車(chē)。壓力低選的信號(hào)作為XDI-1152B進(jìn)行指示，2.5kPa時(shí)低報(bào)警，1.5kPa時(shí)低低報(bào)警并全廠聯(lián)鎖停車(chē)。同時(shí)壓力差較低的信號(hào)作為PDIC-1152A和PDIC-1152B的測(cè)量值對(duì)PDV-1152A及PDIC-1I52B進(jìn)行調(diào)節(jié)。PDIC-1152A調(diào)節(jié)器的設(shè)定值為4kPa，PDIC-1152B調(diào)節(jié)器的設(shè)定值為5kPa，因此，正常運(yùn)行時(shí)，PDV-1152B的狀態(tài)為關(guān)閉，所以PDIC-1152B要采取抗積分飽和措施。

圖3 PDT-1155回路聯(lián)鎖示意圖

裝置聯(lián)鎖停車(chē)時(shí)，通過(guò)電磁閥的作用，PDV-1152A關(guān)閉，同時(shí)將PDIC-1152A調(diào)節(jié)器自動(dòng)由自動(dòng)變?yōu)槭謩?dòng)，60S后，通過(guò)選擇器將輸出至閥門(mén)定位器的信號(hào)設(shè)為0%，以保證PDV-1152A的關(guān)閉；PDIC-1152B調(diào)節(jié)器自動(dòng)由自動(dòng)變?yōu)槭謩?dòng)，60S后，通過(guò)選擇器將輸出至閥門(mén)定位器的信號(hào)設(shè)為10%，即PDV-1152B開(kāi)度為10%。然后再將PDIC-1152B調(diào)節(jié)器人工由手動(dòng)設(shè)置回自動(dòng)。詳見(jiàn)圖4壓差調(diào)節(jié)聯(lián)鎖示意圖。

圖4 國(guó)外氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)鎖示意圖

PI-1153是氫氣總管的壓力指示。24.5kPa時(shí) PI-1153高報(bào)警，10kPa時(shí)低報(bào)警，2.5kPa時(shí)低報(bào)警，并打開(kāi)XV-1108充氮，直至PI-1153恢復(fù)到4kPa以上，關(guān)閉XV-1 l08。充氮系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 PI-1153回路聯(lián)鎖示意圖

2.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)一般用一個(gè)調(diào)節(jié)回路（PICA-216）穩(wěn)定氯氣壓力，并把氯氣壓力加上應(yīng)保持的壓差值作為給定值調(diào)節(jié)氫氣壓力（PDICA-226），即比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到維持氯氣和氫氣壓差的目的。其回路示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 國(guó)內(nèi)氯氣氫氣壓差調(diào)節(jié)控制回路示意圖

上述的控制方案是簡(jiǎn)單有效的，但在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)聯(lián)鎖停車(chē)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)差壓的情況，即氯氣壓力高于氫氣壓力，這是極其危險(xiǎn)的。對(duì)出現(xiàn)負(fù)差壓的情況進(jìn)行分析后，此設(shè)計(jì)方案還需要進(jìn)一步完善。

2.3 國(guó)內(nèi)技術(shù)氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)的改善

國(guó)內(nèi)技術(shù)氯氫壓差調(diào)節(jié)系統(tǒng)在裝置聯(lián)鎖時(shí)，去氯氣處理的閥門(mén)直接關(guān)閉，而去廢氯處理的閥門(mén)直接打開(kāi)；同樣，去氫氣處理的閥門(mén)直接關(guān)閉，去氫氣放空的閥門(mén)直接打開(kāi)［5］。

按上述方案，氫氣一般直接放空，而氯氣去事故處理塔，所以，氫氣的泄壓阻力小，氯氣的泄壓阻力大。

設(shè)計(jì)時(shí)，雖然對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了計(jì)算并且選擇了CV值及工藝參數(shù)都是準(zhǔn)確的，但氫氣的相對(duì)分子質(zhì)量小，按計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果在單一調(diào)節(jié)回路沒(méi)有問(wèn)題，但在本工藝過(guò)程有排放速率比較時(shí)，便顯現(xiàn)出來(lái)普通計(jì)算式計(jì)算結(jié)果不盡合理，導(dǎo)致氫氣泄壓速度過(guò)快，從而導(dǎo)致氫氣壓力迅速下降，調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能跟上這種反應(yīng)速度，造成了氯氣壓力高于氫氣壓力的負(fù)差壓。

為解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)在氫氣放空回路上設(shè)計(jì)了新的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以限制氫氣放空的速度。如圖7。

圖7 國(guó)內(nèi)氫氣放空回路聯(lián)鎖示意圖

圖中FDIC-200是氯氣和氫氣壓差調(diào)節(jié)器的輸出，PDT200是氯氣和氫氣壓差值。正常運(yùn)行時(shí)，氫氣放空閥PV-5350A由PIG-5350A調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，全廠聯(lián)鎖時(shí)，通過(guò)選擇器2將PV5350A開(kāi)度設(shè)為5%，2S后，通過(guò)選擇器1將FDIC-200調(diào)節(jié)器的輸出給PV5350A，進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)氯氣和氫氣壓差小于1kPa，通過(guò)選擇器3將閥門(mén)PV535OA關(guān)閉，當(dāng)氯氣和氫氣壓差大于4kPa時(shí)，選擇器3失效，PV5350A仍由PDIC-200調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。從而保證了在聯(lián)鎖發(fā)生時(shí)氯氣和氫氣的壓差，避免負(fù)差壓的出現(xiàn)，增加了離子膜電解槽的安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

在離子膜法制堿生產(chǎn)工藝中，氯氣、氫氣壓差調(diào)節(jié)是非常關(guān)鍵的控制系統(tǒng)，本文的控制方案分析僅為同類(lèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)參考，可根據(jù)項(xiàng)目的投資、工期等綜合因素比照選擇，以完善離子膜電解槽的控制，提高項(xiàng)目的整體可靠性及安全性。

［1］程殿彬.離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998:1-7，175-203.

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10.3969/j.issn.1008-1267.2016.05.010

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