白炭黑裝置儀表選型設計

黃宏亮

(湖南化工醫(yī)藥設計院，長沙 410021)

白炭黑是橡膠工業(yè)重要的補強原材料，白炭黑的成分是水合二氧化硅，因其微觀結(jié)構(gòu)和聚集體形態(tài)和炭黑類似，并在橡膠中有相近的補強性能，而且是白色粉末或細小粒子，故被稱為白炭黑，其學名為沉淀二氧化硅，組成為SiO2·nH2O, 可溶于苛性堿和氫氟酸, 不溶于水。白炭黑是硅化工產(chǎn)品中的代表產(chǎn)品，其用途遍及國民經(jīng)濟各個行業(yè)。隨著國內(nèi)生活水平提高和鞋制品出口量的增長，對白炭黑需求持續(xù)高速增長。除了擴大生產(chǎn)規(guī)模之外，運用目前已經(jīng)成熟的先進工藝生產(chǎn)技術(shù)，才能滿足日益增長的需求，自動化控制水平也要隨之不斷提高。

1 工藝流程簡述①

白炭黑生產(chǎn)過程中主要存在石英砂、純堿、偏鋁酸鈉、稀水玻璃、濃水玻璃、稀硫酸、白炭黑料漿、壓濾洗液、水以及蒸汽等介質(zhì)。這些介質(zhì)大部分腐蝕性強、粘稠、易結(jié)疤結(jié)晶，對設備、管道，特別是儀表造成一定的腐蝕和堵塞。白炭黑裝置的現(xiàn)場儀表選型具有復雜性和多樣性，筆者結(jié)合沉淀法白炭黑工藝，來介紹白炭黑裝置各種現(xiàn)場儀表選型和設計中的注意事項。

如圖1所示，來自硅酸鈉車間的稀硅酸鈉水溶液與稀硫酸在反應器中進行酸化反應，經(jīng)過壓濾機過濾和多次清水水洗，水洗過濾后的漿料送到噴霧干燥車間進行干燥。噴霧干燥后的白炭黑成品送到包裝車間進行包裝[1]，之后進入倉庫儲存。

圖1 白炭黑生產(chǎn)工藝流程

2 儀表選型

2.1 溫度測量儀表

該生產(chǎn)工藝需要測量添加劑儲罐、稀水玻璃準備罐、反應器、蒸汽以及洗液罐等溫度。

測溫元件保護套管材料根據(jù)工藝介質(zhì)的特性選取，一般采用直形整體鉆孔不銹鋼套管，套管材料不低于管道或設備材料。就地指示一般采用雙金屬溫度計，表頭具有可調(diào)轉(zhuǎn)動機構(gòu)的接頭。需要集中檢測的測溫點，由于溫度不高，均采用的是三線制的熱電阻(分度號Pt100)。

值得注意的是白炭黑反應器溫度的測量，反應器的材料是316L，介質(zhì)為白炭黑料漿，有腐蝕、易結(jié)疤、粘稠的特點，此溫度點又與反應器pH值構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對控制白炭黑的反應過程相當重要，所以選用的是一體式熱電阻溫度變送器，插入深度1 800mm，熱套管采用分級式管材熱套管，材料為316Ti。

2.2 壓力測量儀表

白炭黑裝置需要測量偏鋁酸鈉、稀水玻璃、濃水玻璃、稀硫酸、白炭黑料漿、壓濾洗液、水以及蒸汽等介質(zhì)的壓力，由于稀水玻璃、濃水玻璃和白炭黑料漿均具有腐蝕粘稠易結(jié)疤易結(jié)晶的特點，故測量這些介質(zhì)的壓力時都選用的是隔膜壓力表和隔膜壓力變送器。與液位變送器相同，對于易結(jié)晶介質(zhì)，儀表法蘭采用伸長插入式。測量水及蒸汽壓力時采用不銹鋼壓力表或壓力變送器。

2.3 流量測量儀表

白炭黑裝置的流量測量在選型時需要考慮介質(zhì)的腐蝕和結(jié)晶特性。

2.3.1電磁流量計

測量介質(zhì)：濃水玻璃、過濾熱水、稀硫酸、稀水玻璃、白炭黑料漿以及壓濾洗液等。

電磁流量計用于導電性流體、強腐蝕性或含有固體顆粒液體的流量測量。與其他流量計相比，只有電極和襯里接觸被測介質(zhì)，因而只要選擇合適的電極和襯里材料即可滿足要求。在選擇電極材料時，應根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性，兼顧經(jīng)濟因素來選擇，可選擇SUS316L，也可選擇哈氏合金、鉭、鉑等金屬電極。襯里材料可根據(jù)被測介質(zhì)的腐蝕性、磨損性和溫度來選擇，聚四氟乙烯幾乎能耐除熱磷酸以外的強酸、強堿腐蝕，溫度可達180℃。在本裝置中，選擇是陶瓷襯里，帶SUS316接地環(huán)的電磁流量計。

2.3.2金屬管浮子流量計

測量介質(zhì)：濃硫酸。

浮子流量計工作原理可靠，主要用于中、小口徑的小、微流量的測量。用于測量濃硫酸的浮子流量計應具有PTFE材料襯里，PTFE材料浮子，以防止對儀表的腐蝕。

2.3.3質(zhì)量和密度流量計

測量介質(zhì)：稀水玻璃。

需直接精確測量液體、高密度氣體和漿料的質(zhì)量流量時，可選用科氏力質(zhì)量流量計，這種流量計可以不受流體溫度、壓力、密度或粘度變化的影響而提供精確可靠的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)[2]，安裝時稀水玻璃介質(zhì)應該要充滿測量管，沒有直管段要求。

2.3.4旋渦流量計

測量介質(zhì)：蒸汽。

旋渦流量計用于潔凈氣體、蒸汽和粘度較低液體的流量測量，選型時應根據(jù)介質(zhì)狀態(tài)，換算為標準狀況，再查閱樣本進行口徑選擇。不能用于腐蝕性介質(zhì)的測量。

2.4 液位測量儀表

白炭黑裝置主要有添加劑儲罐、稀水玻璃準備罐、反應器、高剪切混合器罐以及洗液罐等的液位測量。這些設備內(nèi)介質(zhì)為稀水玻璃、白炭黑料漿及壓濾洗液等，考慮到易結(jié)晶特性，采用法蘭安裝插入式液位變送器，插入長度根據(jù)設備接口進行選擇。當被測介質(zhì)為白炭黑料漿時，隔離膜片材料選擇哈氏合金C。

添加劑儲罐，稀水玻璃準備罐采用的是雷達液位計，非接觸式測量，喇叭口天線，天線材料316L，長度105mm。

2.5 分析儀表

根據(jù)工藝要求，來自硅酸鈉車間的稀硅酸鈉水溶液與稀硫酸在反應器中進行酸化反應時，要測定反應液的pH值，當達到某一個pH值時，停止加酸，使二氧化硅沉淀出來，為控制最終產(chǎn)品的質(zhì)量打下基礎。選用玻璃pH電極，法蘭式護套，帶清洗控制器的pH分析器來精確檢測白炭黑料漿的pH值。

除了上述分析儀表外，在壓濾機洗液出口管線上設置了一臺在線電導率分析儀。由于被測液體是壓濾洗液，所以護套接液部位材料采用的PFA。

2.6 控制閥

白炭黑裝置的控制閥一般均采用的是氣動閥，閥體結(jié)構(gòu)有單座閥、套筒閥、O形球閥和旋轉(zhuǎn)蝶閥。閥體材料與管道材料相同或高一等級，閥內(nèi)件材料根據(jù)介質(zhì)情況確定。

直通單座閥主要用于閥前后壓力不高、壓差小、介質(zhì)潔凈的場合[2]。過濾熱水、稀水玻璃、濃水玻璃、稀硫酸、濃硫酸及洗液等介質(zhì)的調(diào)節(jié)閥采用單座閥，對于水調(diào)節(jié)閥，閥內(nèi)件采用的是0Cr18Ni9，填料用聚四氟乙烯。稀硫酸調(diào)節(jié)閥考慮襯塑單座閥，閥內(nèi)件采用不銹鋼加F46。濃硫酸調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)件采用的是哈氏合金C。

套筒閥一般適用于潔凈介質(zhì)、前后壓差大、介質(zhì)易發(fā)生閃蒸或空化的場合[2]，例如蒸汽調(diào)節(jié)閥就選用套筒閥，閥內(nèi)件至少為不銹鋼，上閥蓋形式為伸長型，填料用柔性石墨。

開關閥用于兩位式控制系統(tǒng)和工藝發(fā)生故障時，需要閥門緊急打開或關閉的場合[2]。白炭黑裝置采用了大量的開關閥，按照工藝專業(yè)要求選用快速切斷閥，一般采用O形球閥，也有一些采用蝶閥，其泄漏量要求為ANSI Class VI，當介質(zhì)有粘稠特性時采用金屬密封。所配電磁閥要求可靠、滿足裝置的安全等級，采用進口材料的電磁閥。

壓濾機壓縮空氣放空開關閥和開車水罐一次水出口開關閥按照工藝要求為故障開閥門，選用相應的FO類型閥門。

3 自動控制系統(tǒng)

在白炭黑工藝流程中有不少單回路控制系統(tǒng)，如稀水玻璃準備罐溫度控制，過濾后熱水罐溫度控制，稀水玻璃輸送泵出口壓力控制，壓濾機濾板進壓縮空氣壓力控制以及過濾后熱水給料泵返料壓力控制等。為了生產(chǎn)需要，加入了不少復雜控制系統(tǒng)，比如稀水玻璃準備罐控制、白炭黑反應器的前饋-反饋控制系統(tǒng)、高剪切混合器罐控制以及洗液罐控制等。

在白炭黑反應的熟化過程中，要求反應溫度保持在一定范圍內(nèi)，且持續(xù)時間較長[3]。本工藝流程中反應器采用蒸汽直接加熱，因此需要不斷補充蒸汽。溫度控制器TRC-1連續(xù)準確地將反應溫度測定值與預先設定的偏差，經(jīng)運算發(fā)出指令及時調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥門的開度，控制了蒸汽的進量，以保持反應器內(nèi)的溫度值在規(guī)定的范圍內(nèi)。白炭黑反應的中和過程中，要求將加稀硫酸的速度控制在一定范圍內(nèi)，實際上稀硫酸的進量可能會隨著稀硫酸罐液位變化而變化[3]。這個時候稀硫酸控制器FRCQ-1將瞬時流量傳遞給DCS控制系統(tǒng)，系統(tǒng)就能夠根據(jù)偏差自動調(diào)節(jié)稀硫酸進料閥門的開度，從而將加稀硫酸的流速控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

在反應的過程中，溶液中可溶性的硅酸鹽首先轉(zhuǎn)變成為單體硅酸(可溶性)。由反應體系的條件所決定，單體硅酸有可能生成疏松的絮狀物(聚集作用)，也有可能生成致密的膠粒(凝膠作用)，從而造成最終產(chǎn)品的很大差異。此反應的pH值必須控制在一定的范圍內(nèi)，pH控制器ARCA-1測得反應器內(nèi)的物料到達某一pH值時，將信號傳遞給DCS控制系統(tǒng)，系統(tǒng)即發(fā)出關閥指令，停止加酸，終止反應。

為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，該設計將反應器料漿pH值與反應器溫度值、反應器稀硫酸進料流量值構(gòu)成前饋-反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2中的控制器ARCA-1起前饋作用，用來及時并提前克服干擾對物料pH的影響，根據(jù)pH值的大小直接去調(diào)節(jié)稀硫酸的大小。而溫度控制器TRC-1和稀硫酸控制器FRCQ-1均起反饋作用，分別用來克服其他干擾對反應器中白炭黑料漿的反應溫度和加入稀硫酸速度的影響。前饋作用和反饋作用相加，共同使白炭黑料漿的pH值保持在一定的范圍內(nèi)，得到了所需性能的二氧化硅，從而很好地控制了最終產(chǎn)品白炭黑的質(zhì)量。

圖2 白炭黑沉淀反應器的前饋-反饋控制

在這個前饋-反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主要的擾動由前饋控制加以克服，余下的工作由反饋控制單元來完成。圖3是反應器控制的方塊圖[4]，可以看出，前饋-反饋控制系統(tǒng)是由一個反饋回路和另一個開環(huán)的補償回路疊加而成。

圖3 前饋-反饋控制系統(tǒng)方塊圖

4 結(jié)束語

白炭黑裝置的工藝比較復雜多變，工藝介質(zhì)大都具有腐蝕性強、粘稠、易結(jié)疤結(jié)晶的特性，并且沉淀反應器中的控制要非常精確，合理選用先進的儀表可以有效地掌握整個生產(chǎn)過程的工藝數(shù)據(jù)，確保裝置的安全運行。