蒸餾預灰桶調和液pH計應用及改進

陳 濤，吳海源

(廣東南方堿業股份有限公司，廣東廣州 510760)

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技 術 討 論

蒸餾預灰桶調和液pH計應用及改進

陳 濤，吳海源

(廣東南方堿業股份有限公司，廣東廣州 510760)

簡要介紹了筆者對蒸餾預灰桶調和液pH計進行整改的情況及電極使用維護的經驗，并對pH計在石灰乳—預熱母液流量串級復雜調節系統中的應用進行了展望。

蒸餾預灰桶；調和液；pH計；電極；串級復雜調節系統

1 安裝預灰桶調和液pH計的目的

氨堿法純堿生產蒸餾工序操作控制的目的是在預灰桶、蒸餾塔中分別加入石灰乳、蒸汽以分解、蒸出氨,并控制蒸餾廢液中較低的過量灰 CaO(1～2 tt) ,使廢液中的氨含量降至最低(0.07～0.15 tt), 減小跑氨, 降低氨、灰乳、汽耗, 以達到節能降耗的目的。該工序的工作效率如何關系到純堿制造的成本高低及三廢能否達標排放，直接影響到整個公司的效益。為此，我們在蒸餾B、C、E塔系統采用瑞士梅特勒-托利多公司的工業過程pH計(以下簡稱“pH計”)對各預灰桶調和液的pH值進行在線連續測量，同時為今后石灰乳—預熱母液流量串級復雜調節系統的投運做好準備。

在這一系列的工作中，pH計的正常運行是重中之重，也一直是氨堿行業努力追求的目標。從2012年12月以來，我們先后對pH計電極的安裝方式和位置、自動清洗系統及pH計電極的使用維護進行了一系列的試驗和整改，使pH計能長周期穩定運行，同時也總結出了若干條使用經驗，現將相關情況簡介如下，與大家共同探討。

2 pH計系統整改情況

整套pH計系統由InPro4260型復合玻璃電極(即傳感器)、lnTrac777P型氣動伸縮護套(即氣缸)、EasyClean150型全自動清洗和校準系統及M400型變送器(即多參數監控儀)組成。

2.1 pH計電極安裝方式和位置的確定

pH計電極安裝方式和位置的確定有一個逐步探索的過程。

1)開始將電極安裝在預灰桶調和液主出口管(DN300)的取樣罐上。這樣安裝存在一定的問題。因為安裝在調和液出口管道(DN300)上的pH計取樣罐是一個阻力件，故大部分調和液經主出口管(DN300)流入加熱器，相對的流入pH計取樣罐的量很小，形成“死水”，致使取樣罐內的調和液流動不暢，溫度及濃度都偏低，所測得的pH值也不具代表性。

2)后來根據工藝方面的建議，我們在預灰桶調和液的出口管上安裝pH電極進行試驗。結果使用不到1個月電極頭就被磨穿報廢。我們對此現象進行了分析：由于調和液出口管中的調和液流速大、泥沙多，對pH電極沖蝕磨損嚴重，雖然一時能測得較為準確的pH值，但會大大縮短pH電極的使用壽命，顯然也不是好的選擇。

3)最后我們參考了索爾維公司的安裝方法，最后確定將pH計安裝在預灰桶的中下部(蒸吸二樓)，理由如下：

①該處位置離調和液出口不遠，反應已絕大部分完成，能反映出較為真實的pH值；

②因為預灰桶的容積比主管道(DN300)大百倍，所以將pH計取樣口設置于預灰桶上，則調和液的流速比管道內要小得多，相對來說對pH電極的沖刷也要小得多；

③石灰乳中的泥砂沉積在預灰桶達到底部，故調和液中所帶的泥砂也比主管道(DN300)內要小得多，對pH電極的磨損也要小得多；

④預灰桶內設有攪拌裝置，石灰乳與母液混合反應較均勻，pH值真實可靠。

最為重要的一點是：索爾維公司是在積累了大量的使用經驗的基礎上才選定了安裝位置，并且pH計在其下屬的堿廠也有成功使用的經驗，值得我們作為參考。

2.2 pH計自動清洗系統的整改

1)進氣及進水電磁閥的改造。由于安裝在管道或反應容器中的電極必須能從樣品介質中取出來進行維護，故梅特勒-托利多pH計采用了EasyClean150型全自動清洗和校準系統來控制氣缸上電極的伸縮并監控電極的自動沖洗功能。

通過在M400型變送器中進行相關組態，可設置每次清洗電極的時間及時間間隔，并通過轉換器的觸點輸出來自動啟動EasyClean150系統中的壓縮空氣電磁閥和進水電磁閥，以實現對pH計電極的自動維護工作。其中的壓縮空氣和進水電磁閥均為進口產品。

如上所述，EasyClean150型系統的設計理念是較為先進的。但在實際的運行過程中出現了水土不服的情況。壓縮空氣電磁閥和進水電磁閥(下簡稱“電磁閥” )在使用2～3天后就會發生堵塞，這些都嚴重影響了pH計的連續正常運行，必須進行整改。

由于進口電磁閥價格昂貴(單價可達數千元)且供貨周期較長，故我們改造的主要思路是采用價廉物美的國產產品來替代進口產品。目前各套pH計的電磁閥均已采用國產產品改造完畢。改造后各pH計氣缸伸縮自如，尤其是進水電磁閥自投用以來未發生過任何故障，取得了十分滿意的效果。

2)EasyClean150型系統控制線路板的改造。pH計進氣和進水電磁閥的動作原先由廠家專用的控制線路板進行控制。2015年3月，其中的一套控制線路板失靈，致使氣缸無法正常伸縮，電極也無法進行正常的測量和清洗維護。咨詢廠家則需要更換線路板及控制芯片，周期長且費用不菲。信息部主動決定依靠自身的技術力量進行技術創新，改用DCS的開關量輸出功能來取代原先控制線路板的功能。我們先后完成了三套pH計控制線路板的改造工作，改造后未再出現類似的故障，為公司節省約6萬元的采購費用，效果良好。

3)pH計洗水出水口的創新改造。我們在氣缸出水口處采用廉價透明塑料漏斗加接PVC管的方法將清洗電極后的出水引入排水地溝，克服了用不銹鋼管或軟塑料管容易堵塞且不易清理的缺點，也容易監測排水口是否堵塞。大約1個月對塑料漏斗和PVC管清洗一次即可。目前在用pH計的洗水出水口均全部改造完畢，排水通暢，取得了較為滿意的效果。

3 pH電極性能試驗及維護經驗

從2013年3月pH計試驗投用至今，我們對pH電極的使用積累了一系列的經驗，簡略總結如下：

1)經過我們近3年的篩選試驗，認為梅特勒-托利多的InPro 4260型復合玻璃電極能滿足我們的需要。該型電極配有一個開放式隔膜(解決了測量粘性及含高顆粒介質時存在的隔膜受污染的問題)，且耐高溫(80 ℃以上)、耐沖刷，十分適合于調和液pH值的測量。實踐也證明該型電極測量精確度高，可長期穩定運行。在其中一臺預灰桶上使用的該型電極，使用期限已達到230天以上，性能仍然正常。標定(校準)時，其零點、斜率及復現性都較好：如2016年1月14日某次電極兩點標定結果：零點Z=7.017 (pH)；斜率S=95.55%。此外，InPro 4800型復合玻璃電極也可滿足使用要求，但性能稍遜。建議今后統一購買和使用InPro 4260型復合電極。

2)電極要輪換使用。一般每臺塔pH計要準備2支電極輪流使用，各pH計之間的電極最好也不要混用。在伸縮式氣缸密封墊片不泄漏的條件下，一支電極在使用一段時間后需要拆下維護，然后換另一支電極標定后立即投用。這樣做即可保證電極的使用性能，又不會過分地增加維護的工作量。

3)標定用的緩沖液要定期更換。根據我們的實際需要，電極采用兩點標定：即用pH6.86及pH12.00的緩沖液來進行兩點標定，用pH9.18及pH10.00的緩沖液來進行查定(主要是檢查線性及復現性)。

4)電極由于長期受腐蝕性較強的高溫(約80 ℃)調和液的沖刷，在電極表面上會形成一層薄的結垢層，影響其使用性能，故在使用數日后需拆下進行維護。我們改進了廠家原先給出的維護方法，用廉價的稀鹽酸浸泡電極數小時，徹底清除電極上的結垢后再進行日常維護。事實證明該方法花錢少且效果極好，對電極的維護十分有利。

5)將電極從伸縮式氣缸中拆出進行維護時，我們都提前采取有力措施，防止氣缸突然伸進導致調和液噴出傷人的意外情況發生。

6)插拔電極時要極為小心，避免電極在氣缸內斷裂，導致pH計無法繼續運行。

7)氣缸不能正常伸縮時，要仔細確定是否是氣缸漏氣所致。若采取相應的措施還是無法排除故障的話，一般是內部密封墊片漏氣所致，需拆下氣缸更換。密封墊片應定期(一般為半年或一年)更換，以保證氣缸的密封性。

8)及時處理電極與多芯電纜的接觸不良或多芯電纜的內部故障(如短路或斷路)，保證pH值及溫度值的正常顯示。

4 pH計今后使用方面的建議

pH計的使用雖然已步入正軌，但還是需要一定量的維護。從近三年的維護實踐和經驗來看，每隔10至15天就要更換一次電極，每次維護約需20 min，占用了不少人力物力。為此可考慮升級現有的系統：即使用梅特勒-托利多新推出的智能pH電極和智能變送器，通過智能傳感器管理(ISM)系統實現真正的預測性維護。其最重要的功能是可以在遠離工藝現場的安全環境中對傳感器(電極)進行預校準。這有助于減少現場維護操作的危險性(如蒸餾操作中可能發生的氨泄漏等情況)并節省維護時間，對我們來說也十分具有吸引力。雖然升級的初期投資較多，但從長遠應用的便利性、性價比及現場總線快速發展的趨勢來看，值得嘗試。

5 pH計在控制系統中應用的意義

要達到本文開頭提到的蒸餾工序操作控制的目

的，就要嚴格控制各項工藝指標以及配備有效的自控儀表。若沒有灰乳、蒸汽的自控系統, 光用人工操作是很難完成上述目的的。而我公司引進的索爾維真空蒸餾裝置帶有灰乳、蒸汽自控系統, 就能圓滿地完成上述目的。如索爾維公司在德國的萊茵伯格堿廠pH計的使用就有成功的經驗。

按照引進索爾維真空蒸餾技術基礎設計, pH計安裝在真空預灰桶中下部, 以連續、準確地測量桶內調和液的pH值,作為灰乳—預熱母液流量比值調節系統(參見圖1) 的參數,以此確定灰乳與預熱母液流量的比值來自動調節加灰量。此比值與兩種母液的因素有關，如石灰乳的密度值，它可提供判斷灰乳中CaO濃度。為此，加入灰乳的密度值信號(來自核密度計)以及真空預灰桶出口的調和液pH值的信號，形成如圖1所示的串級復雜調節系統來修正該比值。由于調和液的pH值與過剩灰的濃度呈線性關系，因此通過pH計的在線實時測量，便可推斷調和液出口過量灰的含量，如此便可控制調和液出口過量灰的含量在2～3 tt, 為下一步將廢液中過量灰的含量控制在1～2 tt的水平奠定了良好的基礎。采用pH計后，克服了人工分析調和液過剩灰量滯后的缺點，對蒸氨生產起到穩定作用。

圖中:E1輸入1=預熱母液FT(流量計)的輸出；E2輸入2=石灰乳FT的輸出；E3輸入3=AIC(pH值指示調節器)的輸出； E4輸入4=DT(密度計)的輸出；A1輸出1=控制器的連續輸出圖1 灰乳—預熱母液流量比值調節系統原理圖

一般來說,氨在高溫下極易蒸出,在蒸餾塔上部1/3塔板處已蒸出絕大部分的游離氨, 塔下部2/3塔板用來蒸出其余的殘氨。廢液中的微量氨是很難驅趕的, 除要在塔下通入足量的蒸汽以降低氣相的氨分壓及足夠的停留時間外, 更重要的是在廢液中保持一定量的過量灰。若蒸餾塔塔況好的話,過量灰的控制就成為控制廢液含氨達標的關鍵操作。而廢液過量灰和含氨量的相應關系可通過現場試驗得出。根據資料,大化曾做過廢液過量灰與NH3關系曲線。表明廢液過量灰CaO為2.2 tt時,含NH3達標(0.12 tt)。

目前，蒸餾B、C、E塔系統預灰桶調和液pH計運行連續、穩定，應該說調和液pH值的測量已基本過關。對與其配套的石灰乳和母液測量用電磁流量計、進蒸吸石灰乳密度(濃度)測量用核密度計(LB-444型，由德國進口)、石灰乳流量調節閥等儀表，我們也積累了較為豐富的故障判斷和處理經驗，能保證上述儀表長周期穩定運行。下一步的工作是與工藝方面密切配合，尋找出調和液pH值與廢液含氨量之間的對應關系，開好灰乳-預熱母液比值自控系統，為南堿創造出更為可觀的經濟效益和環保社會效益。

TQ114.161

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1005-8370(2016)06-17-04

2016-06-06

陳濤(1969—)，畢業于中山大學，計算機及應用專業，化工儀表及自動化高級工程師。廣東南方堿業股份有限公司信息部儀表專職工程師，發表過多篇論文。