離子膜燒堿過程中自動化儀表設計選型要點

摘 要：文章結合離子膜燒堿項目的工藝特征以及此類項目上相關實施經驗而總結編寫，分析了一般離子膜燒堿項目在選型中的要點，對主要的常用工業自動化儀表在離子膜燒堿項目中選型時的材質和關鍵要點進行分析闡述，以提高自動化儀表在離子膜燒堿項目中的適用性、可靠性和安全性。

關鍵詞：離子膜燒堿；自動化儀表；儀表選型

1 離子膜燒堿項目工藝及儀表選型概述

燒堿是重要的基礎化工工業原料之一，離子膜制堿工藝法在本世紀初已經逐漸成為制堿法的主流，現今該工藝每年所生產燒堿已占國內燒堿總產能的90%以上。離子膜燒堿項目的主要工藝段包括：一次鹽水、二次鹽水精制、純水站、電解、氯氣處理、氫氣處理、氯氣液化、氯化氫合成及鹽酸、蒸發和公用工程等。

自動化儀表貫穿整個工藝的所有自動控制環節，各個工藝監測和控制點大量應用了各種工業自動化儀器儀表，包括：溫度計、壓力表、壓力變送器、液位計、流量計、可燃/有毒探測器、PH/ORP計、分析儀和控制閥等。

所以儀表設計選型的科學合理性對項目自控系統運行、生產安全和產品質量有最直接的重要影響。

離子膜燒堿項目的主要物料介質有NaCl鹽水、NaOH堿液、（干、濕）氯氣、氫氣、HCl氣體和鹽酸等，介質特性涵蓋結晶、有毒、強酸堿電化學腐蝕、金屬腐蝕、極易燃易爆等復雜特性，所以對儀表的選型要求較高，需要多方綜合考慮工況條件，確保選型的科學合理性。

2 主要儀表選型注意

2.1 熱元件

現場溫度計選用雙金屬溫度計，遠傳溫度測量推薦選用A級Pt100熱電阻，套管形式推薦統一采用密封高的整體鉆孔型法蘭連接，以保證密封性和安全性。

套管材質的選擇：測濕氯氣和氯水套管材質應選鈦材（Ti）；鹽水因含大量Cl-須選鈦材或襯氟，電解出的堿液也含大量Cl-應選304襯氟、哈C或316L，高溫濃堿液推薦選鎳材套管；液氯推薦選用304襯氟或16Mn低溫鋼；鹽水常規選用304襯氟即可。

2.2 壓力儀表

壓力變送器按功能分有測壓力、流量差壓和液位三類，其選型關鍵是接液元件/膜片材質、量程及過程接口的選擇，其中量程和過程接口按工藝要求和設備接口保持一致即可。帶毛細管導壓的變送器在被測介質具有強氧化性時應充氟油，普通被測介質依據溫度充硅油或高溫硅油。

接液元件/膜片材質選擇：介質為鹽水、氯氣、鹽水的測量元件材質應為鉭膜片，堿液用316L膜片（高濃度或高溫時推薦選擇哈C膜片）。測量氫氣壓力的變送器為避免氫脆作用對膜片的破壞，提高儀表壽命和安全可靠性，膜片最好做鍍金處理。

壓力表在被測介質為酸堿時，接液元件材質推薦為鉭或襯氟膜片，低溫弱酸選哈C亦可行。測有毒、腐蝕、易燃易爆介質壓力表必須選用膜盒壓力表，測氫氣的壓力表須要做禁油處理。

2.3 液位儀表

離子膜燒堿項目的大多介質都具有很強的酸堿性，介質液面上方無霧氣和結晶，故推薦選用非接觸式液位計，測量范圍寬、安裝簡易且維護方便。對液位測量精度要求不高的循環水池、酸性廢水池、廢鹽池可選用超聲波液位計。測量范圍更大的原鹽、一次鹽水、原料及成品灌區均選用高精度的低頻雷達液位計；若精度要求很高可選用高頻雷達。

雷達液位計比超聲波液位計應用范圍廣、精度高、成本高，超聲波液位計不能用于有真空、蒸汽工況，雷達液位計須考慮介質介電常數。選用雷達液位計時，裝置內工況復雜容易產生回波時，須配導波桿/纜或安裝測量管。

樹脂塔頂用到的物位開關，介質為過濾鹽水，其液體成酸性、導電性能優良，可選用電極物位開關，探頭材質為鈦材。

設備工況為常壓（無有呼吸閥）且被測介質密度單一穩定，可考慮壓力變送器式單法蘭液位計，封閉的工藝設備液位可選用帶信號遠傳的磁性翻版液位計，量程較大時推薦雙法蘭差壓液位變送器，更大量程則推薦選擇雷達。

液氯灌的液位測量，因液氯的有毒須嚴密密封，推薦選用外測式液位計。其在測量有毒害、腐蝕性、有壓力、易燃易爆、易揮發、易側漏的液體時，不使用閥門、連通管、接頭、不需開孔，不接觸罐內的液體和氣體，通過外置的聲吶傳感器（探頭）實現測量，保障人員安全和生產的正常進行，調試及維修時不清罐、不影響生產。

2.4 流量計

離子膜燒堿項目中流量的測量非常重要，涉及被測介質多種多樣，結合實際工程經驗及各流量計特點，把離子膜燒堿項目各主要工藝段中可能用到的流量計做如下類比分析，如表1所示。

因離子膜燒堿項目其涉及工藝種類和工藝段多，故其流體類型、狀態、介質特性和工藝管道走向特點也比較多樣化，這就要求我們在選擇流量計時，必須綜合考慮：介質物理特性、精度、介質腐蝕性、允許壓損、結構特點和經濟性等因素綜合考慮確定。

2.5 控制閥

離子膜燒堿工藝中，在鹽水、濕氯氣和鹽酸工藝段國內外氯堿行業認為普遍較好的閥門是PVDF隔膜閥，但PVDF國產化率不高，最重要的是成本很高。結合實際工況和工程經驗，充分考慮經濟性和適用性，可選用鋼襯F46或鋼襯F4的氣動薄膜式調節閥和氣動活塞式球/蝶閥。

在電解工段進出電解槽的關鍵部位，選閥門時須要考慮管道導電性能，若選用非金屬閥門時須要考慮在管道間加接地排流裝置，以便配出管道介質流動產生的雜質電流，以免介質帶入電解槽產生工藝生產安全隱患。

電解后燒堿液及堿蒸發部分閥門材質因會從電解中帶出微量Cl-，而Cl-與奧體不銹鋼會產生化學反應，故堿液閥門材質須用鋼襯F46或哈C材質；高濃度堿液（30%～50%）推薦選用鎳材蝶閥（尤其120℃以上），在60℃以下時閥門材質可用316L，但閥門壽命稍差；鹽泥部分閥門采用氣動襯氟塑隔膜閥。

部分工藝部位考慮到口徑較大、安裝空間小、方便維護、開關迅速且密封較好等因素，選用對夾式蝶閥，尤其是電解槽的陽極液系統、陰極液系統和堿蒸發。

閥門泄露等級的要求：

（1）介質為氯氣、液氯和氫氣的所有角行程開關閥其泄露等級應設計為ClassⅥ，密封為軟密封或襯氟塑硬密封。

（2）介質為氯氣、液氯和部分濃酸的直行程薄膜調節閥應為波紋管/PTFE密封，用波紋管和填料雙重保障，充分防止有毒氯氣和強酸介質泄露（為避免氯氣泄露風險，可選用氯氣專用閥，但成本很高）。

（3）其他調節閥的填料，除蒸汽常規用硬密封+STL外，填料為PTFE的建議選擇V形以盡量提高密封性能。

2.6 PH/ORP計

離子膜燒堿項目的鹽水調制處理和電解工藝過程中，對介質物料的酸堿度或氧化還原性有很高的要求，必須對其PH值或ORP值進行嚴格的監測和控制，以確保生產工藝要求和生產安全。

依據工藝工況，項目需要測量管道內鹽水和生產用水的分析儀選用填充式的液體智能電極，護套形式采用生產商配套的流通池，其不但具備精度高、可以用于多種惡劣環境的優點，還可以通過簡單方便的維護大大延長分析儀的使用壽命。項目需要測量飽和鹽水池的PH計，考慮到將電極沉入池內進行測量，所以須選用沉入式護套管，電極選用精巧、低維護且精度較高的凝膠智能電機。

2.7 其他儀表

除上述主要儀表外，離子膜燒堿項目還必須用到可燃和有毒氣體探測器，燒堿部分還用到密度計，氯化氫合成部分還必須用到露點儀以精確檢測氣體的水分含量。選型需要注意的有：

（1）有毒氣體探測器被測介質是Cl2氣體，具有很強的毒性，少量即可致命，其量程范圍應為0～10ppm，報價設定值應分別為1ppm和3ppm。

（2）密度計測量介質如是≥32%燒堿，其探頭材質宜選用鎳（Ni）材。

2.8 其他注意事項

（1）電解工藝的產物和后續處理中有氫氣，作為ⅡC類爆炸性物質（為甲類車間），其設計界區爆炸性氣體環境為一般為1區（即在正常情況下爆炸性氣體混合物有可能出現的場所），自動化儀表的防爆等級最低應為ⅡCT4。

如設計界區爆炸性氣體環境為0區（即在正常情況下，爆炸性氣體混合物連續或長時間存在的場所），則其防爆形式必須用本安防爆，最低等級為ExiaⅡCT4。

（2）離子膜燒堿項目因其中有多種重大危險源，所以項目必定有SIS（安全儀表系統），所有接入SIS系統的儀表其安全性能評測必須通過SIL3認證，如接入SIS系統壓力變送器、開關閥的電磁閥等。

3 結束語

隨著國內產業結構調整升級和智能時代的開啟，工業自動化的水平會逐漸提高，燒堿行業的電解因為其超高的耗能特點，燒堿行業的自動化水平在未來還有很大的提升潛力。在未來的燒堿工業生產中自動化儀表起著舉足輕重的作用，而選擇合適的儀表，對提高生產效率、產品質量和安全生產都有最直接的促進作用。所以，作為工程技術人員，應鍥而不舍的提高專業技術能力，豐富工程經驗，為每一個用戶做出科學合理的設計選擇。

參考文獻

[1]李相彪，俞曉輝，俞慧玲.氯堿生產技術[M].化學工業出版社，2011.

[2]樂嘉謙.儀表工手冊[M].化學工業出版社，2004.