感應式電導率計用于鹽酸吸收工藝自動化控制的一種方案

(四川華英化工有限責任公司，四川成都，610041)

1 概述

在氯堿、亞磷酸等生產工藝中，氯化氫作為副產物一般采用吸收法用于制備鹽酸，如果回收鹽酸濃度能達到工業鹽酸標準(31%-36%)，無論是外售還是自用均能實現較高的經濟價值和利用價值，因此控制鹽酸濃度是吸收工藝的關鍵指標，目前行業生產流程一般采用定時取樣離線分析鹽酸吸收液濃度，這樣得到的分析結果滯后于實際生產過程，當出現異常情況時不能及時進行調整，有可能影響生產的正常進行甚至出現事故。為了及時了解實際生產的真實情況，需要及時、實時得到分析結果，這樣就需要用到在線分析技術。

相對于其他類型的自動化儀表，在線分析儀器總體價位較高，不同類型的在線分析儀器之間也有幾倍甚至幾十倍的價格差；目前鹽酸生產行業的在線分析技術普及度并不高，如何選擇和定制合適的在線檢測方案，以較小的投入實現較大的收益，在產品質量控制、生產效率乃至鹽酸行業自動化生產水平的提高方面都有著積極的意義。

2 方案設計

2.1 主流在線分析方案的比較和選取

在線分析是指采用自動采樣系統，將試樣自動輸入分析儀器中進行連續或間歇連續分析的分析技術。與經典的化學分析或實驗室一般的儀器分析相比，在線分析具有分析速度快、效率高、操作簡單、自動化程度高、節省人力以及試劑用量等優點；在鹽酸吸收工藝中利用在線分析技術，可顯著降低分析時間，消除分析前后的“黑箱操作”，提高生產效率和產品質量。

主流類型在線分析儀器應用于鹽酸濃度測量對比如表1。

對比分析表1中所列鹽酸濃度在線檢測方案，可以看出在線電導率計在投資成本和測量精度等方面有明顯優勢；通過測量鹽酸電導率，利用電導率與濃度的對應關系即可得出鹽酸的濃度值。但是其缺點在于鹽酸濃度與其電導率對應關系并非線性(圖1)，因此無法直接測量全量程(0～40%)范圍內的鹽酸濃度。

2.2 電導率拐點對測量的影響

氯化氫是強電解質，在濃度較低時，鹽酸的電導率隨溶液濃度的增加而增大(斜率為正值)，當達到一定濃度后(約21%)由于正負離子間相互作用力增大導致離子的運動速率降低，其電導率隨濃度的增大反而減小，使電導率曲線出現一個最高點(電導率的極值或拐點)。這意味著在鹽酸吸收工序中，隨著鹽酸濃度的上升，其電導率會呈現先升高再降低的過程。因此電導率計的鹽酸濃度量程往往以其電導率拐點為界分為兩段(0-21%與21%-40%)。

表1 鹽酸濃度在線檢測方案對比

圖1 鹽酸電導率曲線

電導率拐點的存在可能會將我們測得的鹽酸電導率對應出兩個完全不同的濃度值，這大大制約了在線電導率計在鹽酸等強電解質濃度測量中的應用，也是目前鹽酸生產行業的在線分析技術乃至自動化控制普及度不高的主要原因之一。因此在線電導率計應用于鹽酸濃度測量，除了需要選擇合適的量程外，還需要從工藝控制點入手，想辦法避開電導率拐點對測量的影響。

2.3 鹽酸吸收工序流程分析

如圖2氯化氫尾氣經過濃鹽酸吸收塔循環吸收，當濃鹽酸吸收液濃度達到36%時，則由濃鹽酸吸收槽轉出至成品鹽酸槽，轉出完畢后，從尾氣吸收槽轉出稀鹽酸吸收液(15%左右)至濃鹽酸吸收槽，同時向尾氣吸收槽加入補充水，準備下一次的補酸操作。

圖2 鹽酸吸收工序流程示意圖

在吸收過程中，濃鹽酸吸收槽內鹽酸濃度由15%到36%逐漸升高，在線電導率計將呈現的濃度曲線如圖3(兩段量程)。

圖3 電導率計測量鹽酸濃度

2.4 程序設計

結合圖1和圖3不難看出，如果直接在吸收工藝中使用在線電導率計進行鹽酸濃度測量，因為電導率拐點的存在，無論選擇0-21%還是21%-40%量程，在測量過程中均存在虛假顯示區域(虛假數據a/b/c)，無法準確反映鹽酸的真實濃度。要想通過電導率計穩定可靠地測量出鹽酸真實濃度，需要結合生產工序特征通過程序控制對虛假數據進行濾除。

在吸收工藝流程中，鹽酸成品濃度的控制關鍵取決于吸收階段，而吸收階段的關鍵在于終點的控制，只要能獲取吸收階段的準確的濃度就能夠保證對吸收終點的控制，圖3中“有效數據b”曲線正好覆蓋了大部分吸收階段和吸收終點(36%)，可滿足工藝控制需求。

“補酸階段”和“吸收階段”可由圖2中的“稀酸補充閥”的開/關狀態進行識別，因此“有效數據b”區域在程序中可以被映射為：“稀酸補充閥”關閉時，在線電導率計(設置量程為21%-40%)輸出正跳變有效。

綜上所述，整理邏輯SAMA圖如圖4。

圖4 鹽酸吸收濃度控制SAMA圖

根據圖4中的邏輯關系使用浙江中控AdvanTrol-Pro組態軟件完成編程，并通過JX-300XP DCS系統在亞磷酸生產裝置中的鹽酸吸收工序進行了驗證和測試：通過程序處理，系統在濃鹽酸吸收液濃度達到設定值后將自動執行向鹽酸成品槽轉出操作，程序能夠完全避開鹽酸電導率拐點的影響，在實現自動化生產的同時保證高度的可靠性。

3 結論

本文通過對鹽酸生產流程和電導率特性的分析研究，設計并驗證了一種鹽酸在線濃度檢測控制方案，經過一段時間的實際運行結果表明，該方案能較好地應用于鹽酸吸收工藝；其程序有著較高的容錯性，實現原理理論上能適用于任何濃度的補酸和轉出操作而不受鹽酸電導率拐點影響，成品鹽酸轉出濃度可自由設定，對濃鹽酸吸收槽補充稀酸的濃度高低沒有要求；采用在線電導率計測量投資經濟，控制效果穩定可靠，具備良好的實際應用價值。