pH檢測方案分析

劉 斌

（福陸（中國）工程建設有限公司，浙江杭州 310000）

工藝生產過程中分析儀的種類有很多，比如酸堿度（pH）分析儀、電導率分析儀、溶解氧分析儀、氧氣分析儀、煙氣分析儀、水分儀等，每種分析儀分析的組分不一樣，并且所需要的環境也不一樣，但是分析儀的共同點在于分析儀一般比較脆弱，對于環境的要求比較苛刻，每種分析儀有各自適用的環境，還有各自的禁忌，如果沒有對其工作原理或者適用工況進行學習研究，無法得到想要測量的結果，甚至可能導致分析儀表的損壞，造成損失，甚至會引發連鎖反應，產生嚴重的生產事故。

在工業生產或者化工裝置中，酸堿度分析或者pH分析，在很多場合都有應用，無論是精細化工或者食品行業，還是電力行業與污水處理等都有非常廣泛的應用，能夠直接反映控制的效果，生產過程的穩定性、可行性，直觀反映生產過程是否正常有效進行，在很多的過程中，酸堿分析扮演著重要的角色。

酸堿度（pH）的測量一般分為在線測量（In-line）和離線測量（On-line），根據不同的生產過程，為了能夠滿足生產工藝實際的工況，需要對實際的工藝過程進行分析從而選擇合適的測量方案，既保證生產成本的降低，也能保證后期維護的方便，更能保證測量的可用性。

1 在線測量

在線測量，更直觀的說法就是儀表直接安裝在工藝管線上進行測量（如圖1中左側部分顯示），這種安裝相對比較簡單，儀表直接安裝在管道上即可。

圖1 在線測量

上述儀表的測量方案有一定的條件限制：

1）受限于目前測量元件的限制，此種儀表不能安裝在工藝介質壓力很高的場合，一般情況下需要保證管道內壓力在0.1MPa以下，可以選擇上述儀表，但是如果管道壓力較高的情況下，測量元件無法承受較高的壓力，元件就會遭到無法逆轉的損壞，導致無法使用。

2）如此選型還要考慮到流體介質溫度的影響，溫度同樣是限制使用的條件，目前按照主流產品的規格，在100℃以下，儀表本身還能承受，如果溫度高于100℃，儀表元件無法承受，儀表就會損壞無法使用。

2 方案設計

針對上面的情況，如果能夠保證所測介質的溫度能夠滿足儀表本身的使用溫度，僅僅是壓力超出了儀表的使用條件的限制，僅需要對介質進行降壓，降到儀表所能承受的壓力范圍，更進一步，雖然每種儀表或者電極都有工廠推薦的最大使用條件，但是對于工業生產設計而言，不能僅滿足儀表的最大使用工況就可以，為了能夠讓儀表使用壽命更長以及使用效果更好，在允許的范圍內，要將儀表工作在一個最靈敏的條件下，所以可以將壓力盡可能地降到一個較小的工況，這樣儀表探頭能夠更加穩定。

通常情況下，會在工藝管線上設置一個旁路（如圖1中右側部分顯示），然后在旁路上增加降壓孔板，通過降壓孔板，將工藝介質的壓力降到所需的一個范圍，保證儀表的正常運行。

注意：

1）流體介質溫度不能高于測量儀表所推薦的一個溫度范圍。

2）需要考慮旁路的取樣以及回樣的位置，要綜合考慮儀表的耐受壓力和回樣點的壓力，降壓孔板如果降壓太多，就會導致經過儀表之后壓力太低，無法返回到工藝系統中，導致無法實現。

上面的所闡述的儀表方案，典型的安裝位置就是在泵出口，此處的壓力一般相對較高，而泵入口的壓力要低很多，所以經過降壓孔板，介質能夠返回到工藝系統中，并能滿足儀表的正常測量需求。

經過上述的分析，在某些適當的場合下，可以選擇直接在線安裝的儀表，對于生產過程并不是安裝完就沒有問題了，還有后期的維護，一旦生產進入運行階段，維護就變成一件不可忽視的事情。

所有的分析儀表都需要按照實際生產使用狀況，進行定期的維護，上述所說的儀表選型，如何在生產過程不終止的情況下進行維護呢？此種可以選用帶有隔離球閥的產品，儀表的電極安裝在帶有球閥的護套中，如果儀表出現問題，需要維護，就將電極從護套向上提，然后關閉球閥，從而對儀表進行維護 。

還有帶有自動功能的護套，操作人員可以通過按鈕控制電極的取出與插入，還能外接沖洗裝置，對電極進行沖洗，極大減少了工作人員的工作量。此種安裝方式 成本很高，應用也就相對較少，并且還需要外接儀表氣源等，為自動裝置提供動力，也是對現場的一種限制。

3 離線測量

離線測量就是指儀表不直接安裝在工藝管線上直接進行測量，而是通過樣品處理系統將樣品先進行處理，將樣品處理到儀表最適合的工作條件，能夠延長儀表的使用壽命，更能夠不受現場工藝操作的限制，能較好地解決生產工藝過程中的問題。

在上文中提到在線可以解決壓力過高的問題，但是流體如果溫度和壓力同時超出了分析儀正常的操作環境，上文的方案就顯得力不從心，而離線測量的方案就能很好地解決上述問題。

將樣品預先處理的系統稱之為預處理系統（Sample Condition System）。如圖2所示。

圖2 預處理系統

3.1 工藝介質

任何一種儀表的選型，對于工藝介質物理特性的研究是必不可少的，只有對介質的特性有一個深刻的了解才能針對介質特性選擇適合的儀表。在pH測量儀表的選型中，如果工藝介質在輸送的過程中可能會出現結晶或者結冰的可能，就需要考慮對其傳輸的管線進行保溫伴熱處理，使得管線內的介質溫度高于介質結晶的溫度或者高于介質的冰點，從而使分析儀表能夠進行正常的工作。

對于儀表管線的伴熱，通常會有兩種方式可以選擇：①蒸汽伴熱；②電伴熱。

蒸汽伴熱需要裝置內有蒸汽介質，并且在儀表附近設有蒸汽盤，能夠為儀表提供源源不斷的蒸汽。電伴熱相對就簡單很多，只需要電氣專業為儀表伴熱帶提供電源即可。值得注意的是電伴熱有伴熱溫度及溫升的限制，需要根據實際情況而定。

3.2 操作工況

pH測量元件會受到溫度和壓力的限制，兩者都需要在一定的范圍內才能保證正常運行。因此圖2所示，在預處理系統中加入了冷卻裝置，能夠將工藝介質的溫度降低到一個合理范圍。根據提供的冷卻水的溫度和壓力，計算冷卻器的能力以及所需要的冷卻水的消耗量，從而滿足需求介質溫度降低的需求。

關于壓力的限制，上文中使用限流孔板作為一種降壓的方式，在預處理系統中，采用自力式調節閥對介質壓力進行調整，根據介質到儀表測量點的壓力和后系統的壓力以及通過閥門的流量計算閥門的CV（流通能力），設計選擇適當流通能力的自力式調節閥，根據介質的特點選擇閥門的材質，并考慮防腐蝕和泄漏等問題。

3.3 安全操作

上述已經解決了分析儀基本的選型安裝問題，針對有些介質可能會有毒性，因此安全操作非常重要，有些場合比如介質中含有HCN介質，此種介質毒性非常大，一旦泄漏就會產生致命的后果，因此會在預處理的箱子里安裝有毒氣體檢測器，實時檢測預處理系統中的介質狀態，如果發生泄漏，將報警信號會傳輸到DCS中實時監控，在預處理裝置的外面也會設置有聲光報警裝置，一旦發生泄漏，報警器就會發出報警信號，提示操作人員注意險情發生，并對其進行處理。

這種方式缺點：

1）額外增加了一套預處理的系統，儀表成本肯定會有所上升。

2）增加了系統的故障點，因為預處理系統包含各種各樣的元器件，包括閥門、過濾器、減壓閥、管接頭等裝置，故障點明顯增多。

3）滯后時間會相對增加，樣品需經過管線流到儀表，勢必會使整個分析的過程時間變長，如果有要求需要滿足一定的分析時間，在預處理系統設計的時候還要考慮快速回路以及措施加速介質的流動，以降低分析回路的時間。

4 結語

針對pH分析儀在設計過程中所遇到的問題進行了比較全面的闡述，詳細分析了可能會遇到的各種的工藝狀況，針對每種具體工況給出了較為可行的設計方案，并且針對方案進行比較，列出優缺點，也方便設計人員在設計過程中遇到相似工況的時候，能夠有一個可以參考的解決方案。方案設計需要考慮的因素很多，適合操作工況的設計就是最好的設計。