离子膜制碱装置氯气氢气压差的自动控制

李东伟，张彬

（长芦海晶集团有限公司，天津 300450）

离子膜制碱装置氯气氢气压差的自动控制

李东伟，张彬

（长芦海晶集团有限公司，天津 300450）

介绍了氯碱行业中广泛应用的离子膜法制碱电解工艺的氯气氢气压差调节回路，就系统的构成、功能以及离子膜烧碱工艺中一些较为复杂控制方案做了详细说明。通过国内外的离子膜法制碱在应用过程中出现的问题的分析，对离子交换膜的进一步改进和发展提出了方向。

随动调节；压差；选择器；联锁

离子膜法制碱因其投资省、能耗低、出碱质量好、无污染等优点，已被广泛应用。但在生产过程中有氯气和氢气生成，氢气为易燃易爆气体，氯气为有毒气体，这两种副产品处理不好将危及人的生命、财产及周围的环境的安全，尤其近几年偶有发生氯气泄漏及电解槽反压差造成离子膜损坏事件［1］。因此，在离子膜法制碱过程中，做好氯气、氢气压差控制对安全生产显得尤为重要，本文重点介绍国内、国外几种不同的的控制方案。

1 电解工艺简述

由二次盐水精制工序来的二次精制盐水通过阳极液进料总管进入电解槽各单元槽的阳极室中，为了降低氯气中的含氧量，在阳极液加入适量盐酸，阳极液电解后产生淡盐水和氯气，经过各单元槽的阳极液出口软管以及阳极液排出总管进入淡盐水贮槽，氯气在淡盐水贮槽中被分离后氯气处理工序，淡盐水由淡盐水泵送到脱氯塔，阴极液用烧碱液泵在各单元槽的阴极室以及阴极液贮槽之间维持一定的循环量，为保持碱液浓度，在阴极液入口管中添加纯水，电解所产生的氢气在碱液贮槽中被分离之后送氢气处理工序［2］。

2 氯气氢气的压差

阳极室的氯气和阴极室的氢气的压力差变化，会使离子膜同电极反复摩擦受到机械损伤，特别是离子膜已经有皱纹时，就容易在膜上产生裂纹，因此除了电极表面要做得光滑，同时要自动调节阳极室和阴极室的压差，使其保持在一定范围内，但是如果将离子膜过分地压向阳极表面也会导致离子膜的损伤，反之，阳极压力高于阴极，氯气进入氢气中会产生爆炸。小爆会损坏昂贵的离子膜，大爆会造成人身安全和环境的严重破坏。因此各种工艺对氯气氢气压差的调节极为重视。几乎所有离子膜电解槽都是调节阴极室的压力大于阳极室的压力［3］。以下介绍伍迪公司、旭化成公司及天辰公司氯氢压差调节系统。

2.1 国外技术的氯氢压差调节系统

国外技术的氯氢压差调节系统的特点是控制方案复杂，却是最为安全的，流程图见图1。

在氯气总管在设两个压力变送器（PT-1151A，PT-1151B），所取压力进打比较，压力较低的信号作为XI-1151A进行显示，压力较高的信号作为XI-11518进行显示，21kPa高报警，23kPa时高高报警并连锁全厂停车。筒式，压力高的信号作为PIC-1151 和PV-1151B进行调节。PIC-1151A的设定值为20kPa，PIC-1151B的设定值为21.5kPa。因此PV-1151B在正常运行时为关闭状态，所以PIC-1151B要采取抗积分饱和措施。ZT-1151B是PV-1151B的阀位变送器，当ZT-1151B的输入信号大于20%时，要报警并全厂联锁停车［4］。

装置联锁停车时，通过电磁阀的作用，PV-1151B关闭，筒式将PIC-1151A调节器自动由自动设为手动，通过选择器吧阀门定位器的输入设为0%，以保证PV-1151A的关闭；PIC-1151B调节器自动由自动设为手动，并通过选择器将输出设为10%，即PV-1151B开度设为10%。60S以后，PV-1151B再按一定速率打开，具体速率（I=KX+B）可在试车时通过实践确定。详见图2气压力调节联锁示意图。

图1 国外氯氢压差调节系统流程图

PDT-1155是PV-1151A阀前后的压力差指示、报警及联锁（见图3）。当压力差值小于3kPa时，低报警，小于1kPa时，则表明阀门基本上处于处于全开状态，即氯气总管压力过高产生低低报警并装置联锁停车。这是又一个保证不会因气压力太高而产生氯氢压差倒置发生危险的措施。

图2 国外氯气压力调节系统联锁示意图

氯气压力稳定后只要调节氯气氢气的压力差就可以达到保证电解槽稳定运行，并保护离子膜不易损伤的目的。同时取两个氯气总管及氢气总管的压力差信号（PDT-1152A，PDT-1152B见图1），二者进行比较，压力高选的信号作为XDI-1152A进行指示，4.5kPa时高报警，6.0kPa时高高报警并装置联锁停车。压力低选的信号作为XDI-1152B进行指示，2.5kPa时低报警，1.5kPa时低低报警并全厂联锁停车。同时压力差较低的信号作为PDIC-1152A和PDIC-1152B的测量值对PDV-1152A及PDIC-1I52B进行调节。PDIC-1152A调节器的设定值为4kPa，PDIC-1152B调节器的设定值为5kPa，因此，正常运行时，PDV-1152B的状态为关闭，所以PDIC-1152B要采取抗积分饱和措施。

图3 PDT-1155回路联锁示意图

装置联锁停车时，通过电磁阀的作用，PDV-1152A关闭，同时将PDIC-1152A调节器自动由自动变为手动，60S后，通过选择器将输出至阀门定位器的信号设为0%，以保证PDV-1152A的关闭；PDIC-1152B调节器自动由自动变为手动，60S后，通过选择器将输出至阀门定位器的信号设为10%，即PDV-1152B开度为10%。然后再将PDIC-1152B调节器人工由手动设置回自动。详见图4压差调节联锁示意图。

图4 国外氯氢压差调节系统联锁示意图

PI-1153是氢气总管的压力指示。24.5kPa时 PI-1153高报警，10kPa时低报警，2.5kPa时低报警，并打开XV-1108充氮，直至PI-1153恢复到4kPa以上，关闭XV-1 l08。充氮系统见图5。

图5 PI-1153回路联锁示意图

2.2 国内技术氯氢压差调节系统

国内设计一般用一个调节回路（PICA-216）稳定氯气压力，并把氯气压力加上应保持的压差值作为给定值调节氢气压力（PDICA-226），即比值调节系统达到维持氯气和氢气压差的目的。其回路示意图见图6。

图6 国内氯气氢气压差调节控制回路示意图

上述的控制方案是简单有效的，但在运行过程中，出现联锁停车时，会出现负差压的情况，即氯气压力高于氢气压力，这是极其危险的。对出现负差压的情况进行分析后，此设计方案还需要进一步完善。

2.3 国内技术氯氢压差调节系统的改善

国内技术氯氢压差调节系统在装置联锁时，去氯气处理的阀门直接关闭，而去废氯处理的阀门直接打开；同样，去氢气处理的阀门直接关闭，去氢气放空的阀门直接打开［5］。

按上述方案，氢气一般直接放空，而氯气去事故处理塔，所以，氢气的泄压阻力小，氯气的泄压阻力大。

设计时，虽然对调节阀进行了计算并且选择了CV值及工艺参数都是准确的，但氢气的相对分子质量小，按计算公式计算的结果在单一调节回路没有问题，但在本工艺过程有排放速率比较时，便显现出来普通计算式计算结果不尽合理，导致氢气泄压速度过快，从而导致氢气压力迅速下降，调节系统不能跟上这种反应速度，造成了氯气压力高于氢气压力的负差压。

为解决这个问题，国内设计在氢气放空回路上设计了新的调节系统，以限制氢气放空的速度。如图7。

图7 国内氢气放空回路联锁示意图

图中FDIC-200是氯气和氢气压差调节器的输出，PDT200是氯气和氢气压差值。正常运行时，氢气放空阀PV-5350A由PIG-5350A调节器调节，全厂联锁时，通过选择器2将PV5350A开度设为5%，2S后，通过选择器1将FDIC-200调节器的输出给PV5350A，进行调节。

当氯气和氢气压差小于1kPa，通过选择器3将阀门PV535OA关闭，当氯气和氢气压差大于4kPa时，选择器3失效，PV5350A仍由PDIC-200调节器调节。从而保证了在联锁发生时氯气和氢气的压差，避免负差压的出现，增加了离子膜电解槽的安全性。

3 结束语

在离子膜法制碱生产工艺中，氯气、氢气压差调节是非常关键的控制系统，本文的控制方案分析仅为同类项目设计参考，可根据项目的投资、工期等综合因素比照选择，以完善离子膜电解槽的控制，提高项目的整体可靠性及安全性。

［1］程殿彬.离子膜法制碱生产技术［M］.北京：化学工业出版社，1998:1-7，175-203.

［2］王志勇，李和平，尹志刚.离子膜烧碱生产工艺的优化［J］.桂林理工大学学报.2011，31（1）；100-105.

［3］李尚昕，王凤明，丁海秋.离子膜电解槽氯氢压力及压差控制探讨［M］.2011年全国烧碱行业技术年会论文集，2011，205-208.

［4］钱伯章，朱建芳.国内外氯碱生产的现状和发展分析［J］.中国氯碱，2007（2）:7-9.

［5］刘自珍.我国离子膜法烧碱现状分析与发展对策［J］.氯碱工业，2007（11）：1-6.

10.3969/j.issn.1008-1267.2016.05.010

TQ114.26+2

B

1008-1267（2016）05-0026-04

2016-02-29