单台碱液浓度分析仪在多组电解槽上的应用

程平，李得银，熊平，吴万钢，刘加英

(宜宾海丰和锐有限公司，四川 宜宾 644229)

1 设计背景与目的

宜宾海丰和锐有限公司(以下简称“海丰和锐”)离子膜法制烧碱生产装置电解槽为自然循环复极式零极距电解槽。

电解槽出槽碱浓度直接影响电流效率和电耗。若出槽碱液浓度升高，则离子膜含水量降低，羧酸层的导电率下降，膜电阻升高，溶液电阻也升高，导致槽电压升高。碱质量分数每改变1%，单元槽槽电压改变20～30 mV；当质量分数高于35%时，电流效率开始下降，浓度再高，将永久破坏离子膜的性能。因此氯碱企业通常将出槽碱质量分数控制在31.0%～33.0%，此时膜的电流效率达到极值。目前海丰和锐电解槽出槽碱总管中碱质量分数控制指标为32.0%～32.5%。

随着烧碱生产规模的扩大，烧碱装置电解槽的台数越来越多，对电解槽精细化管理要求也越来越高，以往只检测电解装置出槽碱总管碱液浓度的控制方式已不能满足电解槽精细化管理的要求。为全面全程化监控和掌握烧碱装置中单台电解槽出槽碱浓度，判断电解槽运行性能，切实加强和提升电解槽的管理，海丰和锐决定对电解槽出槽碱浓度分析进行工艺改造，实现单槽出槽碱浓度的在线检测，达到电解槽碱液浓度的精确控制。

2 系统方案及实施

2.1 系统总体设计

根据系统需要设计出总体控制方案，软件和硬件设施包括控制器、组态软件、切断球阀、分析仪、调节阀及测量变送器等。在采样总管上设计了流量调节回路和温度调节回路。总体设计框图如图1所示。

图1 碱液浓度在线检测总体设计框图

2.2 工艺流程的设计[1]

根据系统需要，采用直径25 mm的管道为采样管，连接到原有电解槽出槽碱液管道上，在每个采样管道上安装一个气动衬氟切断球阀和两个手动球阀，然后将多台电解槽的采样管道汇合到一根直径25 mm的总管道上。在采样总管道上设计了一个流量调节回路，回路上设置调节阀和流量变送器各1台，用来调节进入分析仪的碱液流量。出槽碱液温度高达85 ℃左右，具有强烈的腐蚀性，为防止高温碱液对在线分析仪的腐蚀，提高分析仪检测结果的精确度，在碱液浓度分析仪前设置了1台换热器，并设计了一个温度调节回路(回路上设置气动调节阀和温度变送器各1台)，用以调节采样碱液温度。经过分析仪分析后的碱液送到碱液贮槽。其PID图如图2所示。

图2 多台电解槽出槽碱液浓度在线分析系统PID控制示意图

2.3 采样及流量调节阀的选择

根据工艺条件，本设计采样开关采用DN25气动衬氟切断球阀。DN25口径大小和采样管道大小一致，方便法兰连接安装。选择气动球阀，动作迅速，流体阻力小，体积小，并且密封性特别好，能满足采样阀的所有要求。流体介质为NaOH液体，为防止腐蚀，选用了内衬聚四氟乙烯的氟塑料衬里耐腐阀门；同理，流量调节阀也采用DN25气动衬氟调节阀。采样阀门实物如图3所示。

图3 现场采样阀门实物图

2.4 碱液浓度分析仪和流量、温度变送器的选择[2]

本系统的碱液浓度分析仪采用在线分析仪，该分析仪原理是通过测量传感器在流体中的振动频率来获得流体密度以及体积，计算出流体浓度。它具有准确度高，响应快，经久耐用，维护成本低，价格合理，体积小，安装方便等优点，非常符合实际工况。流量计采用电磁流量计，反应迅速，准确度高。温度变送器采用一体化温度变送器，精度高，反应迅速，安装方便。分析仪如图4所示。

图4 现场分析仪实物图

2.5 采样系统软件设计

2.5.1 本采样系统包含的参数

手/自动切换开关K；

可设置的单台槽采样切换时间T1；

可调试的延迟时间T2；

当前需要采样的电解槽的标志N；

采样数据DIA；

电解槽对应碱浓度显示数值DIA1～DIAn；

电解槽对应的槽电流I1～In；

采样阀门开关信号K1～Kn。

2.5.2 程序流程叙述[3-4]

本程序设计了两种采样模式：手动采样模式和自动采样模式。当处于手动采样模式时，由操作人员手动打开1台电解槽的碱液采样阀，此时程序会关闭其余电解槽的采样阀，延迟T2时间后采样数值被赋值给对应电解槽。在自动模式下，首先自动初始至所有采样阀门关闭，对应标志参数及采样数据清零。然后按照电解槽运行电流是否满足条件进入周期性顺序程序，打开对应采样阀开关K1，使电解槽出槽碱进入碱液分析仪，延迟T2时间后采样数值被赋值给对应电解槽DIA1，直至采样时间达到设定切换时间T1后转到下一台电解槽的检测，然后依次顺序执行并循环运行。程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

3 取得的效果

2021年海丰和锐完成了分析仪、阀门、配管安装改造以及程序调试工作。改造后的自动取样分析仪已运行了几个月，在线分析结果与人工取样分析结果进行对比，数据基本一致，出槽碱液浓度控制精度得到提高。

4 结语

海丰和锐在烧碱装置单槽出槽碱液管上增加程控阀、手动阀，在采样总管增加换热器、调节阀等设备，只用1台在线碱液浓度分析仪实现了该装置多台电解槽出槽碱液浓度的在线检测分析。装置投运几个月以来，出槽碱液质量分数控制在了32.1%～32.4%，单槽槽电压下降约0.5 V，电流效率稳定，既节省了设备投资，又提高了电解槽出槽碱液浓度的控制精度。

[1] 张松江 ,岳世豹 ,覃海棠,等.电流效率分析仪在电解槽上的应用[J].轻金属，2010(5):28-33．

[2] 王珊珊，吴凌云，余厚全．一种改进音叉式流体密度检测装置的设计与实现[J]．长江大学学报,2017,14(5)：49-53.

[3] 聂坤林，诸雪征，顾进，等.一种多位置多时刻同步采样系统设计与实现[J].计算机测量与控制 ,2019,27(3)：275-278.

[4] 薛田良.深水水文自动采样方法与控制系统研究[D].武汉:华中农业大学，2013.