离子膜烧碱工艺中氯气含水量测量的仪表选择

韩雪松

(中国天辰工程有限公司黑龙江分公司, 黑龙江 哈尔滨 150076)

离子膜烧碱工艺中氯气含水量测量的仪表选择

韩雪松

(中国天辰工程有限公司黑龙江分公司, 黑龙江 哈尔滨 150076)

根据相关仪表选型设计规范及安装规范，并结合以往分析仪表的现场使用情况及相关分析仪表的最新发展趋势，讨论了离子膜烧碱工艺中氯气含水测量的仪表选型，分别介绍了测量原理、分类、优点及缺点，指出了该类型仪表选型设计的注意事项，为同类型装置的分析仪表选择提供了参考，也对相关分析仪表的改进有着指导意义。

氯气 电解式微量水分析仪 激光分析仪

氢氧化钠俗称烧碱，在国民经济中有广泛应用，许多工业都会用到烧碱，如化学药品的制造、造纸、冶金、纺织、石油、化工等行业。在烧碱的生产工艺中，离子膜方式为主流方式，其副产品氯气具有毒性且不易大规模存储，故通常将其通过化学反应进行处理，而在化学反应前，需要做干燥处理，并设置分析仪表检查氯气中含水情况，以防止腐蚀管道，污染后续生产工段。本文针对该检测位置探讨分析仪表的选型问题。

1 工艺情况

在离子膜烧碱生产过程中，粗盐水经过一次盐水单元和二次盐水单元后进入电解单元，当精制盐水流经电解槽时，在一定直流电作用下，离子经离子交换膜发生迁移，最终在阴极液相形成烧碱，阳极液相产生淡盐水，阴极气相生成氢气，阳极气相生成氯气。电解槽出来的湿氯气，温度较高并伴有大量的水蒸气和杂质，具有较强的腐蚀性，须经过冷却、干燥和净化处理，一般说来，湿氯气需要经过氯水洗涤塔、一级干燥塔和二级干燥塔，然后进入氯气压缩机，再送往相应工段，在此过程中大部分氯气压缩机厂家要求氯气的体积分数小于5×10-5。

2 氯气中含水检测点的设置

一般来说，氯气中含水检测点应设置在氯气压缩机自一级压缩出口。当部分分析仪表需要将通过引压管取样的氯气样气返回工艺管道的时候，则分析仪表的出口样气一般返回至氯气压缩机一级压缩进口，因为部分分析仪器需要一定的流量，利用进出口压差正好可以满足此要求。

3 分析仪表的选择

测量氯气含水量的分析仪表主要有电解式微量水分析仪和激光分析仪两种。

3.1 电解式微量水分析仪

电解式微量水分析仪也叫库仑法电解湿度计，属于电化学在线分析仪表的一种，根据法拉第电解定律，通过电解水为氢气与氧气，进而进行水分的测量，常用在气体里的微量水分检测。电解式微量水分析仪主要由电解池和电解电极构成，电解电极式为螺旋型铂丝，其绕在池壁上呈平行状，并在铂丝中间涂上具有很强亲水性的五氧化二磷，这样，当有检测气体通过电解池的时候，五氧化二磷会吸收气体中的水分，从而产生偏磷酸液体，进而被2条铂丝间的直流电压电解，生产氧气和氢气，最后氧气和氢气放出，五氧化二磷还原，具体过程为

在上述电解进行时，电解电流也随之发生，由于在一定温度、压力和流量条件下，电解电流和气体中的含水量成正比，故可以根据电流值推算出水分的含量。

电解式微量水分析仪的优点:

1) 含水量和电流对应，而且电路可以精确测算出微量的电流，电解式微量水分析仪灵敏度高、精度高，绝对误差小。

2) 由于其属于绝对方式测量，探头一般不需要现场标定。

3) 由于电解池结构简单，实际应用中使用寿命较长。

4) 对于有经验的维护人员来说，电极经过长时间的使用后，可以现场人工再生，免去维修工作需要返厂进行的麻烦。

电解式微量水分析仪需要注意:

1) 干氯气的腐蚀性不强，普通的不锈钢也耐干燥氯气腐蚀，但是实际生产中，需要考虑在特殊情况下湿氯气也会进入分析仪表的情况，湿氯气具有强腐蚀性，所以取样部分中的管线、接头和阀门等相关部件需要采用蒙乃尔合金或者钛，也可以使用非金属材质，例如聚四氟乙烯(PTFE)或者氯化聚氯乙烯(PVC-C)，当然也可以使用钢衬管。上述材料中所涉及的垫片应采用聚四氟乙烯玻璃纤维(RPTFE)或者氟橡胶(FKM)等材质。

2) 考虑到介质为氯气，故微量水分析仪中的检测器和电解池的材质也宜采用RPTFE，此外安装在现场的保护箱也宜采用树脂等材料，以防氯气腐蚀。

3) 注意取样气体的温度、压力及流量计的稳定，一般在氯气主管道设置温度和压力仪表进行观测，在取样线路中设置流量计进行监测。

4) 注意所有接头的密封，因为一旦有泄漏，大气中水分即可进入系统，从而影响测量，并带来腐蚀隐患。

5) 开机前需要脱水处理，以避免偏差。

6) 可根据现场情况及微量水分析仪要求选择氯气样气的排放形式。

7) 减少取样管道长度，以保证检测响应时间。

3.2 激光分析仪

激光分析仪属于光学分析仪器中吸收光谱法的一种，可通过快速调制激光频率使其扫过被测气体，吸收一定频率范围的被测气体谱线，然后采用相敏检测技术测量被气体吸收后透射谱线中的谐波分量来分析气体的吸收情况，一般来说，采用半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)测量气体吸收强度，并根据Lamber-Beer定律，即气体吸收的强度与其浓度成正比，计算出气体的浓度。现阶段常用的激光技术为可调谐二极管激光，该激光安全等级非常高，不但直射对人体没有伤害，而且该能量非常低，不用担心激光能量引爆被测气体，该激光分析仪可应用于防爆场合。此外，由于利用了高度单色性激光源，可以发射特定波长的光，而且该波长可以调谐，可扫描很窄的波长范围。采用控温元件，可以通过0.01 ℃的精确度调节和控制激光二极管温度，从而确定扫描的范围。固定温度后，激光二极管发射出稳定、可重复的固定波长激光。而在考虑吸收谱线时，则选择在所吸收谱线频率附近约10倍谱线宽带内无测量环境中背景气体组分的吸收谱线。

激光分析仪还可以分为旁路式激光分析仪、原位对射式激光分析仪和原位反射式激光分析仪。

3.2.1旁路式激光分析仪

旁路式激光分析仪为旁路安装，把待检测气体通过引压管线引至激光分析仪中的测量室内，通过两侧的激光发射和接收装置照射后，再将气体送回氯气压缩机入口，从而完成氯气中含水量的检测。图1为旁路式激光分析仪的示意图。该分析仪可以避免氯气压缩机及其附近相关管道振动给激光分析仪带来的影响；另外，由于激光分析仪的激光发射、接收部分以及测量室都安装在地面的控制柜内，故环境中有可能存在的腐蚀、高温或者低温对激光分析仪整体影响不大；此外，如果该处氯气管道出于较高位置，则该安装方案便于激光分析仪的日常巡检及维护。该方法由于需要引压管线，故需注意相关管道及接口的密封，以避免影响测量及污染环境。

图1 旁路式激光分析仪示意

3.2.2原位对射式激光分析仪

原位对射式激光分析仪的激光发射和激光接收装置分别采用法兰安装于管道的两侧，工作时一边发出激光，经过管道内的气体后，由另一段接收，从而完成氯气中含水量的检测。图2为原位对射式激光分析仪示意图。该方法减少了氯气外漏的概率；减少了检测时间，并避免了氯气尾气回收的问题。该分析仪由于必须保证对焦正确，故对于现场安装要求较高。

图2 原位对射式激光分析仪示意

3.2.3原位反射式激光分析仪

原位反射式激光分析仪的激光发射和激光接收装置都在管道的同一侧，共用1个法兰接口，将激光分析仪自带的探杆插入管道中，反射直角棱镜在探杆顶端。激光经过管道内的气体后，被探杆顶端的直角棱镜反射，原路返回，并经过分光后，进入激光接收装置，从而完成氯气中含水量的检测，图3为原位反射式激光分析仪示意图。该分析仪直接安装在管道同一侧，减少了安装空间；另外，由于激光发射和接收装置都在同侧的变送器内，故原位反射式激光分析仪对振动不敏感，也相当于扩大了安装位置的范围。但当激光分析仪发生故障时，很难及时拆卸下来进行维护和检修，需要停产进行操作。为了解决上述问题，设计过程中，在氯气管道上增加检修旁路，那么还需要设计相应的吹扫气体及氯气排放接收管道，这样会增加投资费用，并且给操作人员增加了额外工作量。

图3 原位反射式激光分析仪示意

激光分析仪的优点:

1) 具有高的灵敏度和高的分辨率，可以保障氯气压缩机正常工作。

2) 如果氯气的温度及压力不稳定，可以在检测点前设置温度及压力检测点，将检测信号送入激光分析仪，并通过算法进行温压补偿。

3) 由于激光分析仪对粉尘影响的耐受程度好，故激光分析仪可以避免大部分粉尘及光学视窗污染干扰，所以用激光分析仪检测氯气中含水量，避免了由于氯气含水检测位置前的2套干燥设备可能带入污染物而造成的影响。

4) 由于激光分析仪优异的单色性能，所以从根本上排除了传统气体吸收谱技术测量某气体成分时受到气体中其它成分吸收谱干扰的可能，更能反映氯气中水的实际含量及微小变化。

5) 部分激光分析仪厂家自带参比系统，可对激光分析仪性能进行校验，并实时进行调整及补偿。

4 结束语

在实际设计中，由于每个企业的情况不尽相同，故上述几种氯气中含水量测量方式，需要采用哪种，则需要综合考虑以下几点:

1) 业主对投资的要求。

2) 氯气压缩机厂家对含水量及相应时间的要求。

3) 工艺管道的布置及周边空间大小。

4) 分析仪器所在位置的环境影响，包括空气中的腐蚀程度、空气温度及空气湿度。

5) 是否处于防爆区内。

6) 维护是否方便。

7) 氯气是否纯净，氯气的温度、压力及流量是否稳定。

8) 分析仪表在以往项目中的使用效果。

如果分析仪表选型得当，可以准确、及时地测量出氯气中含水量，那么就可以保证氯气压缩机的正常运行，并稳定后续工艺生产过程，对于安全生产、保护环境、提高经济效益有着十分重要的作用。

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稿件收到日期：2017-07-29，修改稿收到日期2017-09-18。

韩雪松(1977—)，男，黑龙江哈尔滨人，2000年毕业于齐齐哈尔大学自动化系，获学士学位，现就职于中国天辰工程有限公司黑龙江分公司，从事仪表设计工作，任高级工程师。

TH744.4

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1007-7324(2017)06-0063-03