离子膜烧碱控制技术

第1章 绪论

1.1 氯碱工业概况及特点

1.1.1 氯碱工业概况

1.1.2 我国氯碱工业特点

1.2 离子膜烧碱装置主要设备简介

1.2.1 一次盐水精制主要设备

1.2.2 二次盐水精制主要设备

1.2.3 电解主要设备

1.2.4 氯氢处理主要设备

1.2.5 氯化氢合成与高纯盐酸的主要设备

1.2.6 氯气液化及包装主要设备

1.2.7 蒸发及固碱主要设备

1.3 离子膜烧碱装置控制现状

第2章 离子膜烧碱工艺及控制要求

2.1 一次盐水精制

2.1.1 一次盐水精制反应原理

2.1.2 一次盐水精制工艺简介

2.1.3 一次盐水精制控制要求

2.2 二次盐水精制

2.2.1 二次盐水精制反应原理

2.2.2 二次盐水精制工艺简介

2.2.3 二次盐水精制控制要求

2.3 电解及脱氯

2.3.1 电解及脱氯反应原理

2.3.2 电解及脱氯工艺简介

2.3.3 电解及脱氯控制要求

2.4 氯氢处理

2.4.1 氯氢处理化学原理

2.4.2 氯氢处理工艺简介

2.4.3 氯氢处理控制要求

2.5 盐酸合成

2.5.1 盐酸合成化学原理

2.5.2 盐酸合成工艺简介

2.5.3 盐酸合成控制要求

2.6 烧碱蒸发与固碱

2.6.1 烧碱蒸发与固碱化学原理

2.6.2 烧碱蒸发与片碱工艺简介

2.6.3 烧碱蒸发与片碱控制要求

第3章 离子膜烧碱控制方案

3.1 单回路控制系统

3.2 主要复杂控制回路

3.2.1 进电解槽盐水流量的控制

3.2.2 电解槽加酸量的控制

3.2.3 淡盐水循环流量控制

3.2.4 电解槽出口总管氯气氢气的差压控制

3.2.5 阴极液加水（碱浓度）的控制

3.2.6 电解槽电流的升降及其控制

3.2.7 氯压机的控制

3.2.8 盐酸合成与烧碱蒸发的控制

3.3 DCS对树脂塔的程序顺控方案

3.3.1 树脂塔工艺简述

3.3.2 离子交换树脂塔的操作程序

3.3.3 报警和联锁

3.3.4 断电时的操作

3.3.5 阀门联锁

3.4 电解槽槽电压检测方案

3.4.1 单元槽电压的构成

3.4.2 槽电压检测难点及常规检测方案

3.4.3 MACS系统对槽电压的检测方案

3.4.4 槽电压检测针孔探测器的功能

3.5 安全联锁控制方案

3.5.1 电解联锁控制方案

3.5.2 整流全停联锁方案

3.5.3 电解极化电源联锁方案

3.5.4 氯压机联锁方案

3.5.5 蒸发联锁

3.5.6 其他联锁

第4章 离子膜烧碱仪表

4.1 温度仪表

4.1.1 温度检测仪表的分类

4.1.2 测温仪表的性能特点

4.1.3 测温仪表的选用原则

4.1.4 离子膜装置中的测温仪表

4.1.5 测温原件及仪表的安装

4.2 压力仪表

4.2.1 压力的概念、单位及表示方法

4.2.2 常用的压力检测仪表

4.2.3 压力检测仪表的选用

4.2.4 离子膜装置中的压力仪表

4.2.5 压力表、变送器的安装

4.3 流量仪表

4.3.1 流量检测概述

4.3.2 流量仪表的分类

4.3.3 常用流量仪表选型

4.3.4 离子膜装置中的流量仪表

4.3.5 流量仪表的安装

4.4 物位仪表

4.4.1 物位的概念及物位检测意义

4.4.2 物位仪表的分类

4.4.3 常用物位检测仪表的选用

4.4.4 离子膜装置中的物位仪表

4.4.5 物位仪表的安装

4.5 分析仪表

4.5.1 分析仪表的分类

4.5.2 分析仪表的一般组成

4.5.3 分析仪表的选型

4.5.4 离子膜装置中的分析仪表

4.6 执行器

4.6.1 调节阀的组成及分类

4.6.2 调节阀的选择

4.6.3 阀门附件

4.6.4 离子膜装置中的执行器

4.6.5 调节阀的安装和维护

4.7 爆炸危险场所仪表电器安全

4.7.1 爆炸性气体环境危险区域划分

4.7.2 爆炸性气体混合物的分类、分级、分组

4.7.3 爆炸性气体环境仪表电气设备的选型

4.7.4 爆炸危险场所仪表电器安全

4.7.5 安全栅

第5章 离子膜工程DCS硬件配置方案

5.1 DCS硬件系统简介

5.1.1 DCS系统定义

5.1.2 DCS系统结构

5.1.3 DCS系统功能

5.1.4 国内常见DCS厂商及品牌

5.2 和利时（Hollysys）公司的MACS系统

5.2.1 HOLLiAS MACS分布式控制系统概述

5.2.2 MACSS系统整体结构

5.3 离子膜烧碱装置DCS硬件配置方案

5.3.1 和利时DCS在氯碱盐化工行业应用情况

5.3.2 SM现场控制站硬件产品简介及其配置要点

5.3.3 DCS系统输入-输出测点统计

5.3.4 I-O模块的配置

5.3.5 控制柜成套设计

5.3.6 离子膜烧碱装置操作站硬件配置

5.3.7 系统网络设计

5.3.8 系统供电设计

5.4 辅助机柜盘台布置与接线图

5.4.1 盘面布置图

5.4.2 柜内接线图

5.5 DCS系统柜布置与接线图

5.5.1 柜内布置图

5.5.2 外部接线图

第6章 离子膜工程DCS软件组态编程

6.1 DCS的软件体系

6.1.1 现场控制站的软件系统

6.1.2 操作站的软件系统

6.1.3 MACS Ⅴ系统软件的组成及功能

6.2 DCS的组态方法

6.2.1 组态软件主要解决的问题

6.2.2 组态的内容

6.2.3 MACS Ⅴ系统软件组态步骤

6.3 离子膜烧碱装置控制工程组态

6.3.1 新建工程

6.3.2 工程画面组态

6.3.3 设备组态

6.3.4 数据库的编辑及编译

6.3.5 报表组态

6.3.6 服务器算法组态

6.3.7 生成控制器算法工程

6.4 离子膜烧碱装置控制器算法组态

6.4.1 控制器算法组态概述

6.4.2 控制器算法软件及功能

6.4.3 单回路控制系统组态

6.4.4 联锁及主要复杂控制回路组态

6.4.5 树脂塔顺控方案组态

第7章 离子膜烧碱整流

7.1 离子膜整流系统的组成及工作原理

7.1.1 整流系统组成

7.1.2 整流系统工作原理

7.2 整流系统设计

7.2.1 整流装置主要参数计算

7.2.2 整流柜内部元件的选取及制造要求

7.2.3 整流柜的保护措施

7.2.4 晶闸管整流装置控制柜

7.2.5 计算机监控系统

7.2.6 极化整流器

7.3 整流器辅助设备

7.3.1 整流变压器

7.3.2 纯水冷却装置

7.3.3 直流母线式大电流隔离器

7.3.4 直流大电流传感器

7.4 整流所的常见事故类型及处理

7.4.1 整流工段易出现的故障类型

7.4.2 整流装置的运行管理

7.4.3 整流工段可能出现的异常情况及事故处理

7.4.4 整流变压器的运行管理及检修维护

7.4.5 整流变压器可能出现的异常情况及事故处理

7.4.6 整流高压开关柜的运行管理

附录1 ××××公司20万吨-年离子膜烧碱项目DCS控制系统招标文件

附录2 DCS系统主要供应商及其产品介绍

附录3 离子膜烧碱装置数据库IO表

附录4 现场控制站机柜布置与接线图

参考文献

《离子膜烧碱控制技术》以离子膜烧碱装置为对象：

1.分析了该装置的生产工艺检测控制要求，进行了主要控制及联锁方案的研究，合理选择并介绍了该装置中所使用的关键仪表。

2.以25万吨-年离子膜烧碱装置为例，进行了DCS测点统计。

3.基于国产大型DCS MACS系统，进行了该装置的DCS硬件配置设计和软件组态编程，提供离子膜烧碱装置控制系统的全方位解决方案。

4.并且阐述了装置中所用到的整流系统及整流技术。 2100433B

《离子膜烧碱控制技术》针对25万吨/年离子膜烧碱装置，介绍了装置中所用到的自动化仪表和过程控制系统，分析了离子膜烧碱的生产工艺流程、设备装置特点以及生产控制要求、运行工况要求与技术性能指标要求等，制定了离子膜烧碱装置的总体控制方案；介绍了DCS硬件配置设计和软件组态编程、离子膜烧碱装置中树脂塔的DCS逻辑控制程序开发、整个装置的安全联锁控制系统设计，提供了从硬件到软件的离子膜烧碱装置控制的全方位解决方案。

《离子膜烧碱控制技术》可作为氯碱行业技术人员的培训或参考用书，也可作为高等院校自动化专业的辅助教材及相关技术人员的参考用书。

高国光，北京和利时集团，高级工程师，　1990年7月毕业于武汉化工学院生产过程自动化专业。毕业后到开封东大化工集团工作，主要从事化工项目自控专业设计、安装、调试及维护。2004年8月调入北京和利时系统工程有限公司，先后在重大项目部、技术规划管理部、石化技术部工作。完成了华西村综合利用热电厂、开封晋开1830及硝酸、包头海平面36万吨烧碱及40万吨PVC、东营协发化工50万离子膜烧碱等100多个DCS项目。制定了《石化行业控制系统工程实施标准》等企业标准。主持完成了“离子膜烧碱装置自动控制系统设计与研究”省级科研成果。完成了“反应釜（罐）自动精确加料的控制算法”、“加氢反应釜釜温与吸氢速率的控制算法”专项研究，解决了行业控制难题。

发表了《HCS-2000型CDS在离子膜烧碱生产中的应用》、《DCS对树脂塔的程序控制》、《国产大型DCS系统在盐化工行业的应用》、《离子膜电解槽电压检测方案及其优化》、《MACS DCS在50万t-a离子膜法烧碱装置中的应用》、《An Optimization Control Method of Waste Incinerator for Power Generation》等13篇论文。其中有2篇论文被EI数据库收录，1篇获得2010中国自动化领十大优秀论文奖，1篇获河南省第十届自然科学优秀学术论文奖励。参编《过程控制及自动化仪表》，主编《流程工业工程控制》2部高职高专教材，主持编著《过程控制工程实施教材》。

离子膜烧碱生产技术

所属类别

教材 >> 高职 >> 高职化工

作者：王世荣、高娟 主编

出版日期：2015年5月 书号：978-7-122-22708-9

开本：16K　787×1092　1/16 装帧：平 版次：1版1次 页数：235页

本书是以真实产品离子膜法烧碱生产工艺流程为内容设计主线，阐述了当今离子膜法烧碱生产典型工艺过程，主要包括了一次盐水制备、二次盐水精制、精制盐水电解、氯氢气处理和液氯生产五个方面的生产任务。在一次盐水制备过程中融入了流体输送、流体输送典型机械、膜分离技术、非均相物系分离化工单元操作技术以及岗位操作等基本技能；

目录

工作任务概述1

01产品介绍1

011氯碱工业的基本特点2

012离子膜法电解制碱的历史3

013离子膜法与隔膜法、水银法制碱方法比较5

02工作计划任务安排5

03完成工作任务的生产工艺流程说明5

04生产过程中的技术管理与工作要求6

05安全环保与健康文明生产原则7

06课程性质与地位8

07做中学、学中做岗位能力训练题8

任务1一次盐水制备10

11生产作业任务——一次盐水制备10

12一次盐水制备子任务——盐水溶液输送11

121流体力学研究对象11

122化工流体的流动12

123液体输送工作过程——流体输送机械31

124岗位操作技能训练46

125做中学、学中做岗位技能训练题47

13一次盐水的生产过程49

131生产原料——原盐49

132粗制盐水制备与Mg2 去除的工艺流程50

133Ca2 去除的工艺流程53

134SO2-4的去除72

135盐泥的洗涤与处理73

136一次盐水生产的开停车操作97

14工作任务总结与提升101

15做中学、学中做岗位技能训练题102

任务2二次盐水精制103

21生产作业计划——二次盐水精制生产任务103

22二次盐水精制过程103

221二次盐水精制工艺流程图103

222二次盐水精制工艺流程叙述104

223二次盐水精制工序对一次盐水的质量指标要求104

224完成二次盐水精制任务的基础工作——传热操作105

225螯合树脂精制盐水的工作过程128

226螯合树脂塔的开停车操作129

23盐水二次精制的工艺操作要点130

24二次盐水精制过程中常见的异常原因及处理方法130

241ClO-未被去除130

242二次精制盐水Ca2 、Mg2 超标131

25二次盐水精制后盐水的质量控制指标131

26二次精制工艺操作岗位原始记录131

27二次精制岗位工艺操作仿真实训 133

28工作任务总结与提升133

29做中学、学中做岗位技能训练题133

任务3精制盐水电解135

31生产作业计划——精制盐水电解工作任务135

32精制盐水电解的基本过程135

321电解过程的基本定律135

322重要概念解读136

323工业应用案例——离子交换膜电解槽140

任务4氯氢气处理176

41生产作业计划——氯氢气处理任务安排176

42氯气处理工艺生产过程177

421氯气物化性质177

422氯气处理过程工艺流程示意图177

423氯气处理过程的工艺流程叙述180

424事故氯气处理193

425氢气的洗涤冷却193

426氢气压缩输送194

43氯氢气处理开停车操作194

44氯氢气处理过程的正常工艺条件196

45氯氢气处理过程的生产正常控制指标197

46氯氢气处理过程的不正常现象的原因和处理方法197

47氯氢气处理工作过程的原始记录198

48氯氢气处理工作岗位上的安全要领200

49氯氢气处理工作过程化工仿真实训200

410工作任务总结与提升200

411做中学、学中做岗位技能训练题201

任务5液氯生产202

51生产作业计划——液氯生产工作任务202

52液氯生产任务完成工作过程202

521液氯液化目的与方法202

522氯气液化工艺流程203

523氯气液化工作条件204

524液氯生产的开停车操作227

53生产岗位正常操作控制工艺条件229

54不正常现象原因和处理方法229

541不正常现象之一的原因和处理方法229

542不正常现象之二的原因和处理方法230

543不正常现象之三的原因及处理方法 230

544不正常现象之四的原因及处理方法230

545不正常现象之五的原因及处理方法231

546不正常现象之六的原因及处理方法231

547不正常现象之七的原因及处理方法231

55液氯生产工艺操作岗位原始记录231

56液氯生产工艺仿真操作实训233

57完成岗位的工作任务总结与提升234

58做中学、学中做岗位技能训练题234

参考文献235 2100433B

1、烧碱质量高，可满足化纤、制药等行业对高纯烧碱的质量要求。

2、减少能源消耗。

3、无污染，离子膜法氯碱生产没有废物，不存在水银法制碱的汞污染和隔膜法制碱的石棉废物等污染问题。

4、产物氯气纯度高，通常氯气纯度>99%，是很好的有机氯生产原料。

5、产物氢气纯度高通常氢气纯度>99%，可直接用于要求高纯氢的场合。

一次盐水

一次澄清盐水的制备是氯碱生产工艺至关重要的工段，精制效果的好坏直接影响产品的质量和产量。传统性的一次盐水精制工艺，采用配水、化盐、加精制剂反应、澄清、砂滤，然后再经炭素烧结管过滤器过滤。近几年新建氯碱装置一次盐水工艺大都采用膜过滤技术制取精制盐水，该工艺路线省去了砂滤器、炭素烧结管过滤器。经生产实践证明，经膜过滤分离方法制得的一次盐水质量指标、设备投资等都比传统工艺理想。所以一次精制盐水工艺采用膜过滤器过滤工艺。

二次盐水精制

离子膜法电解槽使用的高度选择性离子交换膜要求入槽盐水的钙、镁离子含量低于20wtppb，普通的化学精制法只能使盐水中的钙、镁离子含量降到10wtppm左右。若使钙、镁离子含量降到20wtppb的水平，必须用螯合树脂处理。

二次盐水精制的主要工艺设备是螯合树脂塔，分二塔式和三塔式流程。塔的运行与再生处理及其周期性切换程序控制，可由程序控制器PLC实现，PLC与集散控制系统DCS可以实现数据通讯；也可以直接由DCS实现控制。伍迪公司采用的就是二塔式，其他公司采用三塔式流程。建议采用三塔式流程。

淡盐水脱氯

淡盐水脱氯有两种工艺路线：一种采用空气吹除法，该法脱氯效果欠佳，从淡盐水中分离出来的废氯气纯度低，无法汇入湿氯气总管送氯气处理工序，只能由烧碱液循环吸收，制成次氯酸钠溶液。另一种采用真空脱氯法，该法脱氯效果较好，通过蒸汽喷射器或真空泵提供的真空系统将含氯淡盐水中的游离氯抽出分离后进入湿氯气总管。建议采用真空法淡盐水脱氯工艺技术。

氯氢处理

1、氯气处理

由电解槽出来的湿氯气，温度高并伴有大量的水蒸气和杂质，具有较强的腐蚀性，必须经过冷却、干燥和净化处理。

氯气处理系统分为冷却、干燥、输送三部分。

冷却选用填料式洗涤塔，能够较好地除去湿氯气带出的盐雾，填料采用CPVC花环。氯气冷凝下来的氯水回收送淡盐水脱氯工序。

对于干燥部分，在实践应用中已采用过多种干燥塔型和不同的组合方式，比较典型的有：

a、一段泡沫塔、二段泡沫塔；

b、一段填料塔、二段泡沫塔；

c、一段填料塔、二段泡罩塔。

国内采用最多的是填料塔和泡沫塔组合，这是两种典型的塔。

泡沫塔的特点是结构简单、造价低、塔板数多；缺点是操作弹性小、不便于增加硫酸循环量，操作弹性仅为15%，塔板阻力降大，一般为100-200mm H₂O，而且开孔的加工精度、酸泥沉积等因素易影响其操作稳定性。

填料塔操作弹性大，易操作，压降小，但投资大，有效塔板数少。

泡罩塔的特点介于泡沫塔与填料塔之间，塔板数多，压降与泡沫塔相当，操作弹性比较大。

经过对以往经验的总结、比较，应选择二段干燥；一段为填料干燥塔，二段采用泡罩干燥塔。

氯气输送设备有两种形式，一种是液环泵，另一种是离心式压缩机。液环泵对氯气含水量要求不苛刻，但动力消耗大，输送量小，出口氯气压力低，适用于生产规模在5万吨/年烧碱能力以下的氯气输送。离心式压缩机具有输送量大、排气压力较高、运转平衡、得以改善工作环境等优点。该设备能量消耗与同气量液环泵相比节电50%，但要求氯气中含水量<100wtppm，适用5万吨/年烧碱规模以上的装置输送氯气。

建议氯气处理工艺方案：湿氯气经氯水洗涤，钛管换热器，氯气除盐、降温后经一段填料塔、二段泡罩塔干燥，使氯气含水量≤50wtppm，氯气输送选用大型离心式氯气压缩机。

2、氢气处理

由电解槽出来的氢气温度高、含水量大、且含碱雾，故必须进行冷却。冷却系统分直接冷却和间接冷却两种，建议选择氢气洗涤塔直接洗涤冷却降温、列管换热器间接冷却，水环式氢气压缩机输送。

3、废氯气处理

废氯气处理接纳开、停车时的低浓度氯气和事故状态下氯气系统的泄压氯气，可采用烧碱液吸收或石灰乳吸收，石灰乳吸收效果差，设备庞大，需连接搅拌，动力消耗高，操作环境恶劣。建议选择烧碱液循环、冷却、吸收废氯气，制成次氯酸钠溶液。

氯气液化

通常根据氯气压缩机压力的不同，将氯气液化方式分为高压法、中压法和低压法三种。高压法消耗冷冻量少，不需要制冷机，能耗低。