基于电导率原理的干燥酸浓度在线分析仪.pdf

硫酸工业Sulphuric Acid Industry第 4 期2023 年 8 月No.4Aug.2023基于电导率原理的干燥酸浓度在线分析仪张新华（中石化南京化工研究院有限公司，江苏南京 210048）摘要：介绍了一种基于电导率原理的全量程差温法硫酸浓度在线分析仪，根据某一固定浓度的硫酸溶液在不同温度下电导率存在差异的特点，采用双电磁传感器测量不同温度下同一干燥酸的电导率，结合硫酸溶液电导率理化数据确定干燥酸的浓度值。在某硫酸装置的应用实践证明，该新型浓度计解决了电导率法在 w(H2SO4)93%硫酸的浓度测量中存在的拐点问题，也解决了超声波声速法存在的气泡及杂质等干扰问题，可以实时、连续、准确地测量干燥酸浓度，能够有效指导硫酸装置的生产运行。关键词：电导率超声波干燥酸浓度测量差温法在线分析中图分类号：TQ111.16；TP216 文献标志码：B 文章编号：1002-1507(2023)04-0063-04Online analyzer for drying acid concentration based on conductivity principleZHANG Xinhua(SINOPEC Nanjing Research Institute of Chemical Industry Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu,210048,China)Abstract:A full range differential temperature online analyzer for sulphuric acid concentration based on the principle of conductivity is introduced.Based on the characteristic that the conductivity of a fixed concentration of sulphuric acid solution varies at different temperatures,dual electromagnetic sensors are used to measure the conductivity of the same drying acid at different temperatures.The concentration value of the drying acid is determined by combining the physical and chemical data of the conductivity of the sulphuric acid solution.The application practice in a certain sulphuric acid plant has proven that this new concentration meter solves the inflection point problem of conductivity method in measuring the concentration of sulphuric acid with a mass fraction of 93%,and also solves the interference problem of bubbles and impurities in the ultrasonic sound velocity method.It can measure the concentration of drying acid in real-time,continuously and accurately,and can effectively guide the production operation of the sulphuric acid plant.Key words:conductivity;ultrasonic;drying acid;concentration measurement;differential temperature method;online analysis硫酸生产系统通常采用 w(H2SO4)93%的硫酸作为干燥塔的干燥酸，用于吸收 SO2烟气中的水分。干燥酸浓度对烟气的干燥效果有很大影响，当干燥酸浓度过低时，干燥效果差，干燥后的 SO2烟气中水分含量高，影响催化剂的使用寿命。另外，烟气中的水易与三氧化硫结合产生酸雾，既会腐蚀设备，也会随着尾气放空对环境产生污染。当干燥酸浓度过高时，其溶解的 SO2增加，会使过多的 SO2随成品酸带出系统，不仅污染环境，还会给生产企业造成经济损失。因此，干燥塔的硫酸浓度是硫酸生产必须严格控制的工艺参数。目前，硫酸生产装收稿日期：2023-06-20。作者简介：张新华，男，中石化南京化工研究院有限公司高级工程师，主要从事在线分析仪开发工作。电话：[phone]；E-mail：。置大多采用超声波声速法在线测量干燥酸的硫酸浓度。在日常测量过程中，尤其是系统开车投运期间，存在杂质和气泡干扰，仪表示数频繁跳变，极大影响了硫酸浓度实时测量的准确性，进而影响整个系统的运行。笔者介绍了一种基于电导率原理的差温法硫酸浓度在线分析仪，既解决了电导率法在w(H2SO4)93%硫酸的浓度测量中存在的拐点问题，硫酸工业642023 年第 4 期也解决了超声波法存在的干扰问题，可以实时、连续、准确地测量干燥酸浓度。1常见干燥酸浓度在线测量方法超声波声速法硫酸浓度在线分析仪基于超声波在干燥酸中的传播速度与干燥酸浓度之间存在相关性的原理开发而成1，通过测量超声波在干燥酸中的传播速度，实现测量干燥酸浓度的目的，其测量原理示意见图 1。图1超声波声速法硫酸浓度在线分析仪测量原理示意在一个距离（L）固定的容器里，超声换能器产生的超声波经“发射面被测介质反射面”的路径传播。如果传播所需的时间为 t，则可得到声速 v=2L/t。硫酸中 w(H2SO4)在 91%95%，质量分数每变化 1%，将引起 19 m/s 的声速变化。通过对硫酸中超声波声速的测量，加上温度补偿就可以计算出干燥酸的浓度值。然而，各种基于超声波原理的测量仪器都存在一个明显的缺点，即被测溶液中的杂质尤其是气泡会对超声波的传输造成极大的干扰2。在硫酸装置首次开车投运或者系统异常时，极易影响干燥酸浓度的测量，主要表现为测量值频繁跳变，无法有效指导系统生产运行。2常规基于电导率原理的硫酸浓度在线测量方法硫酸溶液的浓度与密度、电导率、折射率及声速等多个物理量有关。其中电导率与溶液中的离子浓度成一定的比例关系，因此通过测量溶液的电导率可以测定硫酸溶液的浓度。几种常见溶液在 25 时的电导率与浓度的关系曲线见图 23。由图 2 可以看出，在某一特定温度下硫酸溶液的浓度与电导率存在对应关系，通过测量溶液的电导率和温度，可以计算出溶液浓度值。电导率传感器主要有电极式和电磁式两种。电极式电导率传感器因其金属电极直接接触溶液易发图225 时溶液电导率与浓度的关系曲线生腐蚀和极化的特点，主要用于非腐蚀性溶液的测量，对于腐蚀性强的酸碱溶液鲜有应用。电磁式电导率传感器的突出优点是感应元件不与待测溶液直接接触，采用合适的耐腐蚀材料将测量部件密封，可以实现对各种腐蚀性溶液浓度的测量，具有精度高、稳定性好、经久耐用、使用方便等优点，广泛地应用于各种工业领域的酸碱溶液浓度的在线连续监控。电磁式电导率测量是基于法拉第电磁感应原理，其测量原理示意见图 34。图3电磁式传感器测量原理示意将环形磁芯绕制的传感器放置于被测介质溶液中，包围传感器的溶液通过中心孔形成电解质溶液回路，溶液回路等效电阻 Re=K/Xe，式中 K 为传感器常数，Xe为溶液电导率。当励磁线圈的绕组输入一交流电压 U1时，副回路中（由被测介质构成）会产生感应电流 Ie。由于 Ie的作用，检测线圈绕组有感应电动势 U2产生。溶液回路感应电流 Ie的大小，由溶液电导率 Xe决定。这样在检测线圈上可得到随电导率变化的感应电动势 U2，通过计算能测量出溶液电导率。电导率法测量硫酸浓度一般采用分段式测量，即把多种浓度的工业硫酸分成不同浓度段进行测量，例如 028%、96%99%、103%109%。相对于全量程测量，采用分段法测量硫酸浓度主要是因为硫酸溶液的浓度在全量程范围内与电导率特性并65非单纯递增或者递减关系，而是以多段拐弯曲线的形式存在，如图 2 所示。那么在拐点附近的浓度呈现出一个电导率对应两个浓度的情况，单一的电导率测量无法判断硫酸浓度实际是哪个浓度值。一直以来，采用超声波而不采用电导率测量干燥酸的浓度也正是因为 w(H2SO4)93%硫酸溶液存在电导率拐点。基于电导率原理的硫酸浓度在线分析仪是基于不同浓度的硫酸溶液导电能力不同来进行浓度测量的，硫酸溶液中的气泡不会对其产生任何影响，部分具有导电性金属离子杂质的影响也可以通过误差修正消除。3差温法电导率硫酸浓度在线分析仪测量研究对常规电导率分析仪不能测量拐点附近浓度的问题，中石化南京化工研究院有限公司根据某一固定浓度的硫酸溶液在不同温度下电导率存在差异的特点，设计了全量程差温法电导率硫酸浓度在线分析仪，用于测量干燥酸的浓度，即采用双电磁传感器测量不同温度下同一干燥酸的电导率，结合硫酸溶液电导率理化数据确定干燥酸的浓度值。以w(H2SO4)91%95%的硫酸为例，其溶液电导率理化数据见表 1。表1硫酸溶液电导率理化数据w(H2SO4)/%电导率/(Scm-1)30 40 50 60 91.00.058 50.071 00.085 50.102 592.00.059 50.072 50.086 0 0.103 593.00.060 00.072 50.086 00.102 594.00.058 50.070 50.083 50.099 095.00.056 00.067 00.080 00.094 0差温法电导率硫酸浓度在线分析仪的电导率检测器安装示意见图 4。图4电导率检测器安装示意被测溶液通过检测器 1 检测后，通过流通管道引入检测器 2。流通管道上增加加热或者降温装置，用于改变被测溶液的温度，以实现差温电导率检测。由表1可以看出，干燥酸的电导率在w(H2SO4)93.0%存在拐点。假设分析仪检测器1测量的溶液温度为60、电导率为0.102 5 S/cm，此时对应的质量分数可能为91.0%或者93.0%，通过自然降温或其他冷却方式使溶液降温至30，此时若检测器2测量出的电导率为0.060 0 S/cm，则实际溶液的w(H2SO4)为93.0%；若检测器2测量出的电导率为0.058 5 S/cm，则实际溶液的w(H2SO4)为91.0%，这样通过两组不同温度下的电导率数据可以完成硫酸溶液浓度的测量。4差温法电导率硫酸浓度在线分析仪现场应用山东泰安某硫酸生产装置采用进口超声波硫酸浓度分析仪测量干燥酸浓度。仪表投运后，在系统开车过程中，由于干燥循环酸含有较多的杂质，仪表呈现出超声波传输干扰，出现测量值频繁大幅跳变现象，无法对干燥酸浓度进行有效监测。在系统稳定运行后，干燥循环酸几乎不含杂质的情况下，测量的硫酸浓度值也会出现偶然的跳变现象，失真的干燥酸浓度值直接影响了干燥酸浓度自动调节系统，给装置正常生产带来了极大的干扰。由于该硫酸生产装置采用酸冷却器对吸收高温干燥烟气后的干燥酸进行降温，酸冷却器进出口的硫酸存在温度差，符合差温法电导率硫酸浓度在线分析仪的温差要求，故在酸冷却器进出口分别安装电导率检测器进行干燥酸浓度的测量。差温法电导率硫酸浓度在线分析仪的电导率检测器安装位置示意见图 5，在线检测与人工采样化学分析比对数据见表 2。图5电导率检测器安装位置示意由表 2 可见，在线检测与人工采样化学分析结果的最大绝对误差为-0.07%，相对误差 1.2%，该张新华.基于电导率原理的干燥酸浓度在线分析仪硫酸工业662023 年第 4 期误差在仪表允许范围内（2%FS），表明分析仪测量准确，达到精度要求。同时，在该时间段提取 DCS系统运行曲线，数值平稳，没有出现跳变现象。现场运行结果表明，差温法电导率硫酸浓度在线分析仪达到了设计要求，测量干燥酸浓度稳定准确，解决了超声波声速法硫酸浓度在线分析仪运行的气泡及杂质干扰等问题。5结语采用差温法电导率硫酸浓度在线分析仪进行干燥酸浓度的测量具有稳定性强、准确性高、维护量低的优点，解决了超声波声速法硫酸浓度在线分析仪测定干燥酸浓度时分析仪测量示值跳变的问题，可以有效指导硫酸生产，实现干燥酸浓度自动调节控制功能，值得在国内硫酸装置中推广应用。参考文献：1 吴黎杰,蒋志迪,吴振谦.基于曲面拟合的超声波液体浓度高精度测量方法J.传感技术学报,2018,31(8):1169-1175。2 王耀艳.WSA制酸装置酸浓度计测量偏差大原因探讨J.商情,2015(32):344,362。3 张榛.感应式电导率计用于盐酸吸收工艺自动化控制的一种方案J.四川化工,2019,22(3):41-44.4 相亮.电磁感应式在线浓度计的开发及应用J.硫酸工业,2022(1):54-56.表2在线检测与人工采样分析数据对比日期检测器1检测器2w(H2SO4)测定值/%绝对误差/%电导率/(Scm-1)温度/w(H2SO4)/%电导率/(Scm-1)温度/w(H2SO4)/%在线检测化学分析04-050.102 160.193.10.061 037.593.293.1593.100.0583.586.004-060.101 060.493.50.059 137.293.493.4593.52-0.0790.491.504-070.103 160.292.60.059 837.492.692.6092.580.0291.593.204-080.099 060.194.00.058 636.893.993.9594.01-0.0689.491.104-090.102 160.390.80.058 237.590.990.8590.90-0.0593.194.604-100.103 260.592.60.059 937.292.592.5592.540.0191.593.104-110.103 160.292.50.059 037.991.591.5091.53-0.0391.493.504-120.103 860.391.60.059 236.592.492.3592.320.0392.393.404-130.098 060.294.20.058 035.494.294.2094.180.0289.090.504-150.012 560.793.00.060 036.593.093.0093.05-0.0591.02023年硫酸工业征订启事硫酸工业创刊于 1959 年，由中石化南京化工研究院有限公司主办，为硫与硫酸行业唯一国内外公开发行的国家级刊物，国家首批认定学术性期刊。重点报道国内外硫与硫酸工业的发展动态、技术进步成果，主要栏目：政策法规、市场分析、综述与专论、科研开发、硫黄回收、生产实践、烟气脱硫脱硝、硫铁矿利用、硫肥与复混肥、精细硫磷化工、节能与余热回收、设备与自动化等。2023 年硫酸工业为双月刊，中国标准连续出版物号 ISSN 1002-1507、CN 32-1126/TQ，邮发代号 28-20，全年定价 90 元。错过邮局订阅的读者可直接向编辑部办理订阅，订费 100 元/年（含挂号邮费）。欢迎订阅和投稿，欢迎刊登广告。投稿平台：http:/ 投稿邮箱： 电话：[phone]