氯含氫分析儀在氯氣總管在線監測中的應用

氯含氫分析儀在氯氣總管在線監測中的應用

王煉翃¹，陳益強¹，黃永蘭¹，韓文業²

（1.南寧化工股份有限公司,廣西 南寧 530031; 2. HITECH儀表北京辦事處,北京 100020）

[摘要]本文闡述了氯含氫分析儀的工作原理，指出了在氯氣總管在線監測氯氣純度、氯含氫中必須解決的3個問題，根據安裝調試中出現的排水不暢、氫氣讀數偏低以及干燥器堵塞等問題，完善了氯含氫分析儀配套輔助設施，使之更符合安全生產的需要。

[關鍵詞]：氯含氫；在線監測；氯氣總管；燒堿生產

Application of hydrogen in chlorine gas analyser on-line monitoring for chlorine gas trunk pipeline

Wang Lian-hong¹, Chen Yi-qiang¹, Huang Yong-lan¹, Han Wen-ye²

（1.Nanning Chemical Industry Co. Ltd., Nanning, Guangxi 530031;

2. Hitech Instruments Ltd. Beijing office, Beijing, 100020）

Abstract: This article describes the operating principle of hydrogen in chlorine gas analyser and points out 3 issues that must be resolved for on-line monitoring of the purity of chlorine gas and hydrogen in chlorine gas from chlorine gas trunk pipeline. Emerging 3 issues in analyzer installation and debugging process: poor drainage, low readings and plug dryer. Under these issues improve the ancillary facilities for analyzer that to meet the needs of production safety.

Keyword: hydrogen in chlorine analysis; on-line monitoring; chlorine gas trunk pipeline; caustic soda production

1  概述

氯氣和氫氣是電解食鹽水生產燒堿過程中必然產生的產品。氫氣是極易燃燒的氣體，氯氣是氧化性很強的有毒氣體，一旦兩種氣體混合極易發生爆炸，當氯氣中含氫量處于爆炸范圍之內時，則隨時可能在光照或受熱情況下發生爆炸。在氯堿行業中，氯氣總管中含氫增高發生爆炸事故并不鮮見。造成氫氣和氯氣混合的原因主要是：陽極室內鹽水液面過低；電解槽氫氣出口堵塞，引起陰極室壓力升高；電解槽的隔膜吸附質量差；石棉絨質量不好；在安裝電解槽時碰壞隔膜，造成隔膜局部脫落；送電前注入的鹽水量過大將隔膜沖壞等，這些情況都可能引起氯氣中含氫量增高，達到爆炸極便易發生爆炸，產生嚴重的后果。氫氣在氯氣中的爆炸范圍（體積百分比）為5.5%～89%。因此，《氯氣安全規程（GB 11984-89）》規定氯氣總管中含氫應≤0.4%。所以為確保電解過程的安全運行，必須嚴格控制氯氣總管中的氯含氫指標。開車初始階段zui容易發生氯氣總管中的氯含氫進入爆炸極限范圍這種情況，所以，一些企業為了嚴密監測開車階段氯氣總管中的氯含氫，每間隔2分鐘甚至更短的時間就取樣分析，動用大量的人力物力。

對于氯氣總管中氫含量的分析方法，目前廣泛應用的是燃燒法或是爆炸法，其檢測手段較落后，既不準確而且由于取樣時有氯氣泄漏，對操作人員有危害。另外一種常用的分析方法是色譜分析，其操作復雜，維護麻煩，且費用較高，每半年更換一次色譜柱；并且分析結果遠遠滯后，不能實時監測。因此，尋找快捷、準確、安全的分析手段來分析氯氣總管的氫氣含量一直是氯堿行業的主要課題之一。

而氯含氫分析儀測量準確，校驗簡單、方便、安全，基本上無維護費用并且使用壽命長，可以滿足氯氣總管中氯含氫的分析需要。基于上述原因，南寧化工股份有限公司在國內采用了Hitech公司的KK650氯含氫分析儀，用于隔膜燒堿裝置的氯氣總管在線監測氯氣純度、氯含氫這2個指標。

2  氯含氫分析儀的組成及其工作原理

2.1  氯含氫分析儀的組成

氯含氫分析儀由取樣系統、樣氣處理系統、傳感器系統和控制顯示系統等模塊組成，其原理簡圖見圖1。

圖1  氯含氫分析儀原理簡圖

2.1  氯含氫分析儀的工作原理

如圖1，樣氣經過取樣系統取樣后進入樣氣處理系統，除去顆粒雜質、鹽及水分，然后通過傳感器系統（傳感器/反應爐），這個傳感器系統由兩個熱導檢測器構成，在兩個檢測器間有一個反應爐。首先檢測樣氣的熱導系數，然后通過反應爐，使氫氣反應。反應后的氣體通過第二個檢測器。這兩個檢測器所測熱導系數的差就是樣氣中氫氣的含量。數據經過控制/顯示表顯示出來。圖2是氯含氫分析儀原理圖。

1.氮氣進口；2. 校驗氣進口；3. 濕樣氣進口；

4.過濾器；5.集水瓶；6.干燥器；7.傳感器組件；

8.石英反應爐管；9.反應爐；10.樣氣流量計；

11.氣流泵；12.氮氣流量計；13.尾氣去廢氣處理

圖2  氯含氫分析儀原理圖

3  氯含氫分析儀在氯含氫在線監測中的應用

3.1  在氯氣總管使用氯含氫分析儀必須首先解決的3個問題

3.1.1  取樣

一般氯氣總管處于微負壓，因此樣氣不會自動進入氯含氫分析儀，需要借助泵。考慮到穩定運行和盡量減少維護工作，一般采用水流泵或者氣流泵。本例根據現場情況采用氣流泵從氯氣總管抽吸樣氣進入氯含氫分析儀。

采用氣流泵的好處是一則可以方便地得到真空，二則由于沒有運動部件，免除日常維護工作。

3.1.2  安裝地點

氯含氫分析儀應該盡可能安裝在取樣點附近。因為一般氯氣總管的壓力為微負壓，樣氣通過氣流泵抽到反應爐。如果氯含氫分析儀里到取樣點的距離太遠，增加了取樣管道分析儀到取樣點的壓力降，需要增加抽吸真空度。同時，如果取樣點的距離太遠，導致取樣管道增長，管道中的樣氣從氯氣總管到達氯含氫分析儀的時間增加，從而造成分析數據滯后時間長。因此，取樣管道應盡量短。

3.1.3  樣氣干燥

如果樣氣中含水，當樣氣通過反應爐時，水會與少量氯氣反應生成氧氣和。這樣在第二個檢測傳感器里出現的氧會使氫氣的讀數偏低。同時，因為濕氯氣對金屬具有很強的腐蝕能力，而干氯氣對金屬的腐蝕能力相對弱了很多。基于以上原因，必須把樣氣干燥到 -10°C以下露點。

從氯氣總管取得的樣氣通常為濕氯氣，含水很高，約20%，在進入氯含氫分析儀前必須經過干燥。分析儀成套提供了2級干燥。首先通過濾水器除去樣氣中的液態水，然后通過干燥的氮氣除去樣氣中的氣態水。這2級干燥都通過膜技術來完成。

3.2 安裝調試

在通入樣氣前詳細檢查所有的管路連接。氯氣是劇毒、強腐蝕性氣體，必須確保沒有泄漏，尤其要確保所有的連結件已充分緊固，并且確認易碎的反應爐管沒有損壞。在儀表初始化后，顯示表將指示其正等待反應爐溫度達到其工作溫度。到達正常工作溫度（725℃）后，分析儀將自動進入正常檢測模式。把樣氣流量控制在100～300 ml/min 之間，進入正常檢測模式后按如下順序執行校驗過程：①用空氣進行零點校驗；②用含2%氫氣的空氣校驗氫氣量程；③用99% Ar或組份已知的工藝樣氣校驗氯氣量程。執行校驗過程中，必須確保樣氣管路中的其它氣體全部被正在校驗的標準氣體取代，否則將出現誤差。

校驗氯氣量程的更便捷的方式是使用工藝樣氣，當然，前提是通過另外形式的、可靠的分析方法，確切知道樣氣組份濃度。

3.3  運行中出現的問題

從安裝調試完成后，即投入生產運行，總的情況較好，但是也出現了一些問題。

3.3.1 過濾器排水不暢

在投入運行2天時間后，發現分析儀的讀數出現問題：氯氣含量讀數在5%以下，氫氣含量讀數為負數，明顯與實際情況不相符。經過分析，可能是樣氣管路堵塞造成的。檢查分析儀器后發現，是過濾器中的氯水不能排放出來，整個過濾器的膜過濾器件全部泡在氯水中，樣氣無法通過。主要原因是過濾器排水管道內徑小（φ4）、集水器容積小（10ml），zui關鍵是沒有平衡管，導致水不能排放到集水器中，針對這些原因，在集水器與過濾器之間增加平衡管，同時更換大容積的集水器，該問題得以解決。

對于集水器容積大小可以依據集水器集中排水周期的需要確定的。根據實際測量，過濾器每天排水約40ml，如果選擇2500ml的集水器，則可以滿足30天的集水需要。太小排水周期短，排水次數增加，太大增加了取樣系統內樣氣數量，造成分析數據滯后時間延長。

3.3.2 氫氣讀數偏低

在解決過濾器排水不暢之后又出現了氫氣含量接近0.00%的讀數，與實際情況有較大誤差。分析其原因可能是在解決過濾器排水問題中增加的集水器的材質是透明的玻璃，由于氫氣和氯氣是光感氣體，在經過透明的玻璃集水器過程中，氫氣和氯氣在光照條件下已經發生了反應，所以導致出現氫氣含量接近0.00%的讀數。解決該問題的措施是采用棕色玻璃瓶集水器，同時使用黑色布罩罩住集水器，確保樣氣通過的管路是避光的。經過改進后，該問題圓滿解決。

3.3.3 干燥器堵塞

在運行約15天后，出現樣氣流量接近零，同時顯示表的讀數異常，經過檢查后，判定是干燥器堵塞。拆下干燥器后發現干燥膜變形，本來是圓管的干燥膜全部被壓扁，局部還出現打折現象。在用純水進行清洗后，并將干燥膜內部通入氮氣，外部泡入純水中約10小時，之后干燥膜的形狀恢復為圓管形狀。

分析干燥膜變形的原因是處于干燥膜外部的干燥用氮氣壓力太大，達到0.3MPa，同時干燥膜內部抽真空，在外壓內吸的情況下發生變形。解決問題的根本是降低處于干燥膜外部的干燥用氮氣壓力。經過分析，干燥用氮氣壓力不需要太大，只要保證其流量是樣氣流量的5倍以上即可。這樣我們將干燥用氮氣由原來與氣流泵串聯改為并聯方式，使干燥用氮氣與氣流泵用氮氣分別調節。經過改造后，樣氣流量同樣在150ml/min的情況下，氣流泵的氮氣壓力由原來的0.3MPa降低為0.075MPa。而進入干燥器的氮氣壓力保持在0.01MPa以下即可維持干燥用氮氣的流量在3L/min。

3.4  使用小結

氯含氫分析儀在南寧化工股份有限公司的應用是成功的，由于該儀器在國內是*次應用到氯氣總管上在線測量氯氣純度和氯含氫，在使用過程中出現了一些小問題，經過對集水瓶和氮氣管路等環節進行改進后，解決了排水不暢、氫氣讀數偏低以及干燥器堵塞的問題，滿足安全生產的需要。改進后的儀器運行更加穩定可靠。圖3是改造后的氯含氫分析儀原理圖。

1.氮氣進口；2. 校驗氣進口；3. 濕樣氣進口；

4.過濾器；5.集水瓶；6.干燥器；7.傳感器組件；

8.石英反應爐管；9.反應爐；10.樣氣流量計；

11.氣流泵；12.氮氣流量計；13.尾氣去廢氣處理；

14.氮氣去保護機柜

圖3  改造后的氯含氫分析儀原理圖

4  結語

氯含氫分析儀實現了氯氣純度及氯含氫的在線分析，全自動取樣，無需人工采樣，減少泄漏可能，對操作人員非常安全；傳感器不受樣氣和環境壓力波動的影響，運行穩定；并且響應快速，直接顯示讀數，還可以與DCS系統連接，對操作和讀數人員無特殊要求。在維護方面，每年僅需要1～2次的儀器校驗，校驗方法簡單，操作方便。分析數據經過與化學分析法所得數據經過對比，相互之間的差距很小。

總之，在氯氣總管上應用KK650氯含氫分析儀對氯氣純度及氯含氫的在線監測可以便捷、安全地得到氯氣純度及氯含氫數據，實現了在線監測氯氣總管氯氣純度、氯含氫，達到了氯氣質量監測和安全監測的雙重目的。對于指導燒堿電解系統的安全生產具有重要意義。

參考文獻

[1] KK650 Hydrogen in Chlorine Gas Analyser （130-0171 Issue 3）[M]. Bedfordshire, England: Hitech Instruments，2008

[2] GB 11984-1989  氯氣安全規程[S].