硫酸與發(fā)煙硫酸應用--超聲波濃度計

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1. 背景介紹

硫酸（H2SO4）是重要的基礎化學制品之一，每年總計消耗高達2億噸。它的首要用途是制造無機化學肥料，其次是用于制造生產(chǎn)基本的化工原料，涉及領域廣泛分布在紡織印染、有色金屬的冶煉、無機鹽工業(yè)、石油化工和石油的精煉工作；偶爾也會用于生產(chǎn)無機酸和有機酸、油漆工業(yè)、橡膠工業(yè)以及煉焦、國防軍工、鋼鐵等工業(yè)領域。

SDU200分析儀對硫酸和發(fā)煙硫酸濃度測量的若干應用如下：

l H2SO4和發(fā)煙硫酸生產(chǎn)

l 肥料生產(chǎn)

l 合成氣干燥

l 刻蝕槽和酸洗槽

l 礦石加工

l 精煉廠催化

l 多種化學制品生產(chǎn)

2. 基于超聲波原理的硫酸與發(fā)煙硫酸的濃度測量范圍

V – 聲速   S – 超聲發(fā)射器與接收器之間的距離   t – 測量時間 

液體聲速取決于每種成分的濃度。通過該液體發(fā)送聲脈沖以確定聲速和濃度。在這情況下，直到脈沖到達接收器測量時間停止。由于超聲發(fā)射器與接收器之間的距離為固定的，聲速便可以得到計算。聲速、溫度和濃度之間的關系在每種液體中是不同的，實驗測量得到的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集存儲于SDU200控制器中用于計算正確的濃度。

2.1 硫酸

硫酸可用于氣體干燥，其測量范圍在80wt%到100wt%之間。

2.2 發(fā)煙硫酸

將SO3（三氧化硫）溶解于100%硫酸中可制得發(fā)煙硫酸，或稱其為焦硫酸。在游離SO3中，典型的測量濃度為0-60 wt%, H2SO4典型的測量濃度為100-115 wt%。

發(fā)煙硫酸主要用于以下方面：

l 制備高濃度硫酸

l 生產(chǎn)己內(nèi)酰胺及尼龍

l 與硝酸結合進行硝化

發(fā)煙硫酸通過吸收發(fā)煙硫酸吸收塔中的SO3進行生產(chǎn)。SDU200傳感器在20 - 30 wt%和50 - 60 wt%的發(fā)煙硫酸濃度范圍內(nèi)具有優(yōu)秀的工藝控制能力。

2.3 硫酸和發(fā)煙硫酸

通過混合硫酸和發(fā)煙硫酸，可調(diào)節(jié)任何濃度的高濃縮硫酸。調(diào)節(jié)過程需要對濃度進行連續(xù)在線監(jiān)測。由于發(fā)煙硫酸具有潛在危險，不得應用于某些吸收工藝中，集成到SDU200分析儀的警告信號會對潛在危險提早發(fā)出警告，且該信息會從該分析儀的外圍發(fā)送到工藝控制系統(tǒng)。

聲速過程在100 wt%處有一拐點。因此，一臺傳感器不足以實現(xiàn)工藝流體硫酸/發(fā)煙硫酸的測量。為此，SDU200系統(tǒng)附加一個密度傳感器，兩個傳感器雙管齊下提高硫酸和發(fā)煙硫酸聲速測量。從而保證準確可靠的濃度測量。

超聲傳感器包括兩個確定溫度的溫度傳感器，該溫度將被發(fā)送到計算濃度的SDU200控制器。即使在工藝條件劇烈波動的情況下，SDU200分析儀也能高精度地操控溫度補償。

3. 主要硫酸與發(fā)煙硫酸生產(chǎn)工藝

H2SO4生產(chǎn)工藝主要包括兩種，“雙轉(zhuǎn)雙吸”（DCDA）工藝和濕法硫酸（WSA）工藝。“雙轉(zhuǎn)雙吸”（DCDA）工藝，是以V2O5催化劑生產(chǎn)高濃縮H2SO4和發(fā)煙硫酸為特點的工藝。濕法硫酸（WSA）工藝工藝發(fā)展于1980年，早的應用是從多種工藝氣體中脫硫。

3.1 雙轉(zhuǎn)雙吸工藝（DCDA）

DCDA采用各種在不同反應中合成為二氧化硫的原材料。含SO2氣體首先進入用于脫除該氣體水分的干燥塔，緊接著該氣體通過轉(zhuǎn)化爐中的三個催化劑床后被氧化成SO3:
SO2 + 0.5 O2 →  SO3

之后SO3進入中間吸收塔（IAT）。SO3與含水量為98 wt%的H2SO4反應可形
成超濃縮H2SO4: 
SO3 + H2O →H2SO4

為避免環(huán)境污染，離開IAT的含SO2廢氣需再次通過該轉(zhuǎn)化爐，以便在終吸收塔（FAT）中制備用于加工成濃縮H2SO4的SO3。
DCDA工藝形成作為中間產(chǎn)物的發(fā)煙硫酸，包括富含SO3的100 wt% H2SO4——也稱為焦硫酸。

DCDA工藝中的測量點

3.2 濕法硫酸工藝

過去由于多種工業(yè)制造工藝的原料會產(chǎn)出SO2廢氣，初發(fā)展WSA工藝是為了去除這些廢氣中的硫組分。      
與DCDA不同的是，SO2氣體中殘留有水汽。由于特殊含釩催化劑的存在，水汽對轉(zhuǎn)爐中從SO2到SO3的催化氧化無不良影響。

終SO3氣體進入WSA冷凝器，其中水汽冷凝將SO3轉(zhuǎn)化為H2SO4。
典型的H2SO4的產(chǎn)品濃度為98 wt%。

WSA工藝中的測量點

4. 客戶收益

SDU200傳感器對硫酸濃度有高聲速靈敏性，精度可達到高達±0.03 wt%。
SDU200通過在如下圖所示的80 - 100 wt%H2SO4濃度范圍內(nèi)生成明確信號，克服了電導率和密度的雙重靈敏度難題，從而提供可靠實時的工藝數(shù)據(jù)。
當酸降解到低于95wt%的高腐蝕水平時，SDU200可檢測該“失控的”臨界值酸以控制熱交換器或者其他構件損壞的可能性，提高了工藝安全性和控制作用。