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摘要：本文討論了采用多效真空蒸發技術處理多晶硅生產廢水時，蒸發罐液位控制方案的綜合設計,供同行討論參考。
關鍵詞：多晶硅生產廢水；串級控制回路；接液材質
1前言
近年來，隨著國家對環境保護越來越重視，針對企業排放的各類新標準不斷推陳出新，越來越多的環保項目紛紛上馬。實現水資源的梯級利用和廢水零排放，已經現實的擺在了各類企業的面前。其中，我院源自制鹽行業的多效真空蒸發技術經過各類試驗驗證后，在氣田采出水、多晶硅生產廢水等多個高含鹽廢水處理項目中得以實際應用，并取得了很好的社會效益。本文將根據我院2018年設計的某多晶硅生產廢水處理EPC項目的實際經驗，針對該工藝中最重要的蒸發罐液位控制方案進行分析和討論。
2多晶硅生產廢水處理的工藝介紹
我院設計的該多晶硅生產廢水處理裝置，其進水水質比較單一，其主要成分是氯化鈣溶液。其中Cl-含量為19000~32000mg/L,全堿度（以CaCO3計）為107mg/L。在整個蒸發系統中，主要由一套MVR加I效、II效、III效蒸發罐組成，料液經過前端的預處理裝置后首先進入MVR，接著依次進入III效、II效和I效蒸發罐然后排出到后端處理裝置進行末尾處理，整個物料過程為逆向進料。在整個蒸發系統中，裝置采用連續運行的方式，料液先經過MVR濃縮到20~25%后，再進入后面三效進行蒸發，過程中各段蒸汽冷凝水中氯離子＜300ppm，最終產品為四水氯化鈣。而在設計濃度下的氯化鈣溶液隨溫度的升高，其腐蝕性亦隨之升高。同時氯化鈣在高溫時呈現溶液狀態，但溫度一旦開始降低，則很快會成為果凍狀甚至凝固而堵塞管道和閥門。因此在制定自控方案時為達到工藝要求，需要考慮以下幾點：一是各效的排料時機需要與溫度匹配；二是因為介質強烈的腐蝕特性需要選擇相匹配的接液材質；三是同時要注意選擇閥門的結構形式，防止堵塞。因此，雖然是運用成熟的真空蒸發技術，但是因為物料特性的不同，在實際操作中工藝流程參數控制與以往的真空制鹽是有很大區別的。
3蒸發罐液位控制方案
在普通的真空蒸發系統中，重點是要控制好蒸發罐的液位，防止液位過高或者過低引起生產事故和安全事故。但是對控制精度的容忍度卻并不是要求太高，故而對單臺蒸發罐液位采取普通的單回路PI控制即可。而按前述，在一定的濃度下，蒸發罐各效的排料時機與蒸發罐內料液的溫度是息息相關的，而進料和排料又會反過來影響了蒸發罐的液位。因此多晶硅生產廢水處理裝置中蒸發罐的控制不能采用普通的單回路PI控制，需要在其中加入溫度變量?？紤]的方案如下：由上一效的蒸發罐料液溫度作為主被控變量，本效蒸發罐液位作為副被控變量，再加上本效蒸發罐進料調節閥（也即上一效的排料調節閥），組成串級控制回路。這樣可以通過判斷料液溫度和液位的高低來調節閥門的開度以達到控制上一效蒸發罐的排料時機以及本效料液高度的目的。這里各效蒸發罐之間的控制不再是獨立的，而是結合成一個相互關聯的整體。在本系統中，MVR轉料III效蒸發罐、III效蒸發罐轉料II效蒸發罐、II效蒸發罐轉料I效蒸發罐均采用此控制方案。另外，MVR作為進料首效，不再需要考慮上一效的排料溫度，因此僅對本身的蒸發罐液位進行控制即可，即采用普通的單回路液位PI調節回路，如圖3所示；而I效作為蒸發系統的末位蒸發罐，其液位已與II效蒸發罐料液溫度組成了串級控制，因此僅需要控制其排料時的溫度，即測量其蒸發罐料液溫度，并在排料管上設置調節閥，它們組成單回路溫度PID調節回路。以上三個控制回路就組成了多晶硅廢水蒸發系統蒸發罐的控制方案。
4硬件的配置與選擇
4.1接液材質的選擇
除了控制方案的選擇外，另一個比較重要的就是接液材質的選擇。因為氯化鈣溶液有強烈的腐蝕性，接液材質不能使用常規的S31603。而且由于其腐蝕性隨著溶液溫度的升高而繼續增大，因此在不同的溫度條件下，接觸料液的材質選擇還有所不同。所以在接觸料液溫度相對較高的I效、II效蒸發罐和MVR料液的接液材質選擇的是耐腐蝕性能優異的TA10（料液溫度在100℃以上），而溫度相對低的III效蒸發罐采用則是稍次一級的TA2（料液溫度在100℃以內）。需要注意的是，鉭在含有Cl-的溶液中本應有較好的耐腐蝕效果，但此工程的料液環境因工藝的需要調節pH值在5~12之間，而鉭在堿性環境下的Cl-溶液中其耐腐蝕性大大降低，因此不能采用鉭。在整個控制回路中，直接與料液接觸的有液位變送器的膜片、調節閥的閥體和閥芯以及一體化溫度變送器的套管，以上部件的材質選擇均遵循上述原則。
4.2調節閥的選擇
料液管道上調節閥的選擇，一是為了防止結垢堵塞閥門選擇了偏心旋轉閥。該閥芯型式流路簡單，kV值大，自潔性能好，非常適合氯化鈣介質；第二個比較重要的是為了防止氯化鈣溶液在流經閥門時因溫度降低而引起結凍堵塞，調節閥應增加夾套伴熱，通過外輸蒸汽保證流經閥門的料液溫度不變以維持工藝流程的正常穩定；三是要滿足正常調節時更加的平穩準確，小開度時調節平穩而緩和，大開度時調節靈敏而有效的需要，因此選擇閥門的流量特性為等百分比；四是閥門采用故障關式。當驅動源突然消失或者閥門故障時能夠自動關閉，可以防止料液繼續進入罐內造成翻液事故，污染循環水系統；五是閥門上配置手輪機構，可以在自動調節失效的特殊情況下手動調節閥門的開度，可以起到應急保障生產的作用。最后應根據閥前壓力和壓差計算Cv值以確定閥門的口徑。
4.3液位傳感器的選擇
各效蒸發罐的液位測量采用的均是安裝簡易、維護方便、使用可靠的雙法蘭液位變送器。具體是在蒸發罐的直段設置一截旁通管，旁通管上預留法蘭，法蘭的規格與液位變送器的法蘭規格應保持一致?？紤]防止堵塞采用的是口徑較大的DN80的凸面法蘭。液位變送器安裝在旁通管上，旁通管的阻尼可以減小液位波動帶來的液位測量誤差。
4.4溫度傳感器的選擇
各效蒸發罐料液的溫度測量采用的則是一體化溫度變送器。感溫元件選擇為PT100的鉑熱電阻，采用DN40的凸面法蘭方便連接。法蘭以下插入長為550mm可以充分接觸罐內料液測量更加準確。同時考慮到管內料液是不斷循環流動的，因此增加了錐形保護套管，此種型式的套管有更好的機械強度防止因料液沖擊損壞插入部分。
4.5DCS的配置
在蒸發系統中，控制好蒸發罐的液位才能保證整套裝置能夠按設計能力生產運行，并且不會因為液位過高或過低產生生產事故或安全事故，是整個蒸發工藝的核心控制要求。因此在DCS系統配置時，控制回路的可靠合理性應在整套控制系統中是最高的。故將前述控制回路中液位變送器測量所得的液位信號、蒸發罐料液溫度信號以及由DCS送出的控制調節閥開度的控制信號均做好冗余設置，采用專門的冗余I-O卡件，與其余卡件完全物理分開。同時，應對上述AI/AO點配置好信號隔離器，加強其隔離能力和抗電磁干擾。以上措施均可以增加整個檢測控制回路的穩定性和可靠性，保障裝置的平穩運行。
4.6其他
在信號傳輸上，采用計算機專用電纜：銅芯聚乙烯絕緣，聚氯乙烯護套，編制分、總屏蔽電纜，相較于其他類型的電纜有更好的屏蔽效果。安裝時需按要求對信號電纜做好信號屏蔽接地、電纜保護穿管做好保護接地、DCS系統也需要做好可靠的工作接地和保護接地，這樣可以很好的起到保護設備和人身安全、抑制干擾的作用。需要注意的是，控制回路不應采用無線傳輸協議，必須采用硬接線的方式，以防止因自身信號不穩、外部干擾等因素造成控制回路的突然失效，從而釀成生產事故。
5結論
經過多項工程的實際運用，制鹽行業傳統的多效真空蒸發工藝已經被證明適用于多種高含鹽廢水的脫鹽處理。但是其核心的蒸發罐控制方案卻需要根據不同的工藝介質及要求做出相應的調整。在一般情況下，只需調整相應接液材質即可，但多晶硅生產廢水中含有氯化鈣，不僅需要選擇合適的接液材質，還應從自動控制回路、檢測設備和執行設備的結構形式、以及安裝等各方面綜合考慮制定適宜的控制方案，以保障生產的順利進行。
參考文獻
[1]陸德民.石油化工自動控制設計手冊[M],化學工業出版社，2000年1月第三版.
[2]謝懷仁，王成林.石油化工儀表自控系統應用手冊[M].化學工業出版社,2014年10月第一版.
作者:王宇 單位:自貢市輕工業設計研究院有限責任公司