SensoTech公司的超声波浓度计应用-硫酸与发烟硫酸

1. 背景介绍

硫酸（H2SO4）是最重要的基础化学制品之一，每年总计消耗高达2亿吨。它的首要用途是制造无机化学肥料，其次是用于制造生产基本的化工原料，涉及领域广泛分布在纺织印染、有色金属的冶炼、无机盐工业、石油化工和石油的精炼工作；偶尔也会用于生产无机酸和有机酸、油漆工业、橡胶工业以及炼焦、国防军工、钢铁等工业领域。

LiquiSonic®分析仪对硫酸和发烟硫酸浓度测量的若干应用如下：

l H2SO4和发烟硫酸生产

l 肥料生产

l 合成气干燥

l 刻蚀槽和酸洗槽

l 矿石加工

l 精炼厂催化

l 多种化学制品生产

2. 基于超声波原理的硫酸与发烟硫酸的浓度测量范围

V – 声速   S – 超声发射器与接收器之间的距离   t – 测量时间

液体声速取决于每种成分的浓度。通过该液体发送声脉冲以确定声速和浓度。在这情况下，直到脉冲到达接收器测量时间停止。由于超声发射器与接收器之间的距离为固定的，声速便可以得到计算。声速、温度和浓度之间的关系在每种液体中是不同的，实验测量得到的产品数据集存储于LiquiSonic®控制器中用于计算正确的浓度。

2.1 硫酸

硫酸可用于气体干燥，其测量范围在80wt%到100wt%之间。

2.2 发烟硫酸

将SO3（三氧化硫）溶解于100%硫酸中可制得发烟硫酸，或称其为焦硫酸。在游离SO3中，典型的测量浓度为0-60 wt%, H2SO4典型的测量浓度为100-115 wt%。

发烟硫酸主要用于以下方面：

l 制备高浓度硫酸

l 生产己内酰胺及尼龙

l 与硝酸结合进行硝化

发烟硫酸通过吸收发烟硫酸吸收塔中的SO3进行生产。LiquiSonic®传感器在20 - 30 wt%和50 - 60 wt%的发烟硫酸浓度范围内具有优秀的工艺控制能力。

 

2.3 硫酸和发烟硫酸

通过混合硫酸和发烟硫酸，可调节任何浓度的高浓缩硫酸。调节过程需要对浓度进行连续在线监测。由于发烟硫酸具有潜在危险，不得应用于某些吸收工艺中，集成到LiquiSonic®分析仪的警告信号会对潜在危险提早发出警告，且该信息会从该分析仪的外围发送到工艺控制系统。

声速过程在100 wt%处有一拐点。因此，一台传感器不足以实现工艺流体硫酸/发烟硫酸的精确测量。为此，LiquiSonic®40系统附加一个密度传感器，两个传感器双管齐下提高硫酸和发烟硫酸声速测量的精确性。从而保证准确可靠的浓度测量。

超声传感器包括两个精确确定温度的温度传感器，该温度将被发送到计算浓度的LiquiSonic®控制器。即使在工艺条件剧烈波动的情况下，LiquiSonic®40分析仪也能高精度地操控温度补偿。

3. 主要硫酸与发烟硫酸生产工艺

H2SO4生产工艺主要包括两种，“双转双吸”（DCDA）工艺和湿法硫酸（WSA）工艺。“双转双吸”（DCDA）工艺，是以五氧化二钒（V2O5）催化剂生产高浓缩H2SO4和发烟硫酸为特点的工艺。湿法硫酸（WSA）工艺工艺发展于1980年，最早的应用是从多种工艺气体中脱硫。

3.1 双转双吸工艺（DCDA）

DCDA采用各种在不同反应中合成为二氧化硫的原材料。含SO2气体首先进入用于脱除该气体水分的干燥塔，紧接着该气体通过转化炉中的三个催化剂床后被氧化成SO3:
SO2 + 0.5 O2 →  SO3

之后SO3进入中间吸收塔（IAT）。SO3与含水量为98 wt%的H2SO4反应可形
成超浓缩H2SO4:
SO3 + H2O →H2SO4

为避免环境污染，离开IAT的含SO2废气需再次通过该转化炉，以便在最终吸收塔（FAT）中制备用于加工成浓缩H2SO4的SO3。
DCDA工艺形成作为中间产物的发烟硫酸，包括富含SO3的100 wt% H2SO4——也称为焦硫酸。

 

DCDA工艺中的LiquiSonic®测量点

3.2 湿法硫酸工艺

过去由于多种工业制造工艺的原料会产出SO2废气，最初发展WSA工艺是为了去除这些废气中的硫组分。
与DCDA不同的是，SO2气体中残留有水汽。由于特殊含钒催化剂的存在，水汽对转炉中从SO2到SO3的催化氧化无不良影响。

最终SO3气体进入WSA冷凝器，其中水汽冷凝将SO3转化为H2SO4。
典型的H2SO4的产品浓度为98 wt%。

WSA工艺中的LiquiSonic®测量点

4. 客户收益

LiquiSonic®传感器对硫酸浓度有高声速灵敏性，精度可达到高达±0.03 wt%。
LiquiSonic®通过在如下图所示的80 - 100 wt%H2SO4浓度范围内生成明确信号，克服了电导率和密度的双重灵敏度难题，从而提供可靠实时的工艺数据。
当酸降解到低于95wt%的高腐蚀水平时，LiquiSonic®可检测该“失控的”临界值酸以控制热交换器或者其他构件损坏的可能性，提高了工艺安全性和控制作用。

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