SensoTech公司的超聲波濃度計應用-硫酸與發煙硫酸
1. 背景介紹
硫酸（H2SO4）是最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、石油化工和石油的精煉工作；偶爾也會用于生產無機酸和有機酸、油漆工業、橡膠工業以及煉焦、國防軍工、鋼鐵等工業領域。
LiquiSonic®分析儀對硫酸和發煙硫酸濃度測量的若干應用如下：
l H2SO4和發煙硫酸生產
l 肥料生產
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
2. 基于超聲波原理的硫酸與發煙硫酸的濃度測量范圍
V – 聲速 S – 超聲發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，實驗測量得到的產品數據集存儲于LiquiSonic®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 發煙硫酸
將SO3（三氧化硫）溶解于100%硫酸中可制得發煙硫酸，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%。
發煙硫酸主要用于以下方面：
l 制備高濃度硫酸
l 生產己內酰胺及尼龍
l 與硝酸結合進行硝化
發煙硫酸通過吸收發煙硫酸吸收塔中的SO3進行生產。LiquiSonic®傳感器在20 - 30 wt%和50 - 60 wt%的發煙硫酸濃度范圍內具有優秀的工藝控制能力。
2.3 硫酸和發煙硫酸
通過混合硫酸和發煙硫酸，可調節任何濃度的高濃縮硫酸。調節過程需要對濃度進行連續在線監測。由于發煙硫酸具有潛在危險，不得應用于某些吸收工藝中，集成到LiquiSonic®分析儀的警告信號會對潛在危險提早發出警告，且該信息會從該分析儀的外圍發送到工藝控制系統。
聲速過程在100 wt%處有一拐點。因此，一臺傳感器不足以實現工藝流體硫酸/發煙硫酸的精確測量。為此，LiquiSonic®40系統附加一個密度傳感器，兩個傳感器雙管齊下提高硫酸和發煙硫酸聲速測量的精確性。從而保證準確可靠的濃度測量。
超聲傳感器包括兩個精確確定溫度的溫度傳感器，該溫度將被發送到計算濃度的LiquiSonic®控制器。即使在工藝條件劇烈波動的情況下，LiquiSonic®40分析儀也能高精度地操控溫度補償。
3. 主要硫酸與發煙硫酸生產工藝
H2SO4生產工藝主要包括兩種，“雙轉雙吸”（DCDA）工藝和濕法硫酸（WSA）工藝。“雙轉雙吸”（DCDA）工藝，是以五氧化二釩（V2O5）催化劑生產高濃縮H2SO4和發煙硫酸為特點的工藝。濕法硫酸（WSA）工藝工藝發展于1980年，最早的應用是從多種工藝氣體中脫硫。
3.1 雙轉雙吸工藝（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
為避免環境污染，離開IAT的含SO2廢氣需再次通過該轉化爐，以便在最終吸收塔（FAT）中制備用于加工成濃縮H2SO4的SO3。
DCDA工藝形成作為中間產物的發煙硫酸，包括富含SO3的100 wt% H2SO4——也稱為焦硫酸。
DCDA工藝中的LiquiSonic®測量點
3.2 濕法硫酸工藝
過去由于多種工業制造工藝的原料會產出SO2廢氣，最初發展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，水汽對轉爐中從SO2到SO3的催化氧化無不良影響。
最終SO3氣體進入WSA冷凝器，其中水汽冷凝將SO3轉化為H2SO4。
典型的H2SO4的產品濃度為98 wt%。
WSA工藝中的LiquiSonic®測量點
4. 客戶收益
LiquiSonic®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%。
LiquiSonic®通過在如下圖所示的80 - 100 wt%H2SO4濃度范圍內生成明確信號，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據。
當酸降解到低于95wt%的高腐蝕水平時，LiquiSonic®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。
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