智能pH控制及在化工过程控制中的应用数字压力表

智能pH控制及在化工过程控制中的应用

智能pH控制及在化工过程控制中的应用 2011年12月10日 来源： 0　引 言

大量化工过程（如农药和医药生产，制皂，味精提炼，洗涤剂生产等）都需要对其化学反应过程中的pH值进行控制。虽然，关于pH值的检测与控制并非一个新课题，但要取得良好效果也并非易事，原因在于酸碱中和反应中的pH值变化通常呈非线性特性，以及反应过程一般在大容器中进行，从中和剂加入到pH值变化所需时间很长，这一严重的非线性与时滞特性给pH控制带来极大困难，不仅难以控制准确，而且还浪费大量中和剂。　　本文介绍一种基于知识库构成的智能pH控制系统。其特点是，能根据反应过程的不同阶段自动调整控制方式，以达到最佳控制效果。目前它已在农药提炼过程中得到应用，并取得了良好效果。

1　工业化工过程pH值变化与控制特点

pH值是酸碱中和反应中对溶液酸碱度的定义。在化工过程中，化学反应的pH值变化都呈非线性特性，图1例举了几种常见的化学反应的pH值变化特性。不难看到，在离中和点较远的曲线两侧pH值变化缓慢，即由中和剂加入引起的pH值变化很小；而在中和点附近pH值变化灵敏，即少量中和剂的加入即可引起pH值的极大变化。化工过程对pH值的控制，经常采用加中和剂的方式来进行。例如，在农药C10H14N2的提炼过程中，采用NaOH中和烟酸来生成C10H14N2，其反应特性如图1中的a所示。为了提高农药纯度，要求反应在pH值等于10．5的条件下进行。反应过程中，溶液pH值会随着C10H14N2的生成而降低，工艺上通过不断添加NaOH来维持pH值不变。　　由图1可知，在反应的初始阶段由于来料pH值较低（pH＝3～4），工作点处于曲线的下端，显然需加入大量NaOH才能使溶液的pH值上升。之后，随着溶液pH值的上升，pH在6～11的范围内，工作点处于曲线的陡削段，灵敏度变得很高。这时，微量NaOH的加入会使pH值发生极大变化，稍有不慎，即会使pH值超调。另一方面，反应通常在大容器中进行，尽管采用搅拌措施以加速反应，但从中和剂的加入到溶液反应完成仍需较长时间。若用一般控制方法，在反应的初始阶段会因中和剂加入不够、pH值上升太慢而影响生产效率，而在接近工作点时又会因反应延时导致中和剂的过量加入，使pH值上升太多而发生超调。

2　智能控制原理

建立智能pH控制的基本思想是，根据中和反应的不同阶段分别采取不同的控制策略，以获取最佳控制效果。　　如图1所示，在初始阶段，pH值变化缓慢，需加入大量中和剂才能使pH值上升。这时，宜采用前馈控制，即根据化学反应的动平衡方程来计算中和剂的加入量，并一次性加入，以提高反应速度。基于酸碱中和反应满足当量定律，设M1，M2分别表示中和剂与被中和溶液的摩尔浓度（mol／L），V1，V2表示两者体积，则由克当量定律

M1.V1＝M2.V2（1）

以M1，M2和V2可计算出所需的中和剂V1。　　然而，实际反应过程中易检测到的是两者的pH值，而不是摩尔浓度，因此还需进行换算。设检测到的中和剂（设为碱性）的pH值为pH1，被中和溶液（设为酸性）的pH值为pH2。由于中和反应的实质为

H＋＋OH－＝H2O（2）

这里OH－由中和剂碱的氢氧根离子提供，则由酸碱度定义不难得到

M1＝［OH－］＝10－（14－pH1）（3） M2＝［H＋］＝10－pH2

又由于反应要求pH值控制在10．5的条件下进行，这一过量的［OH－］完全要由碱中和剂提供，从而有

由式（5）解出V1，即为中和剂的加入量。　　然而实际反应极其复杂，加上对pH1，pH2和V2的检测计算都存在误差，所以计算出的V1要乘以一个小于1的数α（一般取α＝0．8～0．95），以避免过量。　　进入第二阶段，pH值的上升斜率发生极大变化，由平缓转向陡削，尤其在中和点附近灵敏度达到最高。因此，在这一阶段应通过对pH值的上升斜率和响应误差来控制中和剂的加入量，即

这里，ΔpH＝pH2－pH0（pH0为控制目标），即pH值的响应误差；为pH值的上升斜率；α％起限幅作用，避免因pH的响应滞后而造成中和剂的过量加入。由式（6）不难看到。pH值的响应误差越大，中和剂加入量ΔV1越大；同时ΔV1将随pH变化率的增大而减小，也即越靠近中和点加入量越小。Kp，Kd和α％的大小与反应溶液体积V2、反应过程有无循环搅拌作用等因素有关，需经试验形成经验数据存入知识库，以备控制时选用。　　第三阶段是接近pH值工作点的阶段。在这一阶段，过量中和剂的加入，将使pH值超调。因此，在这一段宜采用间隙式加料的离散控制方式（见图2），即在两次控制之间插入时间间隔Δt＝t2－t1，以便溶液能充分反应，从而可有效避免pH值的超调。Δt的取值同样与溶液体积V2、搅拌作用强弱

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