CN101776923A - 高精度调节工业过程pH值的装置和自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度调节工业过程pH值的装置和自动控制方法。高精度调节工业过程pH值的装置包括：酸和碱稀释单元、酸和碱缓冲存储单元和反应单元，其特征在于针对反应所需的酸或碱化学当量较小的工业过程，通过稀释高浓度的强酸和强碱至一个合适的浓度，可实现高精度工业过程pH值的调节；随同公开的一种pH值的自动控制方法，既不需要流量传感器，也不需要浓度传感器，就可以将高浓度强酸和强碱稀释到指定浓度，并可采用PID控制技术实现高精度工业过程pH值的控制。本发明方法简单、投资少、容易实现，有较广的适用范围。

Description

高精度调节工业过程pH值的装置和自动控制方法

(1)技术领域

本发明涉及一类调节工业过程PH值的装置和控制方法，尤其涉及高精度调节工业过程PH值的装置及自动控制方法。

(2)背景技术

工业过程中，有很多环节都需要采用酸、碱调节溶液的PH值。过程PH值控制涉及的是一类中和反应，PH值是溶液酸度的对数值，对PH值的控制实质上是对溶液酸度的控制，而溶液的PH值呈现为一个高度的非线性，加之很多调节PH值的过程所需的酸或碱化学当量较小，采用高浓度的强酸或强碱对溶液进行PH控制有很多困难。目前常见的方法是采用ON/OFF位式控制技术通过加酸或加碱实现对溶液PH值的控制，但该方法有明显的缺点，需要的反应器体积过大，测量出来的PH值滞后大，PH控制精度低。而采用PID连续控制技术，则需要选择合适口径和材质的调节阀，调节阀口径大，很难控制；口径小，调节精度高但小口径的防腐调节阀或极微小的调节阀制造技术还不够过关，这一点又限制了PID连续控制技术在工业过程PH控制上的应用，而将强酸或强碱稀释到一定浓度，调节阀口径就可选择的大一些，就可采用PID连续控制技术获得高精度过程PH值的控制效果。

(3)发明内容：

本发明提供一种高精度调节工业过程PH值的装置及自动控制方法。

为解决上述技术问题而提供的技术方案包括提供一种高精度控制工业过程PH值的装置，包括：

--酸的稀释单元，包括酸稀释罐、加酸管线、加溶剂管线，并在酸稀释罐入口管线设有加酸位式程控阀门、加溶剂位式程控阀门，在酸稀释罐设有液位变送器、固体或粉末加料口。

--酸的缓冲存储单元，包括酸液缓冲罐、来自酸稀释罐的加酸管线，并在加酸管线上设有加酸位式程控阀门，在酸缓冲罐上设有液位变送器。

---碱的稀释单元，包括碱稀释罐、加碱管线、加溶剂管线，并在碱稀释罐入口管线设有加碱位式程控阀门、加水溶剂位式程控阀门，在碱稀释罐设有液位变送器。

--碱的缓冲存储单元，包括碱液缓冲罐、来自碱稀释罐的加碱管线，并在加碱管线上设有加碱位式程控阀门，在碱缓冲罐上设有液位变送器。

--反应单元，包括管道式反应器、进出反应器的主物料管线、来自酸缓冲罐的加酸管线和来自碱缓冲罐的加碱管线，并在反应器出口管线上设有PH传感器、在加酸管线上设有加酸调节阀、在加碱管线上设有加碱调节阀。

所述的高精度调节工业过程PH值的装置中，由界外输送来的溶剂和酸或碱到稀释单元进行稀释；经溶剂稀释后得到一定浓度的酸或碱，由稀释单元输送到缓冲存储单元，再由酸或碱由缓冲存储单元输送到反应单元，与主物料发生反应，并达到理想的PH值。

所述的高精度调节工业过程PH值的装置中，酸、碱稀释罐几何尺寸必须是规则的，即可根据罐内液位高度计算溶液的体积，稀释罐可以是空心的圆柱、球体、圆锥形、椭圆、方体状或及其组合，这也符合工业生产常用的储罐设备形状，都属于标准设备。

所述的高精度调节工业过程PH值的装置中，酸或碱稀释罐设有搅拌，以使稀释的酸或碱浓度均匀。

所述的高精度调节工业过程PH值的装置中，管道式反应器设有固定或可动的叶片或挡板，以有利于主物料与加入的酸或碱充分混合，反应完全。

所述的高精度控制工业过程PH值的装置中，酸或碱及溶剂从界外到本装置及本装置内物料在上述单元间的输送，可采用位差自流的方式，也可采用泵输送的方式(附图中并未标出)，这需要根据工业现场的实际情况而定，需要考虑设备布置、每个单元的***压力大小，这都属于常识性的设计，不再赘述。

为解决上述技术问题而提供的技术方案还包括提供一种高精度调节工业过程PH值的自动控制方法，目的是克服现有技术的不足，提供一种投资少、控制精度高的控制方法，包括：

--酸、碱稀释自动控制方法

将强酸或强碱稀释到一定浓度的酸液或碱液，并不需要流量计、浓度计，只根据稀释罐的液位就可以将强酸或强碱稀释到指定浓度。

对于液态的酸或碱的稀释，可按下面的方法进行控制。

1)人工设定强酸或强碱加入控制器的加入量设定值V₀sp，体积单位，其加入量设定值限制如下：

V₀sp＜ρ₁*C₁*V_max/(ρ₀*C₀)                (1)

其中，C₁、ρ₁分别为强酸或强碱稀释到指定的质量浓度和该浓度下的溶液密度；C₀、ρ₀分别为加入到稀释罐的强酸或强碱的质量浓度和该浓度下的溶液密度；V_max为稀释罐最大容积。

2)计算溶剂加料控制器加料设定值V₁sp

V₁sp＝(ρ₀*C₀-ρ₁*C₁)*V₀/(ρ₁*C₁)         (2)

其中，V₀为强酸或强碱加入量的实际值，体积单位。

3)加料控制方法。根据稀释罐液位信号按式(3)计算已加入的酸和碱及溶剂的体积，将加入的物料体积数反馈到加料控制器上与设定值作比较，加料开始，开启加料阀，加料量到达设定值，关闭加料阀，通过逻辑控制实现对每种物料的加入量控制，加料顺序为：先加强酸或强碱，后加溶剂。

采用标准设备的稀释罐，可能是空心的圆柱、球体、圆锥形、椭圆、正方体状或及其组合中的一种，所存储的溶液体积是液位的函数，在罐体几何尺寸已知的情况下，该函数可用数学积分进行求解或可在相关手册上查到，可记作：

V＝f(L)                                   (3)

对于固态或粉末状的酸或碱的稀释，可按下面的方法进行控制。

1)人工设定强酸或强碱加入量设定值M₀sp，质量单位，计算固态或粉末状的酸或碱加入量的上限值。

M₀sp＜V_max*ρ₁*C₁                         (4)

其中，C₁、ρ₁分别为稀释到指定的质量浓度和该浓度下的溶液密度，V_max为稀释罐最大容积。

2)计算溶剂加料控制器加料设定值V₁sp

V₁sp＝(1-C₁)*M₀sp/(ρ₂*C₁)                (5)

其中，ρ₂为溶剂的密度，C₁为稀释到指定的质量浓度。

3)加料控制方法

先加入溶剂，加料控制方法与液态的酸或碱的稀释加溶剂的方法一样；而后靠人工现场加入固态或粉末状酸或碱。

--酸或碱缓冲存储单元控制方法

当缓冲罐液位低且稀释单元已完成稀释任务处于等待出料状态时，自动启动缓冲罐进料程序，即打开缓冲罐进料阀，直至缓冲罐液位为高值或稀释罐液位为低值，关闭缓冲罐进料阀。

--反应单元控制方法

依据实时采集的反应器出口PH值，实现对反应器出口PH值的控制。对于既要加酸又要加碱的过程，采用分程控制算法；对于只加入一种酸或碱的过程，采用单回路控制；所采用的PID算法可采用常规PID算法或可变增益PID算法。

(4)附图说明

附图是高精度控制工业过程PH值的装置；

(5)实施方式

第一实施例

附图是高精度调节工业过程PH值的装置，该装置主要包括酸和碱的稀释单元、酸和碱的缓冲储存单元和反应单元。

稀释单元包括加酸和加碱输送管线1、13，用于稀释酸和碱的溶剂输送管线3、15，酸和碱稀释罐5、17。其中在酸和碱输送管线上分别设有位式程控阀2、14，控制并将界外的酸和碱输送到稀释罐；在溶剂输送管线上分别设有位式程控阀4、16，控制并将界外的溶剂输送到稀释罐；在酸和碱稀释罐上设有液位变送器6、18，用于测量稀释罐的液位，在酸和碱稀释罐上设有固体或粉末物料加料口29，30，用于人工将固体或粉末状的酸或碱加入到稀释罐中。

酸和碱的缓冲储存单元包括稀释后的酸和碱输送管线8、20，酸和碱缓冲罐9、21。其中在酸和碱输送管线上分别设有位式程控阀7、19，控制并将在稀释单元稀释到一定浓度的酸和碱输送到酸和碱缓冲罐，在酸和碱缓冲罐上设有液位变送器10、22，用于测量缓冲罐的液位。

反应单元包括主物料管线25、28，酸和碱加入管线12、24，管道反应器26，其中来自酸和碱缓冲罐的酸和碱的加入管线设有调节阀11、23，管道反应器出口管线上设有PH传感器27，用于测量主物料的PH值。

以某氯碱企业一次盐水制备过程为例，PH值控制既用酸又用碱，且原料酸和碱均为液体，所采用的稀释罐为底面积为1平方米、高为2米的立式圆柱形储罐，缓冲罐为底面积为2平方米、高为2.5米的立式圆柱形储罐。

酸的稀释控制方法

将质量浓度为30.2％的盐酸用纯水稀释到10.5％，已知在操作温度15℃下，30.2％、10.5％盐酸的密度分别为1.15，1.05。

由公式(1)计算得到V₀sp＜1.05*10.5％*1*2/(1.15*30.2％)，即V₀sp＜0.635(M³)，设定盐酸加料控制器设定值为V₀sp＝0.5M³，开始向稀释罐中加酸，打开加酸程控阀，直到加入的30.2％的盐酸量为0.5M³，关闭加酸程控阀。

由公式(2)计算应该加入的溶剂—纯水的体积数

V₁sp＝(1.15*30.2％-1.05*10.5％)*0.5/(1.05*10.5％)＝1.075(M³)

设定纯水加料控制器设定值为V₁sp＝1.075M³，开始向稀释罐中加水，打开加水程控阀，直到加入纯水量为1.075M³，关闭加水程控阀。

碱的稀释控制方法

同酸的稀释控制方法，不再赘述。

酸和碱的缓冲存储控制方法

当缓冲罐液位低且稀释单元已完成稀释任务处于等待出料状态时，自动启动缓冲罐进料程序，即打开缓冲罐进料阀，直至缓冲罐液位为高值或稀释罐液位为低值，关闭缓冲罐进料阀。

盐水制备反应单元控制方法

依据实时采集的反应器出口PH值，实现对反应器出口PH值的控制。对于既要加酸又要加碱的过程，采用分程控制算法；所采用的PID算法可采用常规PID算法或可变增益PID算法。在本实施案例中，既加酸又加碱，采用分程控制算法，PID参数比例为100～200％、积分时间为50～80，分程点为PID输出的50％，死区为4％，即PID输出在0～48％上，控制加碱阀门开度在100～0％变化，PID输出52～100％范围内，控制加酸开度在0～100％范围内变化。

第二实施例

以某氯碱企业废液处理过程为例，中和反应用固体碱，所采用的稀释罐为底面积为1平方米、高为2米的立式圆柱形储罐，缓冲罐为底面积为2平方米、高为2.5米的立式圆柱形储罐。

碱的稀释控制方法

将纯度100％的固态片碱用60℃纯水溶解并稀释为20％的液碱，已知在操作温度60℃下，20％的液碱密度为1.196，纯水密度为0.9832。

依据公式(4)计算固态或粉末状碱加入量的上限值。

M₀sp＜1*2*1.196*20％)即M₀sp＜0.4784(×10³kg)

选定加入的固态片碱为400kg，由公式(5)计算应加入的溶剂—纯水的体积V₁sp＝(1-20％)*0.4/(0.9832*20％)＝1.627(M³)

设定纯水加料控制器设定值为V₁sp＝1.627M³，开始向碱稀释罐中加纯水，打开加纯水程控阀，直到加入的纯水量为1.627M³，关闭加纯水程控阀。

加完纯水后，人工加入固态片碱400kg。

碱的缓冲存储控制方法，同第一实施例，不再赘述。

废液反应单元控制方法

依据实时采集的反应器出口PH值，实现对废液反应器出口PH值的控制。对于只加入一种碱的过程，采用单回路控制，所采用的PID算法可采用常规PID算法或可变增益PID算法。在本实施案例中，PID参数为比例：80～120％、积分时间为90～150。

Claims (6)

1.一种高精度调节工业过程PH值的装置，其特征在于针对反应所需的酸或碱化学当量较小的过程，通过稀释高浓度的强酸和强碱至一个合适的浓度，可实现高精度工业过程PH值的调节。

2.根据权利要求1所述的一种高精度调节工业过程PH值的装置，其特征在于包括：酸和碱稀释单元、酸和碱缓冲存储单元和反应单元。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度调节工业过程PH值的装置，其特征在于：强酸和强碱既可以是液态的，也可以是固态的；本装置适用于既加酸又加碱，或加酸或加碱对PH值进行控制的工业过程。

4.一种高精度调节工业过程PH值的自动控制方法，其特征在于稀释高浓度强酸和强碱到指定的浓度，既不需要流量传感器，也不需要浓度传感器，只用液位变送器和位式程控阀即可实现。

5.根据权利要求4所述的一种高精度调节工业过程PH值的自动控制方法，其特征在于：

--对于液态的酸和碱，稀释所用溶剂加料量控制器的设定值按下面公式确定：

V₁sp＝(ρ₀*C₀-ρ₁*C₁)*V₀/(ρ₁*C₁)

其中，C₀、ρ₀分别为加入到稀释罐的强酸或强碱的质量浓度和该浓度下的溶液密度；C₁、ρ₁分别为强酸或强碱稀释到指定的质量浓度和该浓度下的溶液密度；V₀为强酸或强碱加入量的实际值，体积单位；

--对于固态的酸和碱，稀释所用溶剂加料量控制器的设定值按下面公式确定：

V₁sp＝(1-C₁)*M₀sp/(ρ₂*C₁)

其中，ρ₂为溶剂的密度，C₁为强酸或强碱稀释到指定的质量浓度，M₀sp为加入稀释罐中强酸或强碱的质量。

6.根据权利要求4所述的一种高精度调节工业过程PH值的自动控制方法，其特征在于：对于既要加酸又要加碱的过程，采用分程控制算法；对于只加入一种酸或碱的过程，采用单回路控制；PID算法可采用常规PID算法或可变增益PID算法。

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