智能pH控制及在化工过程控制中的应用

　　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、搅拌作用强弱及ΔpH的大小等因素有关，需经试验形成经验数据，存入知识库，供控制时查取。

以上不同控制模式、控制参数选择表、各类化工过程的化学反应方程式、中和特性曲线、反应系统的各种物理参数（如容器体积、加料管径、搅拌强弱系数等）综合在一起，可构成一知识库，如图3所示。整个控制系统则由计算机、pH传感器、控制输出驱动和上述知识库构成，如图4所示。

图3　基于知识库的pH智能控制原理

图4　系统硬件构成
工作时，计算机首先根据化学反应类型从知识库查取相应的化学反应方程和中和特性曲线，根据控制类型要求和对控制精度的要求，确定控制方式。然后，依据检测系统的运行工况（如当前反应溶液与中和剂的pH值、溶液pH值在中和特性曲线上的相应位置），从知识库查取相应的控制模式。最后，根据控制模式和系统的物理参数（如容器大小、加料管径、以及搅拌强弱等），从知识库查取相应的控制参数，组成控制系统并输出，以控制中和剂的加入。
　　为了适应各种化工过程的控制需要，上述知识库采用开放式结构，即知识库的内容可通过人机界面进行修改和补充。例如，对一种新的化学反应过程 ，只要先通过实验室试验取得其相应的中和特性曲线，然后等间隔取点输入计算机，即形成一条新的知识。系统的物理参数（如容器体积、加料管径等）则要从现场测取后输入计算机。

3　系统构成与应用

　　采用8098单片机为基础构成系统硬件，如图4所示。采用8098的好处是其功能强，硬件结构简单，4路A／D可方便地构成系统的多点检测。设计了8路开关量输出，通过光耦连接可控硅，可方便地驱动各电磁阀来控制中和剂等的加入。输出控制为时间比例信号，即通过控制电磁阀开启时间的长短来控制中和剂的加入量。2764储存系统控制程序，6264储存中间检测值与键盘输入信息，2816A为5V电压可改写存储器，在这里即用于存放知识库。按键显示电路是仪器与操作之间的人机界面。
　　采用2816E2PROM作为知识库的好处是，可对知识库进行方便的修改与补充。知识库的部分内容是事先编好的（如各种常用的中和特性曲线、各种控制模式、控制参数的经验选择表等）。还有一些则需根据控制现场的情况临时输入（如反应罐容积、加料管径等系统基本参数，以及对系统先验试验所取得的经验数据等），这些数据可通过按键随时置入数据库。
　　本系统在农药C10H14N2的提炼过程中得到了应用，如图5所示。事先进行了NaOH与烟酸的中和反应试验，得到相应的中和反应曲线并输入计算机。现场的容器体积、加料管径等参数通过人机界面置入计算机后，即可进行控制试验。

试验运行表明，系统在运行的初始阶段，主要受前馈控制作用，这时NaOH连续加入，反应罐内的pH值迅速从3．0上升到9．0左右；然后进入了第二、三阶段，出现间隙式控制加料现象，溶液的pH值逐渐上升到10．5pH，并且没有出现超调或波动，满足了生产要求。它比原来人工控制大大缩短控制时间，提高了控制精度和农药的提炼纯度。

4　结论

　　基于知识库构成的pH智能控制，对克服工业化工过程中的pH反应的非线性与响应延时特性，提高控制精度和节省中和剂用量，具有明显效果。知识库采用开放式结构，有利于知识库内容的修改与设置，从而有助于系统的推广应用。