高精度調節工業過程pH值的裝置和自動控制方法

2023-12-09 22:30:51 3

專利名稱：高精度調節工業過程pH值的裝置和自動控制方法
技術領域：
本發明涉及一類調節工業過程ra值的裝置和控制方法，尤其涉及高精度調節工業過程ra值的裝置及自動控制方法。
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背景技術：
工業過程中，有很多環節都需要採用酸、鹼調節溶液的ra值。過程ra值控制涉及的是一類中和反應，ra值是溶液酸度的對數值，對ra值的控制實質上是對溶液酸度的控制，而溶液的ra值呈現為一個高度的非線性,加之很多調節ra值的過程所需的酸或鹼化學
當量較小，採用高濃度的強酸或強鹼對溶液進行PH控制有很多困難。目前常見的方法是採
用on/off位式控制技術通過加酸或加鹼實現對溶液ra值的控制，但該方法有明顯的缺點，需要的反應器體積過大，測量出來的ra值滯後大，ra控制精度低。而採用PiD連續控制技術，則需要選擇合適口徑和材質的調節閥,調節閥口徑大,很難控制；口徑小,調節精度高但小口徑的防腐調節閥或極微小的調節閥製造技術還不夠過關,這一點又限制了 :p]:D連續控制技術在工業過程ra控制上的應用，而將強酸或強鹼稀釋到--定濃度，調節閥口徑就可選擇的大一些，就可採用pid連續控制技術獲得高精度過程ph值的控制效果。
(3)

發明內容
本發明提供-一種高精度調節工業過程ra值的裝置及自動控制方法。
為解決....匕述技術問題而提供的技術方案包括提供一種高精度控制工業過程ra值
的裝置，包括--酸的稀釋單元，包括酸稀釋罐、加酸管線、加溶劑管線，並在酸稀釋罐入口管線
設有加酸位式程控閥門、加溶劑位式程控閥門，在酸稀釋罐設有液位變送器、固體或粉末加料口。--酸的緩衝存儲單元，包括酸液緩衝罐、來自酸稀釋罐的加酸管線，並在加酸管線上設有加酸位式程控閥門，在酸緩衝罐上設有液位變送器。 —-鹼的稀釋單元，包括鹼稀釋罐、加鹼管線、加溶劑管線，並在鹼稀釋罐入口管線設有加鹼位式程控閥門、加水溶劑位式程控閥門，在鹼稀釋罐設有液位變送器。
--鹼的緩衝存儲單元，包括鹼液緩衝罐、來自鹼稀釋罐的加鹼管線，並在加鹼管線上設有加鹼位式程控閥門，在鹼緩衝罐上設有液位變送器。 —反應單元，包括管道式反應器、進出反應器的主物料管線、來自酸緩衝罐的加酸
管線和來自鹼緩衝罐的加鹼管線，並在反應器出口管線上設有ra傳感器、在加酸管線....匕設
有加酸調節閥、在加鹼管線上設有加鹼調節閥。 所述的高精度調節工業過程PH值的裝置中，由界外輸送來的溶劑和酸或鹼到稀釋單元進行稀釋；經溶劑稀釋後得到一定濃度的酸或鹼，由稀釋單元輸送到緩衝存儲單元，再由酸或鹼由緩衝存儲單元輸送到反應單元，與主物料發生反應，並達到理想的PH值。 所述的高精度調節工業過程ra值的裝置中，酸、鹼稀釋罐幾何尺寸必須是規則
3的，即可根據罐內液位高度計算溶液的體積，稀釋罐可以是空心的圓柱、球體、圓錐形、橢
圓、方體狀或及其組合，這也符合工業生產常用的儲罐設備形狀，都屬於標準設備。 所述的高精度調節工業過程PII值的裝置中，酸或鹼稀釋罐設有攪拌，以使稀釋的
酸或鹼濃度均勻。 所述的高精度調節工業過程ra值的裝置中，管道式反應器設有固定或可動的葉
片或擋板，以有利於主物料與加入的酸或鹼充分混合，反應完全。
所述的高精度控制工業過程ra值的裝置中，酸或鹼及溶劑從界外到本裝置及本
裝置內物料在上述單元間的輸送，可採用位差自流的方式，也可採用泵輸送的方式(附圖
中並未標出)，這需要根據工業現場的實際情況而定，需要考慮設備布置、每個單元的系統
壓力大小，這都屬於常識性的設計，不再贅述。 為解決上述技術問題而提供的技術方案還包括提供一種高精度調節工業過程ra值的自動控制方法，目的是克服現有技術的不足，提供一種投資少、控制精度高的控制方
法，包括 —酸、鹼稀釋自動控制方法 將強酸或強鹼稀釋到一定濃度的酸液或鹼液，並不需要流量計、濃度計，只根據稀
釋罐的液位就可以將強酸或強鹼稀釋到指定濃度。 對於液態的酸或鹼的稀釋，可按下面的方法進行控制。 1)人工設定強酸或強鹼加入控制器的加入量設定值V。sp，體積單位，其加入量設定值限制如下 V。sp < P ^C,V隨/ (P 。*C。) (1) 2)計算溶劑加料控制器加料設定值VlSp VlSp = ( P 。*C。_ P 一C》*V。Z ( P 一C》 (2) 其中，V。為強酸或強鹼加入量的實際值，體積單位。 3)加料控制方法。根據稀釋罐液位信號按式(3)計算已加入的酸和鹼及溶劑的體積，將加入的物料體積數反饋到加料控制器上與設定值作比較，加料開始，開啟加料閥,加料量到達設定值，關閉加料閥，通過邏輯控制實現對每種物料的加入量控制，加料順序為先加強酸或強鹼，後加溶劑。 採用標準設備的稀釋罐，可能是空心的圓柱、球體、圓錐形、橢圓、正方體狀或及其
組合中的一種，所存儲的溶液體積是液位的函數，在罐體幾何尺寸已知的情況下，該函數可
用數學積分進行求解或可在相關手冊上查到，可記作 V = f (L) (3) 對於固態或粉末狀的酸或鹼的稀釋，可按下面的方法進行控制。 1)人工設定強酸或強鹼加入量設定值M。sp，質量單位，計算固態或粉末狀的酸或
鹼加入量的上限值。 M。sp < VMX* P (4) 其中，Cp P i分別為稀釋到指定的質量濃度和該濃度下的溶液密度，VMX為稀釋罐最大容積。 2)計算溶劑加料控制器加料設定值VlSp
VlSp =(卜C》氺MoSp/(P ^C》 (5)
其中，P 2為溶劑的密度，&為稀釋到指定的質量濃度。
3)加料控制方法 先加入溶劑，加料控制方法與液態的酸或鹼的稀釋加溶劑的方法一樣；而後靠人
工現場加入固態或粉末狀酸或鹼。--酸或鹼緩衝存儲單元控制方法 當緩衝罐液位低且稀釋單元已完成稀釋任務處於等待出料狀態時，自動啟動緩衝罐進料程序，即打開緩衝罐進料閥，直至緩衝罐液位為高值或稀釋罐液位為低值，關閉緩衝罐進料閥。--反應單元控制方法 依據實時採集的反應器出口 ph值，實現對反應器出口 ra值的控制。對於既要加
酸又要加鹼的過程，採用分程控制算法；對於只加入一種酸或鹼的過程，採用單迴路控制;所採用的PID算法可採用常規PID算法或可變增益PID算法。
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附圖是高精度控制工業過程ra值的裝置； (5)實施方式
第一實施例 附圖是高精度調節工業過程PH值的裝置，該裝置主要包括酸和鹼的稀釋單元、酸和鹼的緩衝儲存單元和反應單元。 稀釋單元包括加酸和加鹼輸送管線1、13，用於稀釋酸和鹼的溶劑輸送管線3、15，酸和鹼稀釋罐5、 17。其中在酸和鹼輸送管線上分別設有位式程控閥2、 14，控制並將界外的酸和鹼輸送到稀釋罐；在溶劑輸送管線上分別設有位式程控閥4、16，控制並將界外的溶劑輸送到稀釋罐；在酸和鹼稀釋罐上設有液位變送器6、18，用於測量稀釋罐的液位，在酸和鹼稀釋罐上設有固體或粉末物料加料口 29，30,用於人工將固體或粉末狀的酸或鹼加入到稀釋罐中。 酸和鹼的緩衝儲存單元包括稀釋後的酸和鹼輸送管線8、20，酸和鹼緩衝罐9、21。其中在酸和鹼輸送管線上分別設有位式程控閥7、 19，控制並將在稀釋單元稀釋到一定濃度的酸和鹼輸送到酸和鹼緩衝罐，在酸和鹼緩衝罐上設有液位變送器10、22，用於測量緩衝罐的液位。 反應單元包括主物料管線25、28,酸和鹼加入管線12、24,管道反應器26，其中來自酸和鹼緩衝罐的酸和鹼的加入管線設有調節閥11、23，管道反應器出口管線....匕設有ra傳
感器27，用於測量主物料的ra值。 以某氯鹼企業一次鹽水製備過程為例，PH值控制既用酸又用鹼，且原料酸和鹼均為液體，所採用的稀釋罐為底面積為1平方米、高為2米的立式圓柱形儲罐，緩衝罐為底面積為2平方米、高為2. 5米的立式圓柱形儲罐。
酸的稀釋控制方法
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將質量濃度為30.2%的鹽酸用純水稀釋到10.5%，已知在操作溫度15X:下， 30. 2%、10. 5%鹽酸的密度分別為1. 15， 1.05。 由公式(1)計算得到V。sp < 1. 05*10. 5 % *歸'(1. 15*30. 2 % ),即V。sp < .635 (M3)，設定鹽酸加料控制器設定值為V。sp = 0. 5M3,開始向稀釋罐中加酸，打開加酸 程控閥，直到加入的30. 2%的鹽酸量為0. 5M3，關閉加酸程控閥。
由公式(2)計算應該加入的溶劑一純水的體積數VlSp = (1. 15*30. 2%-1. 05*10. 5% )*0. 5/(1. 05*10. 5% ) = 1. 075 (M3) 設定純水加料控制器設定值為VlSp = 1. 075M3,開始向稀釋罐中加水，打開加水程
控閥，直到加入純水量為1. 075M3，關閉加水程控閥。 鹼的稀釋控制方法 同酸的稀釋控制方法，不再贅述。 酸和鹼的緩衝存儲控制方法 當緩衝罐液位低且稀釋單元已完成稀釋任務處於等待出料狀態時，自動啟動緩衝 罐進料程序，即打開緩衝罐進料閥，直至緩衝罐液位為高值或稀釋罐液位為低值，關閉緩衝 罐進料閥。 鹽水製備反應單元控制方法 依據實時採集的反應器出口 ra值，實現對反應器出口 PH值的控制。對於既要加 酸又要加鹼的過程，採用分程控制算法；所採用的PID算法可採用常規PID算法或可變增 益PID算法。在本實施案例中，既加酸又加鹼,採用分程控制算法，PID參數比例為100 200% 、積分時間為50 80，分程點為PI:D輸出的50% ，死區為4% ，即PI:D輸出在0 48% 上，控制加鹼閥門開度在100 OX變化，PID輸出52 100%範圍內，控制加酸開度在0 100%範圍內變化。
第二實施例 以某氯鹼企業廢液處理過程為例，中和反應用固體鹼，所採用的稀釋罐為底面積 為1平方米、高為2米的立式圓柱形儲罐，緩衝罐為底面積為2平方米、高為2. 5米的立式 圓柱形儲罐。 鹼的稀釋控制方法 將純度10%的固態片鹼用6。C純水溶解並稀釋為2%的液鹼，已知在操作溫度 6(TC下，20^的液鹼密度為1. 196，純水密度為0. 9832。
依據公式(4)計算固態或粉末狀鹼加入量的上限值。
M。sp < 1*2*1. 196*20% )即M。sp < 0. 4784(X 103kg) 選定加入的固態片鹼為40kg，由公式(5)計算應加入的溶劑一純水的體積VlSp =(卜20% )*0. 4/(0. 9832*20% ) = 1'627(M3) 設定純水加料控制器設定值為VlSp = 1. 627M3,開始向鹼稀釋罐中加純水，打開加
純水程控閥，直到加入的純水量為1. 627M3，關閉加純水程控閥。 加完純水後，人工加入固態片鹼40kg。 鹼的緩衝存儲控制方法，同第一實施例，不再贅述。 廢液反應單元控制方法 依據實時採集的反應器出口 ra值，實現對廢液反應器出口 ra值的控制。對於只加入--種鹼的過程，採用單迴路控制，所採用的PID算法可採用常規PID算法或可變增益PID 算法。在本實施案例中，PID參數為比例80 120%、積分時間為90 150。
權利要求
一種高精度調節工業過程PH值的裝置，其特徵在於針對反應所需的酸或鹼化學當量較小的過程，通過稀釋高濃度的強酸和強鹼至一個合適的濃度，可實現高精度工業過程PH值的調節。
2. 根據權利要求i所述的一種高精度調節工業過程ra值的裝置,其特徵在於包括酸和鹼稀釋單元、酸和鹼緩衝存儲單元和反應單元。
3. 根據權利要求1或2所述的-一種高精度調節工業過程PH值的裝置,其特徵在於強酸和強鹼既可以是液態的，也可以是固態的；本裝置適用於既加酸又加鹼，或加酸或加鹼對ra值進行控制的工業過程。
4. 一種高精度調節工業過程PH值的自動控制方法,其特徵在於稀釋高濃度強酸和強鹼到指定的濃度，既不需要流量傳感器，也不需要濃度傳感器，只用液位變送器和位式程控閥即可實現。
5. 根據權利要求4所述的一種高精度調節工業過程ra值的自動控制方法,其特徵在於一對於液態的酸和鹼，稀釋所用溶劑加料量控制器的設定值按下面公式確定formula see original document page 2其中，C。、 P。分別為加入到稀釋罐的強酸或強鹼的質量濃度和該濃度下的溶液密度；&、 P i分別為強酸或強鹼稀釋到指定的質量濃度和該濃度下的溶液密度；V。為強酸或強鹼加入量的實際值，體積單位；一對於固態的酸和鹼，稀釋所用溶劑加料量控制器的設定值按下面公式確定formula see original document page 2其中，P 2為溶劑的密度，&為強酸或強鹼稀釋到指定的質量濃度，M。sp為加入稀釋罐中強酸或強鹼的質量。
6. 根據權利要求4所述的一種高精度調節工業過程ffl值的自動控制方法，其特徵在於對於既要加酸又要加鹼的過程，採用分程控制算法；對於只加入一種酸或鹼的過程，採用單迴路控制；:P:i:D算法可採用常規Pi:[)算法或可變增益:p:i:D算法。
全文摘要
本發明公開了一種高精度調節工業過程pH值的裝置和自動控制方法。高精度調節工業過程pH值的裝置包括酸和鹼稀釋單元、酸和鹼緩衝存儲單元和反應單元，其特徵在於針對反應所需的酸或鹼化學當量較小的工業過程，通過稀釋高濃度的強酸和強鹼至一個合適的濃度，可實現高精度工業過程pH值的調節；隨同公開的一種pH值的自動控制方法，既不需要流量傳感器，也不需要濃度傳感器，就可以將高濃度強酸和強鹼稀釋到指定濃度，並可採用PID控制技術實現高精度工業過程pH值的控制。本發明方法簡單、投資少、容易實現，有較廣的適用範圍。
文檔編號G05D21/02GK101776923SQ20101000110
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者於現軍 申請人:北京和隆優化控制技術有限公司