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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，工烟斗艺上通过不断添加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，而在接触摸屏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

2、沙浆拉力实验机的操作注意事项建立智能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.丝锥板牙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值的上长笛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使塑料包装市场更够具有更开阔的发展前景知识库，以备控制时选用。

第三阶段3、 汽车内饰材料实验机 主要特点 1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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