夏向陽 徐文尚 李翼飛 趙 敏

(山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590)

中國白炭黑工業(yè)雖然經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，目前仍以人工手動(dòng)生產(chǎn)為主，控制精度不夠，使得產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。如何提高生產(chǎn)效率、控制精度和節(jié)約能源已經(jīng)成為白炭黑行業(yè)關(guān)鍵問題。

工業(yè)現(xiàn)場采用沉淀法生產(chǎn)白炭黑，主要工藝流程可概括為：加底水、底堿，調(diào)整到給定的堿濃度(0.030mol/L左右)；酸堿并流，使pH值穩(wěn)定在11.00～12.00之間，濃度為0.035mol/L左右;加酸酸化，pH值降到4.00～5.00時(shí)停酸；熟化過程。溶液的pH值在整個(gè)工藝流程中至關(guān)重要，由于每次所加酸、堿溶液的濃度不同，使得每次生產(chǎn)pH值和濃度并無系統(tǒng)性。攪拌釜式反應(yīng)器是一個(gè)非線性且滯后較大的反應(yīng)過程，酸、堿流量稍微過量就會(huì)引起pH值和濃度的很大變化，而人工手動(dòng)生產(chǎn)控制的酸、堿流量很不穩(wěn)定，因此很容易出現(xiàn)廢品，造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。筆者根據(jù)沉淀法生產(chǎn)白炭黑的過程及其反應(yīng)物的特點(diǎn)對pH值的檢測和pH測試儀的維護(hù)進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計(jì)。

1 傳統(tǒng)的pH值測試方法及其缺點(diǎn)①

從生產(chǎn)過程可以看出pH值在酸、堿并流的過程中需要調(diào)節(jié)酸的流量使其穩(wěn)定在11.00～12.00之間，在酸化過程中需要控制pH值穩(wěn)定在4.00～5.00之間。傳統(tǒng)的pH值測試方法如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)測試方法示意圖

傳統(tǒng)pH值測試方法的缺點(diǎn)：

a. 由于反應(yīng)釜內(nèi)的環(huán)境為強(qiáng)堿/強(qiáng)酸環(huán)境對pH傳感器的腐蝕性很強(qiáng)，一般2～3個(gè)月就需要更換傳感器，增加了廠方的生產(chǎn)成本，影響生產(chǎn)效率[1]；

b. 反應(yīng)過程中反應(yīng)釜內(nèi)物質(zhì)為糊狀物，極其容易粘附在傳感器表面，影響傳感器檢測的準(zhǔn)確度；

c. 待反應(yīng)結(jié)束后，時(shí)間稍長糊狀物容易干結(jié)包裹在傳感器表面，影響下一次測試的準(zhǔn)確度，傳感器位于反應(yīng)釜內(nèi)不便于清洗，而且清洗時(shí)容易損壞傳感器。

2 改進(jìn)后的pH檢測方法及傳感器的保養(yǎng)

2.1 檢測方法的改進(jìn)

改進(jìn)后的測試方法如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后測試方法示意圖

改進(jìn)后的pH測試方法：利用采樣泵將反應(yīng)物抽出通過管道再送回反應(yīng)釜內(nèi)，以免造成浪費(fèi)。在水平的管道上安裝pH傳感器，避免了傳感器長期浸泡在強(qiáng)酸/強(qiáng)堿的環(huán)境中,減少了傳感器的損耗，同時(shí)安裝沖洗泵抽取清水在特定時(shí)間對pH傳感器進(jìn)行沖洗，在軟件設(shè)計(jì)中設(shè)定采樣泵先工作一段時(shí)間之后，沖洗泵沖洗1min，這樣既能保證測量的準(zhǔn)確度又能減少傳感器的損耗，增長了傳感器的使用壽命。

2.2 pH傳感器的保養(yǎng)

為了保證傳感器的檢測精度需定時(shí)對傳感器進(jìn)行校正和清洗保養(yǎng)。

傳感器的校正過程為：從現(xiàn)場及沖洗裝置上拆下傳感器電極，準(zhǔn)備好兩份標(biāo)準(zhǔn)液；把電極和信號(hào)線連接好，可以先用兩份標(biāo)準(zhǔn)液檢查一下傳感器是否需要校準(zhǔn)，校準(zhǔn)之前要先用去離子水沖洗電極，并用吸水紙吸干；先用標(biāo)準(zhǔn)液數(shù)值接近7的中性標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)，等數(shù)值穩(wěn)定了，如果測量值和實(shí)際值有差距，旋動(dòng)“CALIB”旋鈕，將數(shù)值調(diào)至實(shí)際pH值；將電極用去離子水沖洗，用吸水紙洗干，再將電極插入另外一份酸性標(biāo)準(zhǔn)液，待數(shù)值基本穩(wěn)定后，如果和實(shí)際值有差距，調(diào)節(jié)“SLOPE”旋鈕至實(shí)際值，校準(zhǔn)完畢后可以重復(fù)測量幾次標(biāo)準(zhǔn)液，重復(fù)校準(zhǔn)幾次；將電極安裝到?jīng)_洗裝置，固定在現(xiàn)場，安裝完畢后要觀察是否能滿足沖洗要求。

pH傳感器的清洗保養(yǎng)過程為：定時(shí)清洗傳感器電極，清洗時(shí)應(yīng)選用去離子水或者3mol/L的KCl的溶液進(jìn)行清洗；傳感器在使用前應(yīng)用純水或者濃度為3mol/L的KCl溶液浸泡24h；傳感器長期不使用時(shí)應(yīng)該浸泡在濃度為3mol/L的KCl的溶液中。

3 pH檢測及沖洗的軟件設(shè)計(jì)

考慮到反應(yīng)釜容量較大，pH值檢測有較大的滯后性且pH傳感器在檢測時(shí)需要一定的時(shí)間，在軟件編程中將pH給定值依次遞減，給予多個(gè)比實(shí)際要求值略大的值，通過多個(gè)給定值逐步減少閥門開度，當(dāng)pH值十分接近實(shí)際設(shè)定值時(shí)關(guān)閉閥門，這樣就提高了控制精度和準(zhǔn)確度。

酸、堿并流pH的檢測控制堿閥的程序如圖3所示。

圖3 酸、堿并流pH的檢測控制堿閥的程序

程序說明：酸堿并流控制堿閥，pH要求穩(wěn)定在11.00～12.00之間，給定4個(gè)pH值：11.20、10.95、10.90、10.80。當(dāng)pH<10.80時(shí)堿閥開度大；當(dāng)10.80≤pH≤10.90時(shí)堿閥開度較小；當(dāng)10.90≤pH<11.20時(shí)堿閥開度?。划?dāng)pH≥11.20時(shí)堿閥關(guān)閉。

酸化過程的pH檢測控制酸閥的程序如圖4所示。

圖4 酸化過程的pH檢測控制酸閥的程序

程序說明：在酸化過程中，要求pH值控制在4.00～5.00范圍內(nèi)，給定4個(gè)pH值：4.40、4.80、5.30、6.10。當(dāng)6.10≥pH≥5.30時(shí)，酸閥開度大；當(dāng)5.30>pH≥4.80時(shí)酸閥開度較?。划?dāng)4.80>pH≥4.40時(shí)，酸閥開度很小；當(dāng)pH<4.40時(shí)酸閥關(guān)閉。沖洗pH傳感器的程序如圖5所示。

圖5 沖洗pH傳感器的程序

程序說明：采用定時(shí)器定時(shí)，當(dāng)采樣泵工作900s后停止工作，同時(shí)啟動(dòng)沖洗泵并定時(shí)60s，60s后停止沖洗泵并重新啟動(dòng)采樣泵。

4 結(jié)束語

筆者基于某白炭黑廠的白炭黑改造項(xiàng)目，對pH值的檢測和pH測試儀的維護(hù)進(jìn)行了軟件和硬件的設(shè)計(jì)。通過改造后的白炭黑反應(yīng)釜自動(dòng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行已經(jīng)一年多。運(yùn)行結(jié)果表明：其控制精度明顯提高，產(chǎn)品的配方嚴(yán)格按照生產(chǎn)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)，排除了人為因素造成的配方失準(zhǔn)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的穩(wěn)定，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。經(jīng)過改造，pH傳感器測試的準(zhǔn)確度及傳感器壽命明顯提高，減少了廠方的投入，提高了生產(chǎn)效率。