Аннотация
Хачиков А. А., Жукова Н. В. Исследование динамики сау кислотно-щелочным балансом водных растворов в условиях производства хлора и каустической соды Показано, что для обеспечения высокой статической и динамической устойчивости и точности поддержания заданной величины рН, а также повышения показателей эффективности процесса электролиза необходимо в качестве регулируемой величины использовать не величину рН, а обратную функцию зависимости величины рН от концентрации кислоты или щелочи, то есть фактически линеаризовать нелинейную характеристику датчика рН-метра.
Ключевые слова: система управления величины pH, динамика САУ, линеаризация, математическое моделирование.
Общая постановка проблемы
По условиям ведения технологического процесса к системам регулирования рН предъявляются достаточно жесткие требования к точности поддержания величины рН. Обычно эта величина составляет ±(0,10–0,15) единиц рН. Однако существующие автоматические системы регулирования не могут обеспечить заданную точность поддержания величины рН и, более того, зачастую работают в режиме автоколебаний с недопустимо большой амплитудой [1]. Неудовлетворительное качество регулирования величины рН связано с резко нелинейным характером зависимости величины рН от концентрации кислоты или щелочи в растворе. Эта зависимость описывается выражением: pH = -lgCHCl или pH = 14+lgCNaOH, где CHCl – концентрация кислоты в растворе, моль/л; CNaOH – концентрация щёлочи в растворе, моль/л.
Данная зависимость приведена на рис. 1а, где для того, чтобы совместить два графика на одном рисунке, концентрация кислоты условно принята отрицательной. Из рис. 1а видно, что для поддержания рН рассола, равным 2–3 ед., необходимо поддерживать концентрацию кислоты в растворе в диапазоне (0,04–0,36) г/л, то есть должна обеспечиваться очень высокая абсолютная точность регулирования малых значений концентраций кислоты.
Методика решения задачи.
Для обеспечения поставленной цели необходимо линеаризовать нелинейную зависимость величины рН от концентрации кислоты или щелочи, т.е. фактически линеаризовать нелинейную характеристику датчика рН-метра [1]. Для кислых растворов преобразование осуществляется по выражению CHCl = 10-pH, для щелочных по выражению CNaOH = 10pH-14. Вид этой зависимости приведен на рис.1б, где также концентрация кислоты условно принята отрицательной.
Рисунок 1 – а) зависимость pН раствора от концентрации кислоты (щелочи); б) зависимость концентрации кислоты (щелочи) от pН раствора
Обратная функция зависимости величины рН от концентрации кислоты или щелочи реализована в соответствии со схемой моделирования, приведенной на рис. 2. По данной схеме получен график (рис. 3), поясняющий постановку задачи на управление. По оси абсцисс расположена величина уровня раствора. То есть требуемый уровень рН раствора в 2…3 ед. соответствует линейному изменению концентрации кислоты от 0,02…0,03 моль/литр.
Рисунок 2 – Схема преобразования значения величины рН в обратную функцию по формуле CHCl = 10-pH
Рисунок 3 – Преобразование значения величины рН в обратную функцию по формуле CHCl = 10-pH
Разработанная САУ уровнем рН имеет два контура. Внешний контур – регулятор концентрации соляной кислоты, выход которого корректирует задания по расходу соляной кислоты в соотношении с расходом рассола. Внутренний контур – регулятор соотношения расходов, управляющий заслонкой на расход соляной кислоты. Схема моделирования приведена на рис. 4.
Рисунок 4 – Схема моделирования САУ величиной pH
Из переходных характеристик, приведенных на рис. 5, требуемый уровень рН раствора в 3 ед. соответствует концентрации кислоты 0,03 моль/литр. Переходной процесс концентрации имеет плавный апериодический характер с временем регулирования 35 сек. В момент времени 40 с приложено возмущение в виде уменьшения расхода рассола на 0,01 м3/мин. Отработка возмущающего воздействия осуществляется за 10 сек. с нулевой статической ошибкой, что соответствует требованиям, предъявляемым к объектам данного класса. При этом выход регулятора концентрации соляной кислоты (рис. 5), корректирующего задание на расход соляной кислоты в соотношении с расходом рассола, а также выход регулятора соотношения расходов, управляющего расходом соляной кислоты (рис. 5) соответствуют требованиям технологического регламента.
Рисунок 5 – Переходные характеристики САУ стабилизации кислотно-щелочного баланса
Таким образом, способ обеспечивает высокую статическую и динамическую устойчивость и точность поддержания заданной величины рН.
Список литературы
1. Способ автоматического регулирования величины Ph водных растворов: Патент RU 2284048.