沉淀法生产白炭黑过程中pH值检测方法的改进

夏向阳 徐文尚 李翼飞 赵 敏

(山东科技大学信息与电气工程学院，山东 青岛 266590)

中国白炭黑工业虽然经过了三十多年的发展，目前仍以人工手动生产为主，控制精度不够，使得产品质量很不稳定。如何提高生产效率、控制精度和节约能源已经成为白炭黑行业关键问题。

工业现场采用沉淀法生产白炭黑，主要工艺流程可概括为：加底水、底碱，调整到给定的碱浓度(0.030mol/L左右)；酸碱并流，使pH值稳定在11.00～12.00之间，浓度为0.035mol/L左右;加酸酸化，pH值降到4.00～5.00时停酸；熟化过程。溶液的pH值在整个工艺流程中至关重要，由于每次所加酸、碱溶液的浓度不同，使得每次生产pH值和浓度并无系统性。搅拌釜式反应器是一个非线性且滞后较大的反应过程，酸、碱流量稍微过量就会引起pH值和浓度的很大变化，而人工手动生产控制的酸、碱流量很不稳定，因此很容易出现废品，造成产品质量不稳定。笔者根据沉淀法生产白炭黑的过程及其反应物的特点对pH值的检测和pH测试仪的维护进行了软件和硬件的设计。

1 传统的pH值测试方法及其缺点①

从生产过程可以看出pH值在酸、碱并流的过程中需要调节酸的流量使其稳定在11.00～12.00之间，在酸化过程中需要控制pH值稳定在4.00～5.00之间。传统的pH值测试方法如图1所示。

图1 传统测试方法示意图

传统pH值测试方法的缺点：

a. 由于反应釜内的环境为强碱/强酸环境对pH传感器的腐蚀性很强，一般2～3个月就需要更换传感器，增加了厂方的生产成本，影响生产效率[1]；

b. 反应过程中反应釜内物质为糊状物，极其容易粘附在传感器表面，影响传感器检测的准确度；

c. 待反应结束后，时间稍长糊状物容易干结包裹在传感器表面，影响下一次测试的准确度，传感器位于反应釜内不便于清洗，而且清洗时容易损坏传感器。

2 改进后的pH检测方法及传感器的保养

2.1 检测方法的改进

改进后的测试方法如图2所示。

图2 改进后测试方法示意图

改进后的pH测试方法：利用采样泵将反应物抽出通过管道再送回反应釜内，以免造成浪费。在水平的管道上安装pH传感器，避免了传感器长期浸泡在强酸/强碱的环境中,减少了传感器的损耗，同时安装冲洗泵抽取清水在特定时间对pH传感器进行冲洗，在软件设计中设定采样泵先工作一段时间之后，冲洗泵冲洗1min，这样既能保证测量的准确度又能减少传感器的损耗，增长了传感器的使用寿命。

2.2 pH传感器的保养

为了保证传感器的检测精度需定时对传感器进行校正和清洗保养。

传感器的校正过程为：从现场及冲洗装置上拆下传感器电极，准备好两份标准液；把电极和信号线连接好，可以先用两份标准液检查一下传感器是否需要校准，校准之前要先用去离子水冲洗电极，并用吸水纸吸干；先用标准液数值接近7的中性标准液校准，等数值稳定了，如果测量值和实际值有差距，旋动“CALIB”旋钮，将数值调至实际pH值；将电极用去离子水冲洗，用吸水纸洗干，再将电极插入另外一份酸性标准液，待数值基本稳定后，如果和实际值有差距，调节“SLOPE”旋钮至实际值，校准完毕后可以重复测量几次标准液，重复校准几次；将电极安装到冲洗装置，固定在现场，安装完毕后要观察是否能满足冲洗要求。

pH传感器的清洗保养过程为：定时清洗传感器电极，清洗时应选用去离子水或者3mol/L的KCl的溶液进行清洗；传感器在使用前应用纯水或者浓度为3mol/L的KCl溶液浸泡24h；传感器长期不使用时应该浸泡在浓度为3mol/L的KCl的溶液中。

3 pH检测及冲洗的软件设计

考虑到反应釜容量较大，pH值检测有较大的滞后性且pH传感器在检测时需要一定的时间，在软件编程中将pH给定值依次递减，给予多个比实际要求值略大的值，通过多个给定值逐步减少阀门开度，当pH值十分接近实际设定值时关闭阀门，这样就提高了控制精度和准确度。

酸、碱并流pH的检测控制碱阀的程序如图3所示。

图3 酸、碱并流pH的检测控制碱阀的程序

程序说明：酸碱并流控制碱阀，pH要求稳定在11.00～12.00之间，给定4个pH值：11.20、10.95、10.90、10.80。当pH<10.80时碱阀开度大；当10.80≤pH≤10.90时碱阀开度较小；当10.90≤pH<11.20时碱阀开度小；当pH≥11.20时碱阀关闭。

酸化过程的pH检测控制酸阀的程序如图4所示。

图4 酸化过程的pH检测控制酸阀的程序

程序说明：在酸化过程中，要求pH值控制在4.00～5.00范围内，给定4个pH值：4.40、4.80、5.30、6.10。当6.10≥pH≥5.30时，酸阀开度大；当5.30>pH≥4.80时酸阀开度较小；当4.80>pH≥4.40时，酸阀开度很小；当pH<4.40时酸阀关闭。冲洗pH传感器的程序如图5所示。

图5 冲洗pH传感器的程序

程序说明：采用定时器定时，当采样泵工作900s后停止工作，同时启动冲洗泵并定时60s，60s后停止冲洗泵并重新启动采样泵。

4 结束语

笔者基于某白炭黑厂的白炭黑改造项目，对pH值的检测和pH测试仪的维护进行了软件和硬件的设计。通过改造后的白炭黑反应釜自动控制系统投入运行已经一年多。运行结果表明：其控制精度明显提高，产品的配方严格按照生产需要自动调节，排除了人为因素造成的配方失准，保证了产品的质量和生产的稳定，提高了产品的市场竞争力。经过改造，pH传感器测试的准确度及传感器寿命明显提高，减少了厂方的投入，提高了生产效率。