光電化學(xué)反應(yīng)控制器在濕法反應(yīng)過程中的應(yīng)用

楊 麗

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007）

在冶金、石油化工領(lǐng)域中經(jīng)常遇到液—液、固—液、氣—液或者氣—固—液三者之間的化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)速度的控制是至關(guān)重要的關(guān)鍵問題，如果反應(yīng)速度過慢則空耗時間和能源，造成資源浪費和經(jīng)濟效益低下，但是如果反應(yīng)速度過快，太激烈必然造成溫度、壓力過高或者反應(yīng)產(chǎn)物溢出反應(yīng)釜，甚至釀成重大事故！如果能把反應(yīng)速度控制在最佳狀態(tài)，則可以達(dá)到既能保證安全生產(chǎn)又能發(fā)揮最大效益。但是要對化學(xué)反應(yīng)速度實施有效控制是非常令人頭疼的事情，因為影響反應(yīng)速度的因素很多，包括物料本身的性質(zhì)和溫度、壓力、濃度、pH值等等工藝參數(shù)，而且各種因素之間相互關(guān)聯(lián)，相互促進(jìn)，錯綜復(fù)雜，很難把握。在以往的自動控制理論和實踐中（例如DCS自控系統(tǒng)），往往只能選定某一個參數(shù)，設(shè)定一個合適的控制水平來實施控制，但是事先所選定的控制方案是固定不變的，而需要控制的化學(xué)反應(yīng)過程是不斷變化的，顯而易見這種控制方法是不能把反應(yīng)速度控制在理想狀態(tài)的。為了保險起見，通常采取開放式作業(yè)，在有自動控制的情況下再加人工看管。即使這樣因控制失誤而發(fā)生事故也是屢見不鮮[1]。為了對化學(xué)反應(yīng)的速度實施有效控制，“光電控制器”對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度和速度具有一定判斷功能的。該裝置能對絕大多數(shù)有液相參加的化學(xué)反應(yīng)過程實施有效控制，從而提升了生產(chǎn)能力、產(chǎn)生更大的效益。

1 硬件構(gòu)成

但凡有液相參加的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度都會產(chǎn)生泡沫，就像日常生活中燒水、做飯、煮湯一樣，但是這貌似平常的自然現(xiàn)象卻傳達(dá)出重要的信息，它實際上反映出化學(xué)反應(yīng)的速度和進(jìn)行到何種程度。如果產(chǎn)生的泡沫較少且稀薄，表明反應(yīng)速度應(yīng)該加快以提高工作效率，如果產(chǎn)生的泡沫越來越多、比較稠密并不斷增厚，說明反應(yīng)速度相當(dāng)快了，應(yīng)當(dāng)加以適當(dāng)控制，否則即刻就會發(fā)生泡沫裹挾液體溢出鍋外澆滅煤氣爐的危險[2]。在濕法冶金和化工生產(chǎn)中泡沫產(chǎn)生的嚴(yán)重性和危險性遠(yuǎn)遠(yuǎn)甚于燒水、做飯，必須引起高度重視。及時捕捉正在進(jìn)行的化工生產(chǎn)過程中泡沫的產(chǎn)生、發(fā)展、變化情況具有重要的意義：①這些信息可以幫助我們判斷出當(dāng)前的化學(xué)反應(yīng)的速度，和接下來的發(fā)展趨勢；②利用這些信息對化工生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。為達(dá)此目的“光電控制器”由以下主要部分組成：

（1）信息捕捉探頭。其結(jié)構(gòu)和工作原理如下：一個光源（燈泡或其它不可見光源，如X-射線發(fā)射管、γ放射源等）和一個感光元件（例如光電倍增管等）分別密封在玻璃管內(nèi)，然后安裝在反應(yīng)釜內(nèi)適當(dāng)?shù)奈恢谩０惭b方法之一，兩者水平安裝在反應(yīng)釜內(nèi)適當(dāng)?shù)母叨炔⒈３诌m當(dāng)?shù)木嚯x，方法之二，兩者垂直安裝，光源裝在釜內(nèi)、感光器裝在釜外兩者之間隔著一個玻璃密封窗。安裝的原則是光源發(fā)出的恒定的光信號，感光元件能接收到此光信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號輸出，由此二者組成一個可以監(jiān)測釜內(nèi)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)的信息探頭。在反應(yīng)初期反應(yīng)釜中還沒有泡沫的情況下，感光元件接收到最強，是光源發(fā)出的原始光信號，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行逐漸產(chǎn)生泡沫，如果泡沫逐漸堆積接觸并進(jìn)一步淹沒光源，雖然光源發(fā)出的光強度不變，但是穿過泡沫層必然會衰減，感光元件接收到的光信號的強度必然減弱，接收到的光信號越弱說明泡沫越濃密、越厚，也就是此時化學(xué)反應(yīng)越激烈，所以我們可以根據(jù)感光元件傳遞出來的電信號的強弱判斷出反應(yīng)釜內(nèi)的狀況，據(jù)此調(diào)整控制工藝參數(shù)；

（2）具有邏輯判斷功能的電路。應(yīng)用單片機作為控制器，根據(jù)感光元件傳遞出來的電信號的強弱，和電信號變化的速率判斷出化學(xué)反應(yīng)的激烈程度和發(fā)展趨勢，然后發(fā)出控制指令；

（3）執(zhí)行機構(gòu)：氣動隔膜控制閥。根據(jù)需要控制的化學(xué)反應(yīng)的特性選定一個影響反應(yīng)速度最敏感的參數(shù)加對氣動隔膜控制閥的開度進(jìn)行控制。

2 光電控制器在調(diào)酸反應(yīng)槽中的控制設(shè)計

某鎢冶煉企業(yè)的調(diào)酸工序的任務(wù)是往pH9～10的含硫化物的堿性溶液中加入硫酸，將其pH值中和至pH2，中和反應(yīng)在溫度60℃～90℃下進(jìn)行，在反應(yīng)過程中有H2S氣體釋放出來，由此引發(fā)大量泡沫產(chǎn)生，必須打開觀察孔由人工觀察看管，整個操作過程是在開放條件下進(jìn)行，排風(fēng)量約3000m3/h，所以產(chǎn)生了的含H2S氣體的廢氣量很大，消耗的能源也很大。另外還存在嚴(yán)重的安全隱患，因為產(chǎn)生泡沫的因素很多，人工觀察也不能提前判斷和掌握反應(yīng)高峰何時到來，不能提前采取預(yù)防措施，所以泡沫量太大時涌出槽外的事故時有發(fā)生，由此而引起H2S中毒的事件也發(fā)生過。采用“光電控制器”代替人工看管使此面貌徹底改觀。

光電控制器的光源和感光元件采用垂直安裝方案：在調(diào)酸反應(yīng)槽蓋上設(shè)置一個φ260mm的密封玻璃窗口，玻璃窗口外安裝一個光電倍增管，“光源”安裝在槽內(nèi)該窗口下方400mm處設(shè)置一根φ120mm的密封玻璃管，管內(nèi)裝有45°反光鏡（或三棱鏡），一個10W的LED射燈作為光安裝在密封玻璃管的管口處（見圖1），射燈發(fā)射的光線經(jīng)過三棱鏡反射后垂直向上，透過玻璃窗照射到“光電倍增管”上，光電倍增管將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。因為加硫酸的速度是影響反應(yīng)速度最顯著的因素，所以利用此電信號來驅(qū)動安裝在分解槽進(jìn)酸管上的氣動隔膜閥，調(diào)節(jié)加酸流量的大小，從而達(dá)到控制反應(yīng)速度的目的。

操作程序：關(guān)閉觀察孔，整個作業(yè)過程是在封閉下進(jìn)行，啟動自控程序，當(dāng)溫度升至60℃時開啟硫酸自控閥注入硫酸開始中和反應(yīng)。反應(yīng)之初，光電管接收到的光最強，輸出的電信號也最強，發(fā)出最強的指令將硫酸自控閥開到最大（閥門開度80%）加硫酸的速度也最較大（約5.0m3/h），可以提高反應(yīng)速度和效率，隨著中和反應(yīng)的進(jìn)行泡沫會不斷地產(chǎn)生，當(dāng)然也會不斷地破裂，處在一個動態(tài)平衡中，當(dāng)反應(yīng)速度過快泡沫產(chǎn)生的速度大于破裂的速度，則泡沫還會越來越多、越來越濃密，并不斷堆積上升。當(dāng)泡沫上升淹沒到“光源”時，感光元件會感受接到的光信號的強度減弱了，則自控裝置會立即發(fā)出指令適當(dāng)調(diào)整降低硫酸的流速，也就是降低反應(yīng)速度，使泡沫的產(chǎn)生速度小于破裂速度，則泡沫層回落，回復(fù)到之前的狀況；總之自控裝置會根據(jù)接到的光信號的強弱程度，和光信號的變化速率，判斷出化學(xué)反應(yīng)的速度以及發(fā)展趨勢，在5.0m3/h～0m3/h之間調(diào)整加硫酸的速度，直到溶液中和至pH2，完成中和反應(yīng)作業(yè)。設(shè)計圖如圖1調(diào)酸槽控制系統(tǒng)設(shè)計圖。

圖1 調(diào)酸槽控制系統(tǒng)設(shè)計圖

3 儀器調(diào)試與標(biāo)定

（1）按要求在調(diào)酸槽上安裝好“光源”和“光電倍增管”、連接好自控電路與自控閥，形成一個完整的自控回路；

（2）自控閥的進(jìn)酸管道與供應(yīng)稀硫酸的高位儲槽的出口管連通，（此出口管道上裝有手動節(jié)流閥），形成一個受控的硫酸供應(yīng)系統(tǒng)；

（3）標(biāo)定最大硫酸流量：在空槽中光源發(fā)出的光線暢通無阻的狀態(tài)下，光電倍增管接收到的光強度為最大值I0（即光源的原始發(fā)光強度），此時光電管轉(zhuǎn)換輸出的電壓信號為最大值V=10mv，用此電信號驅(qū)動硫酸自控閥開到最大（閥門開度的80%），人工調(diào)節(jié)手動節(jié)流閥使硫酸的流量達(dá)到工藝要求的最大流量（如本實例中5.0m3/h），然后鎖定手動節(jié)流閥，則硫酸的最大加量亦鎖定為5.0m3/h；

（4）最小流量的確定：用擋光板擋住光源直射光電管的光線，此時光電倍增管接收到的光強度I≈0，相當(dāng)于反應(yīng)達(dá)到最高潮泡沫已經(jīng)淹沒光源接近排風(fēng)口將光線全部擋住，相應(yīng)地輸出的電壓型號為0mv，此時控制器發(fā)出指令全關(guān)閉自控閥，硫酸流量為0，反應(yīng)終止；

（5）控制曲線：在實際生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)的激烈程度，決定著泡沫產(chǎn)生的多少和濃淡，由此控制著光電管接收的光強度在0～I(xiàn)0之間變化。光電管的輸出電壓信通過PID調(diào)節(jié)器控制自控閥的開度和硫酸的加入量（見圖3）。

在40m～740m布置了32個AMT測深點，長度700m，點距20m（兩端點距為40m）。反演結(jié)果顯示低阻異常條帶分布范圍較大，有向下延伸的趨勢，向斜構(gòu)造的電性特征明顯。

在剖面上布置了兩個驗證鉆孔ZK01、ZK02。ZK01鉆孔孔深273.9m，方位角30°，傾角75°。在孔深224m～264m見灰黑色炭質(zhì)板巖，V2O5含量約為0.1%，在254m～259m處見2層釩礦化，厚度為1.3m、1.8m，V2O5平均含量約為0.6%；孔深264m見西雙山鷹組一段白云巖，為礦化體底板。

ZK02鉆孔孔深335.8m，方位角210°，傾角75°。在孔深183m～259m見灰黑色炭質(zhì)板巖；孔深260m～320m見黑色炭質(zhì)板巖，V2O5平均含量約為0.1%，孔深275m～276m見厚度約1m的釩礦化，V2O5含量0.6%，孔深292m～321m見5層釩礦化，最小厚度為1.6m，最大厚度為6m；孔深322m見西雙山鷹組一段淺灰色白云巖，為礦化體底板。

3.2.2 JD15剖面

激電異常主要分布在100m～480m間，寬約380m。異常段ηs平均值為13.5%，最大值為19.2%，最小值為7.2%。ρs平均值為0.75Ω·m，最大值為3.82Ω·m，最小值0.02Ω·m。在0m～620m間布置了31個AMT測深點，長度620m，點距20m（兩端點距為40m）。反演結(jié)果顯示低阻異常呈帶狀分布，西側(cè)未封閉，推測炭質(zhì)板巖有向西側(cè)深部延伸的趨勢。

在剖面上布置了兩個驗證鉆孔ZK03、ZK04。ZK03鉆孔孔深247.2m，方位角30°，傾角75°，在211.01m～216.3m處見釩礦化，厚度約1m，V2O5平均含量約為1.1%；孔深261.4m見西雙山鷹組一段淺灰色白云巖，為礦化體底板。

ZK04鉆孔孔深281.1m，方位角210°，傾角75°，在孔深102m～270m見灰黑色炭質(zhì)板巖，孔深262.27m～270m見釩礦化，V2O5平均含量約為1.0%?？咨?70.1m見西雙山鷹組一段灰白色微晶白云巖，為礦化體底板。

4 結(jié)論

（1）在該區(qū)開展綜合物探工作的設(shè)備選擇極其重要，V8是在該類地區(qū)開展電法工作的最有效設(shè)備之一。

（2）反演結(jié)果的視電阻率特征和鉆探結(jié)果，證實了向斜構(gòu)造的存在，釩礦化體受向斜構(gòu)造控制。

（3）V2釩礦化體上由東-西的ZK01、ZK03、ZK05見礦深度分別約在海拔1240m、1250m、1250m；V1釩礦化體的上由東-西的ZK02、ZK04、ZK06見礦深度分別約在海拔1170m、1200m、1300m。表明V1釩礦化體在深部的埋深和礦化體厚度變化不大；V2釩礦化體由東-西存在埋深變大和礦化體厚度變薄的趨勢，且V2釩礦化體厚度相對于V1大。

（4）V1、V2兩條礦化體有向北西向延伸的趨勢，建議可以進(jìn)一步布置綜合物探工作，盡可能的查明本區(qū)的釩礦化體分布情況。