کاربردها و روش های کنترل فرایند pH

فرایند pH یکی از مهمترین فرایندهای شیمیایی است که کنترل آن در تضمین کیفیت بسیاری از محصولات موثر می باشد. به طور کلی کنترل فرایند pH در صنعت در دو گروه خنثی سازی ( کنترل حول pH=7) و کنترل pH محلول های اسیدی و بازی دسته بندی می شود. به جهت استانداردهای مختلف اعمالی بر پس آب و فاضلاب خروجی کارخانه ها، خنثی سازی از پرکاربردترین حلقه های کنترل pH در صنعت می باشد. در ادامه برخی از کاربردهای مهم فرایند pH و کنترل آن در صنایع مختلف، معرفی می شوند.

1) دفع پسماندهای صنعتی

در اغلب صنایع تولیدی پس ماندها به صورت مایع و همراه با آب دفع می شوند. این پس ماندها باید به گونه­ ای باشند که صدمه ای به محیط زیست وارد نسازند. در برخی از موارد نیز این پس آب ها به چرخه تولید بازگردانده می شوند که در هردو حالت کنترل pH یا خنثی سازی این مواد ضروری می باشد.

2) کشاورزی

کیفیت آب مورد استفاده در مزارع تاثیر مهمی در کیفیت محصول دارد. امروزه کنترل pH آب مورد استفاده در مزارع و گلخانه ­ها، به خصوص در مواردی که محصول به pH آب حساس باشد، از اهمیت بالایی برخوردار است.

2) صنایع کاغذسازی

کنترل pH در صنایع تولید کاغذ بسیار مهم می باشد. تنظیم pH محلول های مورد استفاده، تاثیر بسزایی در کیفیت، رنگ و مشخصات محصول دارد.

4) صنایع غذایی

کنترل pH در فرآیندهای تولید مواد غذایی نقش اساسی دارد. برای مثال در حین فرآوری برخی محصولات، pH آنها باید در محدوده خاصی نگه داشته شود. در غیر این صورت محصول یا قابل مصرف نخواهد بود و یا کیفیت مطلوب را نخواهد داشت.

5) صنایع تولید فلزات

در این صنایع مراحلی از تولید، مانند دی سولفاته کردن، وجود دارند که در آنها به کنترل دقیق pH نیاز است.

6) صنایع تولید مواد شیمیایی و دارویی

بیشترین کاربرد کنترل pH در این صنایع می باشد. به طوری که اغلب فرایندهای ترکیب و واکنش مواد در این صنایع، از کنترل pH استفاده می کنند.

7) نیروگاه ها

کنترل pH آب مورد استفاده در بویلرها نیاز به دقت بالایی دارد. هرگونه خطا موجب صدمات جبران ناپذیری می شود. همچنین آب مورد استفاده در راکتورهای هسته ای نیز از نظر pH باید شرایط خاصی داشته باشد که نیازمند حلقه های دقیق کنترل pH است.

فرایند pH محلول معمولا شامل یک مخزن اصلی است که مواد در آن با هم مخلوط می شوند . یک همزن، روند ترکیب مواد را تسریع می کند. چنین مخزنی را CSTR می گویند. مواد ورودی شامل مواد اسیدی، مواد بازی، مواد بافر و آب می باشند. بافرها موادی هستند که pH آنها با اضافه شدن مقدار کمی اسید یا باز، تغییر چندانی نمی کند. آب نیز به عنوان ماده خنثی استفاده می شود. برای کنترل pH، یکی از ورودی های اسید یا باز را به عنوان ورودی کنترل و دیگری را ثابت در نظر می گیرند. ورودی ثابت، نقش اغتشاش نیز دارد و خروجی فرایند، pH محلول می باشد. در شکل زیر نمایی کلی از فرایند pH را نشان می دهد.

pH دارای رفتار غیرخطی است و بهره فرایند در نقاط کاری مختلف به شدت تغییر می کند. رفتار pH در محدوده نزدیک به اشباع اسیدی و بازی، تقریبا خطی است. ولی با نزدیک شدن به pHهای میانی، بهره به شدت افزایش یافته و تغییرات کوچک ورودی، تغییرات بزرگ ناگهانی در خروجی را سبب می شوند. وجود بافر در ترکیب مواد شرکت کننده در فرایند pH، موجب کاهش شدت رفتار غیر خطی فرایند می شود. توصیف فرایند pH با نمودار تیتراسیون، از معمول ترین روش های توصیف آن می باشد که تغییرات pH را بر اساس تغییرات دبی یا غلظت مواد ورودی نشان می دهد.

ماهیت غیر خطی pH، کنترل آن را دشوار کرده است. به دلیل تغییرات زیاد بهره در نقاط کار مختلف، کنترل کننده­ های خطی با پارامترهای ثابت مناسب نیستند. درچنین شرایطی استفاده از کنترل کننده­ های تطبیقی پیش بین یا خود تنظیم، غیر خطی، فازی، شبکه عصبی و کنترل کننده ­های با یادگیری تقویتی که قابلیت انطباق و به روزرسانی پارامترهای کنترل کننده را دارند، گزینه مناسبی است. نشان داده شده است که می توان فرایند pH را به دو بخش دینامیکی خطی و بهره استاتیکی غیر خطی تقسیم کرد. در این صورت می توان از کنترل کننده ­های خطی مانند PID با جدول بندی بهره و یا از مدل های چندگانه خطی محلی استفاده کرد.

**

منبع: طراحی کنترل کننده هوشمند تنظیم خودکار برای سیستم سنجش PH

نگارش: زینب طهرانی زمانی