DE2059300B2 - Vorrichtung zur pH Wert Regelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur pH-Wert-Regelung \on Lösungen entlang der Titrationskurve, wobei die gemessenen pH-Werte als ein den pH-Werten 0 bis 14 linear zugeordnetes Signal erhalten werden und der Reglerausgang eine nichtlineare, sondern der Titrationskurve angenäherte Kennlinie aufweist.

Bei Lösungen, unter denen hier Mischungen in flüssiger Phase aus mehreren Komponenten z» verstehen sind, hat der pH-Wert als Stoffkennzahl oft dominierenden Einfluß auf das Verhalten bei ihrer Weiterverarbeitung. So wird z. B. aus einer Mischung von HNO., und NH., bei einem bestimmten pH-Wert Ammonnitrat hergestellt; die Sole in einer Chloralkali-Eleklrolyse mit einem bestimmten pH-Wert ist Ausgangsstoff für die Produktion von Chlor und Natronlauge. Die Genauigkeit der Einregelung des bestimmten pH-Wertes ist ein Maß für die Führung der technischen Prozesse und damit Maß für den Bedarf an Einsatzkomponenten und Energien und für die Qualität der Produkte. Je nach gefordertem pH-Wert ist ein bestimmtes Lösungs-Mischungsverhältnis durch geregelte Zugabe mindestens einer Komponente einzuhalten.

Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen über ein Regelventil die Komponente zugegeben wird, welche den pH-Wert beeinflußt. Das Regelventil selbst erhält seine Impulse von einem pH-Meßkreis. Dieser Meßkreis selbst empfängt die Daten vom pH-Meßgerät. Die Titrationskurve einer Säure-Lauge-Mischung ist nur in ihrem MI₁IeUeU annähernd linear, während sie im unteren und oberen Bereich logarithmisch gekrümmt ist, d.h., Unlinearität aufweist. Düse UnIinearität kann mehrere Zehnerpotenzen betragen und sie bedingt, daß eine gleiche Zugabemengenände-

rung, z. B. an Säure oder an Lauge, durch das Stellglied, je nach dem momentan vorliegenden pH-Wert eine unterschiedlich große pH-Wertänderung verursacht. Die aus den zugegebenen Regelungen erfolgte pH-Wertänderung wird für den Sollwert zu groß oder zu klein. Aus dieser Unzulänglichkeit der Regeleinrichtung ergeben sich Nachteile für das Produktionsverfahren, wie z. B. bei der Ammonnitratherstellung Verluste an Einsatzstoffen, wie HNO., und/oder HN.,. Überschüssige, nicht gebundene Komponenten gelangen infolge verminderter Regelgüte in unzulässiger Menge in die Atmosphäre. Weiterhin kann das Produkt unbrauchbar werden, falls sein Soll-pH-Wert nicht stimmt

In einer Chloralkali-Elektrolyse muß die Sole mit einem bestimmten pH-Wert, der außerhalb des linearen Bereichs der Titrationskurve liegt, vorliegen. Wird dieser Wert nicht eingehalten, ergeben sich Schwierigkeiten in der Prozeßführung.

Um die vorbeschriebenen Schwierigkeiten zu mindern, sind verschiedene Maßnahmen vorgesehen worden. So is.t es bekannt, für bestimmte Kurvenbereiche des nicht linearen Teils Regelventile mit speziellen Kurvenscheiben auszustatten. Das bedeutet aber, daß für eine Regelung über einen weiten Kurvenbereich mehrere Regelventile abschnittweise zu- bzw. abschaltbar installiert werden müssen. Jedes Regelventil ist an einen bestimmten Kurvenbereich gebunden.

Weiterhin sind pH-Wert-Regelungen bekannt, bei denen durch Änderung der pH-Wert-Meßintervalle und der Regelintervalle eine Annäherung an die nichtlineare Regelstrecke angestrebt wird. Das Regelventil für die zuzumischende Komponente geht im ungünstigsten Fall in die Schaltfolge »Auf—Zu« über. Die kontinuierlich hergestellte Lösung hat örtlich verschiedene Konzentrationen.

Da den bekannten Vorrichtungen zur pH-Wert-Regelung von Lösungen entlang der Titrationskun. e Grenzen gesetzt waren, Zeitschrift für Instrumentenkunde, 72. Jahrgang. Heft 1, Januar 1964, S. 1 bis 6, mußte bisher eine verminderte Regelgüte in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelgüte in einer Vorrichtung zur pH-Wert-Regelung von Lösungen über den ganzen Bereich der Titrationskurve wesentlich zu verbessern bei minimalem Einsatz von Rechengliedern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem einen Ausgang des Doppelausganges des Meßwandlers ein Umkehrrelais zugeordnet ist. der andere Ausgang gemeinsam mit dem Ausgang des Umkehrrelais in ein Maximalwert-Auswahlrelais geführt wird, über ein Festfaktorrelais zu einem zweiten Maximalwert-Auswahlrelais führt, das einen weiteren konstanten einstellbaren Signalwert enthält, der Ausgang des zweiten Auswahlrelais über einen Meßantrieb mit einem pH-Regler verbunden ist.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn zur Umwandlung der elektrischen Signale aus dem pH-Meßgerät in hyperbelähnliche Signale für das pH-Regelgerät pneumatische bzw. elektrische Rechenglieder verwendet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lineare Signale aus einer pH-Messung so gestaltet werden können, daß eine logarithmische Kennlinie mit positiver und negativer Steigung, wie

sie eine Titrationskurve aufweist, mit guter Annäherung nachgefahren werden kann. In den nichtlinearen Teilen der Kurve wird eine hyperbelähnliche Kurve gefahren, die sich als beste Annäherung an die Tiirationskurve erweist. Die Annäherung ist so gut, daß der Regelkreis nicht instabil wird. Die erfindungsgemäße Schaltordnung erlaubt die Ausbildung eines Regelkreises in vollautomatischer Ausführung mit handelsüblichen Serienteilen. Der Regelungsvorgang läuft kontinuierlich ab. das Regelventil steuert den Zufluß der Regelkomponenten kontinuierlich und geht nicht in die diskontinuierliche »Auf—Zu«- Schaltfolge über. Auf Grund der kontinuierlichen Komponentenzugabe erreicht man je nach Forderung einen konstanten oder einen sich stetig ändernden pH-Wert. Da eine Schwankung um einen Mittelwert nicht stattfindet, wird eine hohe Regelgüte erreicht. Als Folge hiervon erhält man Lösungen von gleichmäßiger Konzentration und damit ein Produkt mit dem gewünschten pH-Wert. Einsatzstoffe gehen nicht verloren, z. B. wegen nicht eingehaltener Neutralisation. Durch die vollautomatische Regelung vereinfachen sich Bedienung und Wartung der Anlage. Darüber hinaus werden nur einige Rechenglieder zur Meßwertumformung benötigt.

Die Erfindung wird am Beispiel einer pH-Wert-Einstellung für die Sole einer Chloralkali-Elcktrolyse näher beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 pH-Kurve mit Arbeitskurve des Reglers (Regler-Ausgangskurve),

F i g. 2 Schaltanordnung mit Funktionskurven.

Die in F i g. 1 dargestellte pH-Kurve I zeigt den pH-Wert als Funktion der NaOH-Zugabe. Irn unteren und oberen pH-Wert-Bereich bind größere NaOH-Zugaben für eine bestimmte pH-Wert-Änderung erforderlich als im mittleren Bereich. Die als II eingezeichnete Arbeitskurve des pH-Reglers zeigt den Steuersignalwert als Funktion des Reglerausgangs. Aus F i g. 1 ist die gute Annäherung und Symmetrie der Kurve II zur Kurve I ersichtlich. Das Regelorgan oder Regelventil steuert automatisch die erforderliche Komponentendosierung.

Nach F; g. 2 erhält das pH-Meßgerät 1 über Fühler 2 in der Zuflußleitung 3 der Sole für die Zelle der Chloralkali-Elektrolyse das lineare Signal. In dem Meßwandler 4 wird das elektrische Signal in ein pneumatisches Signal mit den Endwerten ü,2 und 0,1 kp/cm² umgewandelt, Kurve Fig. 2a. Über einen Doppelweg führt dieses Signal einmal direkt über die Leitung 5 und einmal über ein Druckumkehrrelais 6 mit der Kurve nach F i g. 2 b zu dem maximalen Auswahlrelais 7. Das Auswahlrelais 7 liefert ein Signal, Kurve F i g. 2 c, das für größer werdenden pH-Wert von 1,0 bis auf 0,6 kp/cm- fällt und dann wieder auf 1,0 kp/cm² ansteigt. Zur weiteren Verarbeitung wird dieses Signal mittels eines Festfaktorrelais 8 mit einem Faktor von z. B. 1 : 2 in das Signal 1,0 bis 0,2 bis 1,0 kp/cm², Kurve F i g. 2 d. umgewandelt. Dem Festfaktorrelais 8 folgt ein weiteres maximales Auswahlrelais 9, dem als konstanter Grundwert ein einstellbarer Druck K₁, F i g. 2 e, über die Leitung 10 zugeführt wird. Mittels des Druckminderers 11 wird der Druck K₁ eingestellt und konstant gehalten. Das maximale Auswahlrelais 9 unterdrückt von dem aus dem Festfaktorrelais kommenden Signahverten diejenigen, die unter dem Druck K₁ liegen. Hiermit wird erreicht, daß im mittleren, fast linearen Bereich der pH-Wert-Kurve Änderungen des pH-Wertes mit konstanter Verstärkung als Regelimpuls auf das Regelorgan übertragen werden. Die Signal »verte oberhalb K₁ verlassen das maximale Auswahlrelais 9 und werden über den Meßantrieb 12 dem pH-Regler 13, der mit dem Leitgerät 14 gekoppelt ist, zum Regelorgan 15 geführt. Funktionskurve 2 / zeigt den Steuersignalausgang des Reglers 13. Der pH-Regler 13 ist als P-Regler mit geführtem Arbeitspunkt ausgebildet, sofern er als Führungsregler dient. Wird ein Ventil direkt angesteuert ist der pH-Regler als PI-Regler ausgebildet. Mit einer am Meßantrieb des Reglers vorhandenen Feder besteht die Möglichkeit, die Ausgangsregelwerte zu spreizen oder zu verkürzen.

Die vorgeschriebene Umwandlung des linearen pH-SignaK aus dem pH-Meßgerät in ein Signal nach F i g. 2 e zum pH-Regler läßt sich ebenfalls mit elektrischen Rechengliedcrn oder solchen mit anderen fluidalen Strömungsmitteln durchführen. Solche Rechenglieder sind handelsübliche Serienteile.

In dem vorbeschriebenen Beispiel ist an einer Chloralkali-Elektrolyse-Anlage die Erfindung näher dargelegt. Es versteht sich, daß die Erfindung Modifikationen zuläßt, z. B. derart, daß Abhängigkeitskurven von spiegelbildlicher logarithmischer oder ähnlicher Funktion, die als lineare Signale erhalten werden, in entsprechende Annäherungskurven umgewandelt, als Regelsignale für die Abhängigkeitskurven verwendet werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur pH-Wert-Regelung von Lösungen entlang der Titrationskurve, wobei die gemessenen pH-Werte als ein den pH-Werten 0 bis 14 linear zugeordnetes Signal erhalten werden und der Reglerausgang eine nichtlineare, sondern der Titralionskurve angenäherte Kennlinie aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem einen Ausgang des Doppelausganges des Meßwandlers (4) ein Umkehrrelais (6) zugeordnet ist, der andere Ausgang gemeinsam mit dem Ausgang des Umkehrrelais (6) in ein Maximalwert-Auswahlrelais (7) geführt wird, über ein Festfaktorrelais (8) zu einem zweiten Maximalwert-Auswahlrelais (9) führt, das einen weiteren konstanten einstellbaren Signalwert (K₁) enthält, der Ausgang des zweiten Auswahlrelais (9) über einen Meßantrieb (12) mit einem pH-Regler (13) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Umwandlung der elektrischen Signale aus dem pH-Meßgerät in Signale für das pH-Regelgerät pneumatische Rechenglieder verwendet werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung der elektrischen Signale aus dem pH-Meßgerät in Signale für das pH-Regelgerät elektrische Rechenglieder verwendet werden.