杨 丽

（湖南工业大学，湖南 株洲 412007）

在冶金、石油化工领域中经常遇到液—液、固—液、气—液或者气—固—液三者之间的化学反应，其反应速度的控制是至关重要的关键问题，如果反应速度过慢则空耗时间和能源，造成资源浪费和经济效益低下，但是如果反应速度过快，太激烈必然造成温度、压力过高或者反应产物溢出反应釜，甚至酿成重大事故！如果能把反应速度控制在最佳状态，则可以达到既能保证安全生产又能发挥最大效益。但是要对化学反应速度实施有效控制是非常令人头疼的事情，因为影响反应速度的因素很多，包括物料本身的性质和温度、压力、浓度、pH值等等工艺参数，而且各种因素之间相互关联，相互促进，错综复杂，很难把握。在以往的自动控制理论和实践中（例如DCS自控系统），往往只能选定某一个参数，设定一个合适的控制水平来实施控制，但是事先所选定的控制方案是固定不变的，而需要控制的化学反应过程是不断变化的，显而易见这种控制方法是不能把反应速度控制在理想状态的。为了保险起见，通常采取开放式作业，在有自动控制的情况下再加人工看管。即使这样因控制失误而发生事故也是屡见不鲜[1]。为了对化学反应的速度实施有效控制，“光电控制器”对化学反应进行的程度和速度具有一定判断功能的。该装置能对绝大多数有液相参加的化学反应过程实施有效控制，从而提升了生产能力、产生更大的效益。

1 硬件构成

但凡有液相参加的化学反应进行到一定程度都会产生泡沫，就像日常生活中烧水、做饭、煮汤一样，但是这貌似平常的自然现象却传达出重要的信息，它实际上反映出化学反应的速度和进行到何种程度。如果产生的泡沫较少且稀薄，表明反应速度应该加快以提高工作效率，如果产生的泡沫越来越多、比较稠密并不断增厚，说明反应速度相当快了，应当加以适当控制，否则即刻就会发生泡沫裹挟液体溢出锅外浇灭煤气炉的危险[2]。在湿法冶金和化工生产中泡沫产生的严重性和危险性远远甚于烧水、做饭，必须引起高度重视。及时捕捉正在进行的化工生产过程中泡沫的产生、发展、变化情况具有重要的意义：①这些信息可以帮助我们判断出当前的化学反应的速度，和接下来的发展趋势；②利用这些信息对化工生产过程进行控制。为达此目的“光电控制器”由以下主要部分组成：

（1）信息捕捉探头。其结构和工作原理如下：一个光源（灯泡或其它不可见光源，如X-射线发射管、γ放射源等）和一个感光元件（例如光电倍增管等）分别密封在玻璃管内，然后安装在反应釜内适当的位置。安装方法之一，两者水平安装在反应釜内适当的高度并保持适当的距离，方法之二，两者垂直安装，光源装在釜内、感光器装在釜外两者之间隔着一个玻璃密封窗。安装的原则是光源发出的恒定的光信号，感光元件能接收到此光信号并将其转化为电信号输出，由此二者组成一个可以监测釜内所发生的化学反应的信息探头。在反应初期反应釜中还没有泡沫的情况下，感光元件接收到最强，是光源发出的原始光信号，随着化学反应的进行逐渐产生泡沫，如果泡沫逐渐堆积接触并进一步淹没光源，虽然光源发出的光强度不变，但是穿过泡沫层必然会衰减，感光元件接收到的光信号的强度必然减弱，接收到的光信号越弱说明泡沫越浓密、越厚，也就是此时化学反应越激烈，所以我们可以根据感光元件传递出来的电信号的强弱判断出反应釜内的状况，据此调整控制工艺参数；

（2）具有逻辑判断功能的电路。应用单片机作为控制器，根据感光元件传递出来的电信号的强弱，和电信号变化的速率判断出化学反应的激烈程度和发展趋势，然后发出控制指令；

（3）执行机构：气动隔膜控制阀。根据需要控制的化学反应的特性选定一个影响反应速度最敏感的参数加对气动隔膜控制阀的开度进行控制。

2 光电控制器在调酸反应槽中的控制设计

某钨冶炼企业的调酸工序的任务是往pH9～10的含硫化物的碱性溶液中加入硫酸，将其pH值中和至pH2，中和反应在温度60℃～90℃下进行，在反应过程中有H2S气体释放出来，由此引发大量泡沫产生，必须打开观察孔由人工观察看管，整个操作过程是在开放条件下进行，排风量约3000m3/h，所以产生了的含H2S气体的废气量很大，消耗的能源也很大。另外还存在严重的安全隐患，因为产生泡沫的因素很多，人工观察也不能提前判断和掌握反应高峰何时到来，不能提前采取预防措施，所以泡沫量太大时涌出槽外的事故时有发生，由此而引起H2S中毒的事件也发生过。采用“光电控制器”代替人工看管使此面貌彻底改观。

光电控制器的光源和感光元件采用垂直安装方案：在调酸反应槽盖上设置一个φ260mm的密封玻璃窗口，玻璃窗口外安装一个光电倍增管，“光源”安装在槽内该窗口下方400mm处设置一根φ120mm的密封玻璃管，管内装有45°反光镜（或三棱镜），一个10W的LED射灯作为光安装在密封玻璃管的管口处（见图1），射灯发射的光线经过三棱镜反射后垂直向上，透过玻璃窗照射到“光电倍增管”上，光电倍增管将接收到的光信号转换成电信号输出。因为加硫酸的速度是影响反应速度最显著的因素，所以利用此电信号来驱动安装在分解槽进酸管上的气动隔膜阀，调节加酸流量的大小，从而达到控制反应速度的目的。

操作程序：关闭观察孔，整个作业过程是在封闭下进行，启动自控程序，当温度升至60℃时开启硫酸自控阀注入硫酸开始中和反应。反应之初，光电管接收到的光最强，输出的电信号也最强，发出最强的指令将硫酸自控阀开到最大（阀门开度80%）加硫酸的速度也最较大（约5.0m3/h），可以提高反应速度和效率，随着中和反应的进行泡沫会不断地产生，当然也会不断地破裂，处在一个动态平衡中，当反应速度过快泡沫产生的速度大于破裂的速度，则泡沫还会越来越多、越来越浓密，并不断堆积上升。当泡沫上升淹没到“光源”时，感光元件会感受接到的光信号的强度减弱了，则自控装置会立即发出指令适当调整降低硫酸的流速，也就是降低反应速度，使泡沫的产生速度小于破裂速度，则泡沫层回落，回复到之前的状况；总之自控装置会根据接到的光信号的强弱程度，和光信号的变化速率，判断出化学反应的速度以及发展趋势，在5.0m3/h～0m3/h之间调整加硫酸的速度，直到溶液中和至pH2，完成中和反应作业。设计图如图1调酸槽控制系统设计图。

图1 调酸槽控制系统设计图

3 仪器调试与标定

（1）按要求在调酸槽上安装好“光源”和“光电倍增管”、连接好自控电路与自控阀，形成一个完整的自控回路；

（2）自控阀的进酸管道与供应稀硫酸的高位储槽的出口管连通，（此出口管道上装有手动节流阀），形成一个受控的硫酸供应系统；

（3）标定最大硫酸流量：在空槽中光源发出的光线畅通无阻的状态下，光电倍增管接收到的光强度为最大值I0（即光源的原始发光强度），此时光电管转换输出的电压信号为最大值V=10mv，用此电信号驱动硫酸自控阀开到最大（阀门开度的80%），人工调节手动节流阀使硫酸的流量达到工艺要求的最大流量（如本实例中5.0m3/h），然后锁定手动节流阀，则硫酸的最大加量亦锁定为5.0m3/h；

（4）最小流量的确定：用挡光板挡住光源直射光电管的光线，此时光电倍增管接收到的光强度I≈0，相当于反应达到最高潮泡沫已经淹没光源接近排风口将光线全部挡住，相应地输出的电压型号为0mv，此时控制器发出指令全关闭自控阀，硫酸流量为0，反应终止；

（5）控制曲线：在实际生产中，化学反应的激烈程度，决定着泡沫产生的多少和浓淡，由此控制着光电管接收的光强度在0～I0之间变化。光电管的输出电压信通过PID调节器控制自控阀的开度和硫酸的加入量（见图3）。

在40m～740m布置了32个AMT测深点，长度700m，点距20m（两端点距为40m）。反演结果显示低阻异常条带分布范围较大，有向下延伸的趋势，向斜构造的电性特征明显。

在剖面上布置了两个验证钻孔ZK01、ZK02。ZK01钻孔孔深273.9m，方位角30°，倾角75°。在孔深224m～264m见灰黑色炭质板岩，V2O5含量约为0.1%，在254m～259m处见2层钒矿化，厚度为1.3m、1.8m，V2O5平均含量约为0.6%；孔深264m见西双山鹰组一段白云岩，为矿化体底板。

ZK02钻孔孔深335.8m，方位角210°，倾角75°。在孔深183m～259m见灰黑色炭质板岩；孔深260m～320m见黑色炭质板岩，V2O5平均含量约为0.1%，孔深275m～276m见厚度约1m的钒矿化，V2O5含量0.6%，孔深292m～321m见5层钒矿化，最小厚度为1.6m，最大厚度为6m；孔深322m见西双山鹰组一段浅灰色白云岩，为矿化体底板。

3.2.2 JD15剖面

激电异常主要分布在100m～480m间，宽约380m。异常段ηs平均值为13.5%，最大值为19.2%，最小值为7.2%。ρs平均值为0.75Ω·m，最大值为3.82Ω·m，最小值0.02Ω·m。在0m～620m间布置了31个AMT测深点，长度620m，点距20m（两端点距为40m）。反演结果显示低阻异常呈带状分布，西侧未封闭，推测炭质板岩有向西侧深部延伸的趋势。

在剖面上布置了两个验证钻孔ZK03、ZK04。ZK03钻孔孔深247.2m，方位角30°，倾角75°，在211.01m～216.3m处见钒矿化，厚度约1m，V2O5平均含量约为1.1%；孔深261.4m见西双山鹰组一段浅灰色白云岩，为矿化体底板。

ZK04钻孔孔深281.1m，方位角210°，倾角75°，在孔深102m～270m见灰黑色炭质板岩，孔深262.27m～270m见钒矿化，V2O5平均含量约为1.0%。孔深270.1m见西双山鹰组一段灰白色微晶白云岩，为矿化体底板。

4 结论

（1）在该区开展综合物探工作的设备选择极其重要，V8是在该类地区开展电法工作的最有效设备之一。

（2）反演结果的视电阻率特征和钻探结果，证实了向斜构造的存在，钒矿化体受向斜构造控制。

（3）V2钒矿化体上由东-西的ZK01、ZK03、ZK05见矿深度分别约在海拔1240m、1250m、1250m；V1钒矿化体的上由东-西的ZK02、ZK04、ZK06见矿深度分别约在海拔1170m、1200m、1300m。表明V1钒矿化体在深部的埋深和矿化体厚度变化不大；V2钒矿化体由东-西存在埋深变大和矿化体厚度变薄的趋势，且V2钒矿化体厚度相对于V1大。

（4）V1、V2两条矿化体有向北西向延伸的趋势，建议可以进一步布置综合物探工作，尽可能的查明本区的钒矿化体分布情况。