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¿Qué son los sistemas de monitoreo de pH y cómo se aplican en los sistemas de control?

Este artículo explora el uso de sensores de pH en la industria, así como la configuración básica de un sistema de control de pH. Se recomienda una comprensión fundamental de la escala de pH y las reacciones ácido-base antes de leer este artículo. Puede encontrar una actualización de estos conceptos aquí.

Aplicaciones de monitoreo y control de pH

Las sondas y transmisores de pH se utilizan en laboratorios y sistemas de control en una variedad de industrias, incluyendo la producción química, petroquímica, tratamiento de aguas y aguas residuales, alimentos y bebidas, productos farmacéuticos y plantas de energía.

Existe una miríada de aplicaciones; algunos tan novedosos como administrar el pH del puré de una cervecería para producir la cerveza perfecta, algunos tan necesarios como monitorear la escorrentía de la actividad minera para garantizar que se cumplan los estándares de protección ambiental. Sin embargo, en todas las industrias y aplicaciones, las mediciones tomadas de estos dispositivos son parámetros importantes de monitoreo y control para la calidad del producto y los flujos de residuos del proceso.

Consideraciones de sonda y transmisor

Si bien son útiles, las sondas de pH y los transmisores tienen algunas limitaciones prácticas a considerar.

Los medidores de pH pueden tener un tiempo de actualización relativamente lento, lo que introduce un retraso en la variable medida, una consideración importante si el pH se usa con fines de control.

El exterior de muchas sondas de pH está hecho de vidrio, lo que las hace frágiles. Existen otras carcasas para aplicaciones donde la contaminación por vidrios rotos es una preocupación, como en la industria de bebidas.

La membrana de vidrio poroso utilizada en la mayoría de las sondas debe permanecer sumergida en la solución para evitar que se seque y cause lecturas erróneas. Si una aplicación requiere que la sonda esté seca por un período de tiempo prolongado, se debe considerar una sonda especializada para resistir esto, o la sonda tendrá que rehidratarse en una solución altamente ionizada antes de continuar su uso.

Las sondas de pH también deben calibrarse en varios puntos y limpiarse con bastante frecuencia para garantizar lecturas y controles precisos.

¿Qué es un sistema de control de pH?

Lograr un pH objetivo, ya sea como un paso en una cadena de producción o para neutralizar un flujo de residuos como parte del tratamiento, es una aplicación de control común.

La Figura 1 muestra la configuración básica de un proceso de control de pH realizado a escala industrial.

Figura 1. La configuración básica de un proceso de neutralización.

Las configuraciones individuales varían, pero todas comparten algunos componentes comunes; a saber, un recipiente del reactor con un mezclador o agitador, alimentaciones de adición química que pueden encenderse y apagarse para agregar el agente neutralizador u otro agente de pH objetivo, una forma para que la solución requiera un ajuste para entrar y salir del recipiente del reactor, y de Por supuesto, un controlador como un controlador lógico programable (PLC) o un sistema de control distribuido (DCS) para administrar las entradas, salidas y acciones del programa.

La dificultad del control del pH: no linealidad

Muchas variables controladas en el ámbito del proceso se comportan de forma relativamente lineal. Por ejemplo, al abrir una válvula de control de flujo, un porcentaje hace que aumente la velocidad de flujo asociada. Los ajustes de pH generalmente no se comportan de esta manera. Por ejemplo, considere la titulación (neutralización) de un ácido débil, como el ácido acético, con una base fuerte, como el hidróxido de sodio. El comportamiento de esta reacción se ilustra en la Figura 2, a continuación.

Figura 2. Titulación de un ácido débil con una base fuerte.

El pH inicial del ácido es de alrededor de 3. Cuando se agregan 10 ml de base, el pH aumenta en 1 punto de pH. Cuando se agregan 10 ml más, el pH aumenta un poco menos de 1 punto de pH. Luego, cuando se agregan 10 ml más (30 ml en total), el pH salta drásticamente en más de 4 puntos de pH a 11.

Este comportamiento es altamente no lineal, lo que hace que las metodologías de control tradicionales, como un bucle Proporcional-Integral-Derivado (PID), generalmente sean inadecuadas cuando el pH objetivo se produce en o después de la región altamente inclinada de la reacción. Dependiendo del tiempo disponible para tratar al afluente y la variabilidad de las características del afluente, se pueden emplear controles de diversa complejidad, desde dosificar una cantidad establecida de titulador a una frecuencia específica hasta emplear algoritmos de control predictivo más avanzados.

Monitoreo y control de pH: resumen

• El monitoreo y control del pH se utilizan ampliamente en varias industrias. Es necesario seleccionar la sonda y el transmisor adecuados para una aplicación en particular, así como mantener el equipo para garantizar lecturas adecuadas.
• El control del pH puede lograrse con un sistema de control automatizado, pero la naturaleza no lineal del ajuste del pH debe considerarse al diseñar un esquema de control.