pH中和过程

2024-06-11

pH中和过程(精选三篇)

pH中和过程 篇1

目前,中国大多数糖厂制糖过程中均采用亚硫酸法澄清工艺,而在亚硫酸法澄清工艺中,中和p H值的控制的效果直接关系到成品白糖的产量和质量。由于蔗糖生产的澄清工段是一个具有强非线性、大滞后、强耦合、多输入多输出的复杂过程,因此用传统的线性辨识方法难以建立其精确的数学模型,致使该过程的实际p H值控制难以取得满意的效果。RBF神经网络具有很好的函数逼近能力,它可以将过程看作一个黑箱,通过测量系统输入、输出特性,然后利用所测量的输入、输出数据来训练一个神经网络,使其输出对输入的响应特性具有与被辨识过程相同的外部特性。用RBF神经网络来建模具有不易陷入局部最小点、收敛速度快等优点,为此,本文提出采用RBF神经网络来建立糖厂澄清工段中和p H控制的模型。

2 糖厂澄清工段的生产过程

糖厂澄清工段的主要作用是把压榨工段送来混合甘蔗汁经过预灰、加热、中和反应、沉降过滤等工序,去除非糖成分得到纯净的清汁,以便在结晶过程中制得优质的白糖,并取得较好的糖份收回率。亚硫酸法澄清过程是一个复杂的物理化学反应过程,可以分为预灰、加热、中和反应、沉降过滤四个阶段,如图1所示。首先,在混合甘蔗汁中加入少量的石灰乳,同时加入磷酸,调整p H至微酸性或中性。其次,对混合汁进行一次加热,温度控制在55~70℃范围内。再次,把混合汁送入中和器,在中和器中对混合汁加入石灰乳、二氧化硫气体,亚硫酸和氢氧化钙在蔗汁中发生中和反应生成亚硫酸钙沉淀,蔗汁中的胶体随大量生成的亚硫酸钙一起沉淀析出。接下来对中和汁进行二次加热,可加速磷酸和亚硫酸的生成反应,使其较完全的生成钙盐沉淀,并使蛋白质等各种非糖份凝结得更结实。最后把中和汁泵入沉降池进行沉降,得到清汁[1,2]。

3 R B F神经网络的基本原理

3.1 RBF神经网络的结构

RBF神经网络是Moody和Darken于20世纪80年代末提出的一种具有单隐层的三层前馈网络,如图2所示,其网络结构和学习算法与BP网有着很大的差别,在一定程度上克服了BP网络的缺点。RBF神经网络包括三层:输入层、隐藏层和输出层,每个输入对应一个输入层节点。输入层和隐藏层之间没有权重。隐藏层节点称为数据中心,定义一个向量称为中心向量和一个标量为宽度。隐藏层的激励函数为高斯函数,隐藏层和输出层的权重是vji。

构建RBF神经网络的基本思想是:隐含层节点采用径向基函数构成隐含层空间,这样就可将输入向量直接(即不通过权连接)映射到隐含层空间。当径向基函数中心确定以后,这种映射关系也就确定了。而从隐含层空间到输出空间的映射是线性的,即网络的输出是隐含层节点输出的线性加权和。此处的权值是可调参数。由此可见,网络由输入到输出的映射是非线性的,而网络输出对可调参数而言又是线性的。这样网络的权值就可由线性方程组直接解出或用RLS(Recur si ve Lea st Sq uar es)方法递推计算出来,从而大大加快学习速度并避免了局部极小问题[3,6]。

对于RBFNN的所有的输入输出关系为:

X是输入向量,Cj∈Rn是RBFNN隐藏层的第j个中心单元,h是RBFNN的隐藏层节点数,bi和vji分别是隐藏层和输出层之间的阈值和权值。yi是输出空间的第i个输出。一旦RBFNN的中心建立,隐藏层第i个数据中心的宽度可以按下式计算:

Cki和Ckj分别是RBFNN的第i个和第j个单元的第k个值。表示欧式范数。

3.2 RBF神经网络的训练

RBFNN采用由两个阶段组成的混合学习过程的学习算法。第一阶段是K-means聚类算法,其任务是用自组织聚类方法为隐藏层节点的径向基函数确定合适的数据中心,并根据各中心之间的距离确定隐藏层节点的扩展常数。第二阶段为监督学习阶段,其任务是用有监督学习算法训练输出层的权值。隐藏层节点RBF函数的中心、扩展常数和输出层权值均采用监督学习算法进行训练,即所有参数都经历一个误差修正学习过程[4]。

在聚类确定数据中心的位置之前,需要先估计中心的个数m(确定隐藏层节点数),一般需反复试验确定。由于聚类得到的数据中心不是样本数据Xp本身,因此用c(k)表示第k次迭代时的中心。K-means聚类算法按下面的步骤进行:

(1)初始化选取n个互不相同的向量作为初始聚类中心:c1(0),c2(0),…,cn(0);

(2)计算输入空间各样本点与聚类中心点的欧式距离:

(3)相似匹配令j*代表竞争获胜隐藏层节点的下标,对每一个输入样本Xp根据其与聚类中心的最小欧式距离确定其归类j*(Xp),即当有如下等式时:

Xp被归为第j*类,从而将全部样本划分为N个子集:U1(k),U2(k),…,UN(k),每个子集构成一个以聚类中心为典型代表的聚类域。

(4)更新各类的聚类中心对各聚类域中的样本取均值,令Uj(k)表示第j个聚类域,Nj为第j个聚类域中的样本数,则

(5)将k值加1,转到第(2)步。重复上述过程直到ck的改变量小于要求的值。

各聚类中心确定后,可根据各聚类中心之间的距离确定对应径向基函数的扩展常数。令:

则扩展常数取:

式中,λ为重叠系数。

得到各径向基函数的中心和扩展常数确定后,混合学习过程的第二步是有监督学习算法得以输出层的权值,常采用梯度下降法算法。采用梯度下降法的权重更新如下,定义目标函数为:

式中,P为训练样本数;ei为输入第i个样本时的误差信号。为使目标函数最小化,各参数的修正量应与其负梯度成正比,即:

式中,G为高斯函数,η为学习率。上述目标函数是所有训练样本引起的误差的总和,导出的参数修正公式是一种批处理式调整,即所有样本输入一轮后调整一次网络权值。目标函数也可定义为瞬时值形式,即每输入一个样本就调整一次网络权值。

4 糖厂澄清工段R B F神经网络建模

从文献[2,5]介绍的糖厂澄清工段生产工艺流程可知,影响中和p H值的因素主要有四个:蔗料流量(u1)、预灰p H值(u2)、硫熏强度(u3)、石灰乳流量(u4)。这四个影响因素中的一个或多个发生变化都会引起中和p H值发生变化,所以中和p H值与这四个因素具有下面的函数关系:

这是一个4输入单输出的复杂非线性关系。本文采用RBF神经网络来建立糖厂澄清工段神经网络模型,如图3所示。该模型采用4-80-1结构,输入层的4个神经元对应4个控制量(或输入量):蔗料流量、预灰p H值、硫熏强度、石灰乳流量。输出层只有一个神经元,对应一个输出量:中和p H值。

为了建立糖厂中和、澄清工段神经网络模型,需要足够多的样本数据才能反映实际过程的内在特性,因此本文作者从广西某糖厂现场采集了1200组实测数据(部分数据如表1所示),它们的输入—输出关系满足式(12)。经过数据预处理后剔除一部分异常数据后得到1000组有效数据,用其中的800组作为训练样本集,另外200组作为测试样本集。训练样本和测试样本都进行了数据归一化处理,防止因净输入的绝对值过大而使神经元输出饱和,避免权值调整进入误差曲面的平坦区。

按以上所述的训练算法训练模型网络,经反复实验得到中心的个数为80。训练的误差曲线如图4所示。可以看出,大约训练1000次的时候时误差达到稳定,约为千分之三左右。

模型网络训练好以后,进行泛化能力测试,选取20 0组数据进行测试,如图5所示。蓝色的曲线是实际的生产数据,红色的点是模型网络的输出。测试结果表明:模型网络具有较高的精度,同时也具有较好的泛化能力。

5 结束语

本文在分析糖厂澄清工段的基础上,利用RBF神经网络良好的逼近任意非线性映射和处理系统内在的难以解析表达的规律性的能力,较强的拟合能力和较高的预测精度,而且收敛速度快的特点,建立了糖厂澄清过程中和p H值控制的RBF神经网络模型。模型测试结果表明该模型具有较高的精度和较好的泛化能力,为下一步改进控制算法,改善中和p H值控制效果打下良好的基础。同时,也该建模方法也可以推广到其它复杂系统或过程的建模。

摘要:澄清工段是亚硫酸法生产蔗糖的关键过程之一,由于该过程是一个复杂的物理、化学过程,具有多输入、大滞后、强非线性、时变参数等特点,因此难以建立其精确的数学模型。为此本文采用径向基函数神经网络(Radial Basis Function NeuralNetwork,RBFNN)来建立该过程的神经网络模型。模型测试结果表明:采用该方法所建的模型精度较高、泛化能力较好,为解决复杂系统的建模问题提供了一种新途径。

关键词:建模,pH值控制,澄清过程,径向基函数神经网络

参考文献

[1]无锡轻工业学院,华南工学院.甘蔗制糖工艺学[M].北京:轻工业出版社,1982.

[2]陈维钧,许斯欣.蔗制糖原理与技术(第二分册),蔗汁清净[M].北京:中国轻工业出版社,2001.

[3]J.D POWELL.Radial Basis Function Approscimations to Poly-nomials[C].Proc.of 12th Biennial Numerial Analysis Conf.,1987,223-241.

[4]韩力群.人工神经网络理论、设计及应用(第二版)[M].北京:化学工业出版社,2007,164-192.

[5]陈其斌,周重吉.甘蔗制糖手册(第十二版)[M].广州:华南理工大学出版社,1993.

pH中和过程 篇2

【中图分类号】G64.24【文献标识码】A【文章编号】2095-3089(2016)15-0-02

大家好,今天我的说课内容是<中和反应过程中溶液pH的变化>,接下来我将从说教材、说学情、说教法学法、说教学过程、说板书设计、说教学特色等六个方面来完成我的说课内容。

一、说教材

本实验选自人教版高中化学选修四第三章第二节第三课时pH的应用。学生在学习本实验前,在初中已学习了常见的酸碱和酸碱中和反应,在高中必修二学习了中和热等相关知识点,而本实验的学习则是在这些基础知识的前提上,对酸碱中和反应做了进一步的探究,同时,因盐类的水解是中和反应的逆反应,因而本内容也是为后面盐类的水解提供了学习基础。中和反应是整个高中化学的一个基础反应。因而它在教材中起到了承上启下的过渡作用。

二、说学情

在学习本实验前,学生已在初中学习了常见的酸碱和酸碱中和反应,在高中必修二学习了中和热等相关知识点,对中和反应已经有了较深的认识,具备了学习本实验的知识储备。学生通过对前面教材中的实验的学习,如气体的制取、酸碱中和反应等,已具备了进行实验操作与探究的能力。本班学生正处于青春期,好奇心较强,对新鲜事物有较强的探究欲望。但他们对化学世界的认识还比较浅显,对微观事物的想象力还比较薄弱。

根据前面的学情分析与新课程的学习目标,对本实验的学习确立了以下三维目标。知识与技能:1、掌握pH传感器、数据采集器以及配套软件的使用方法。2、比较碱的加入量对滴定曲线中pH的变化情况的影响,绘制中和滴定曲线,感受滴定过程中“突跃”的存在。过程与方法:1、体验实验探究解决实际问题的过程。2、学会运用对比的方法来进行实验探究。情感态度与价值观:1、利用化学实验现象,将微观世界可视化。2、了解中和反应在工农业生产中的运用。体验化学与生活的密切联系。

根据教材内容与学生的学习情况,将每次碱的滴入量对滴定曲线的影响作为本课时的重点内容;将对酸碱中和反应的微观现象的了解作为难点内容。

三、说教法学法

科学合理的教学方法能使教学效果事半功倍,达到教与学的完美统一,故我将运用提问式教学法来进入本实验的教学,同时运用实验探究法来突破本实验的重难点内容。学生通过分组讨论,自主实验的方式进行探究,体现了新时代以学生为主体,教师为主导的教学新理念。

四、说教学过程

为了完成教学目标,突破教学重难点。我的教学过程主要分为3个部分。

第一部分:课前导入。在课前引导学生回顾前面所学的溶液的酸碱性、pH的应用、酸碱指示剂以及滴定管的使用。从而形成知识的链接;适时抛出问题:酸碱滴定时,溶液的pH是如何变化的?到达滴定终点时,溶液一定是显中性的吗?根据教师的提问,学生分组讨论后给出相应的设想。例如:学生A:碱滴定酸时,溶液的pH会呈直线式升高;

学生B:碱滴定酸时,溶液的pH会逐渐升高,可能存在突跃现象

学生C:中和产物是盐和水,呈中性,随着碱的加入,pH上升,到pH=7时停止;

学生D:要根据指示剂的变色范围来判断;

……

有利于学生发散思维。

第二部分:实验探究。若按书本中的实验进行探究,其实验现象较为粗略难懂,难以引起学生的兴趣。故本实验采用艾迪生万能数据采集器进行实验探究,用图像的形式展现pH的变化情况,将无形转化为有形,帮助学生更直观地认识微观世界。在实验前,介绍实验仪器与试剂:“艾迪生”万能数据采集器、pH传感器、磁力搅拌器、计算机、酸碱式滴定管、盐酸溶液、磷酸溶液、醋酸溶液、氢氧化钠溶液、酚酞溶液等。接着演示实验装置图,并向学生强调数据采集器的频率设置:手动记录模式。因学生的自主学习能力还不足,故在实验前向学生提出一些注意事项,如:氢氧化钠溶液必须现配;滴定过程中要注意不能用蒸馏水冲洗烧杯内壁,会影响pH;在接近终点时要放慢滴加速度,以减少由此引起的误差;以减少实验误差,提高学生的实验成功率。学生分组实验,并完成下列表格实验后可得出类似于以下的图像与其他小组交流成果,对比现象,培养学生的合作与交流意识。

因酸碱滴定曲线中的突跃现象这个知识点较为抽象难懂,因此设计了一个拓展实验帮助学生理解与学习。

拓展实验:分析酸碱中和反应溶液中的微观变化

取10mL的盐酸于烧杯中,由滴定管加入9mL的氢氧化钠后,再每次固定加入0.2mL氢氧化钠溶液,依次递增;改变每次滴加的量,如:0.1mL、0.05mL,再进行实验。最后可得出类似于以下的图像。

学生通过分析,对比,认识到每次碱的加入量越小,滴定曲线越好,越接近真实值。从而突破本实验的难点内容。

第三部分:课后小结。实验结束后,帮助学生对以下知识点的回顾,从而形成一个较为完整的知识体系,加强学生对知识点的记忆能力。

1.实验原理与步奏

2.每次碱的加入量对滴定曲线的影响

3.酸碱中和反应的微观变化

五、板书设计

中和反应过程中溶液的pH

一、实验原理:

H++OH-=H2O

二、实验步奏:

①组装实验装置; 酚酞的变色范围:

②装液 8.2-10

③开启和设置数据采集器;

④滴加氢氧化钠溶液,观察现象;

⑤待烧杯内溶液变成红色后,再

继续滴加少许氢氧化钠,停止采

集,保存实验。

我的板书设计主要分为主板书和副板书两个部分,主板书记录了实验的原理与步奏,副板书主要用于辅助教学,以提纲式的板书简单明了,帮助学生进行知识的梳理。

六、特色分析

①利用pH传感器、数据采集器将酸碱中和滴定过程中pH的变化情况,用图像的形式展现出来,形象生动,易于学生观察与理解。②加入拓展实验,学生更直观地观察中和反应过程中“突跃”现象。③学生自主实验,充分体现了以学生为主体,教师为主导的教育新理念。

pH中和过程 篇3

对于溶液pH计算中, 常涉及溶液体积比关系的题型, 高考试题中也频繁出现, 这里有必要进行探究归纳总结, 以提高此方面的解题能力, 其探究列举归纳总结如下.

一、关于强酸与强碱恰好中和, 溶液pH与体积比的关系计算

解题方法:如果pH=a, 体积为V (酸) , 碱溶液的pH=b, 体积为V (碱) , 当混合后溶液呈中性时, 则有:n (H+) =n (OH-) , 即10-a×V () =10-1410-b×V () , 则原来酸碱溶液的pH之和与它们的体积之比的关系为:V () V () =10a+b-14.

常见题型中频繁使用的规律如下:

(1) 强酸与强碱混合溶液呈中性, 当pH酸+pH碱=14时, V () V () =11;同理, 当V () V () =11且强酸与强碱混合溶液呈中性时, 则pH酸+pH碱=14.

(2) 强酸与强碱混合溶液呈中性, 当pH酸+pH碱=15时, 则V () V () =101;同理, 当V () V () =101且强酸与强碱混合溶液呈中性时, 则pH酸+pH碱=15;

推广:强酸与强碱混合溶液呈中性, 当pH酸+pH碱>14时, 则V () V () =10a+b-141.

(3) 强酸与强碱混合溶液呈中性, 当pH酸+pH碱=13时, 则V () V () =110;同理, 当V () V () =110且强酸与强碱混合溶液呈中性时, 则pH酸+pH碱=13.

推广:强酸与强碱混合溶液呈中性, 当pH酸+pH碱<14是, 则V () V () =11014- (a+b) .

例1 25 ℃时, 若体积为Va, pH=a的某一元强酸与体积Vb、pH=b的某一元强碱混合, 恰好中和, 且已知Va<Vba=0.5b, 请填写下列空白:

(1) a值可否等于3 (填“可”或“不可”) __, 其理由是__.

(2) a值可否等于5 (填“可”或“否”) __, 其理由是__.

(3) a的取值范围是__.

解析: (1) 否, 如果a=3时, 则b=6, 溶液显酸性, 与题意不符, 所以a≠3;

(2) 否, 如果a=5时,

c (H+) =1×10-5 mol/L, 则

b=10c (ΟΗ-) =1×10-141×10-10>1,

a≠5;

(3) 由上述规律可知:VaVb=10a+b-14<1, 所以 (a+b-14) <0, 且a=0.5b, 即

3a<14, a<143

;又因为pΗ=b=2a>7, a>72, 所以

72<a<43.

例2 25 ℃, 若10体积的某强碱溶液与1体积的某强酸溶液混合后, 溶液呈中性, 则混合之前, 该碱的pH与强酸的pH之间该满足的关系是__.

解析:由题意知, 本题为酸、碱混合后完全中和, 根据中和反应的实质可知, 酸中n (H+) 与酸中n (OH-) 相等, 故有c (H+) 酸V酸=

c (OH-) 碱V碱, 由此关系列式可求得结果.

设酸的pH为a, c (H+) 酸=10-a, 碱的pH为b, c (OH-) 碱=10-1410-b=10- (14-b) , 因为混合后溶液呈中性, 所以c (H+) 酸V酸=c (OH-) 碱V碱, 10-a×V=10- (14-b) ×10 V=10- (13-b) ×V, 10-a=10- (13-b) , 两边取负对数:-lg10-a=-lg10- (13-b) , a=13-b, a+b=13即酸的pH与碱的pH之和为13.

说明:本题也可直接应用规律 (3) 中由体积比求pH和的关系式, 可直接写出本题的答案.

二、关于强酸与强碱不恰好中和, 溶液pH与体积比的关系计算

对于强酸与强碱不恰好中和这类题型, 首先要判断强酸与强碱何者过量, 然后列出混合后剩余的c (H+) 余或c (OH-) 余的表达式, 再利用已知混合后的pH值, 找出酸溶液和V (酸) 与碱溶液体积V (碱) 的正确关系, 其具体表达式如下:

(1) 当强酸过量时:溶液呈酸性

c (Η+) =c (Η+) V-c (ΟΗ-) VV+V

(2) 当强碱过量时:溶液呈碱性

c (Η+) =c (ΟΗ-) V-c (Η+) VV+V

例3 用pH=2的强酸和pH=13的强碱混合, 所得混合溶液的pH=11, 则强酸与强碱的体积比是 ( )

(A) 11∶1 (B) 9∶1

(C) 1∶11 (D) 1∶9

解析:pH=2, c (H+) =1×10-2 mol/L, 设其体积为V1, pH=13, c (OH-) =1×10-1 mol/L, 设其体积为V2, 因为混合后溶液pH=11,

c (OH-) =1×10-3 mol/L, 推知碱过量, 所以则有:V2×10-1-V1×10-2V1+V2=10-3, V1=9V2, 即

V1V2=91, 所以本题应选 (B) .

练习

1.在25 ℃时, 若10体积的某强酸溶液与1体积的某强碱溶液混合呈中性, 则混合之前, 该强酸的pH值与强碱的pH值之间应满足的关系是__.

2.在25 ℃时, 有pH=a的HCl溶液和pH=b的NaOH溶液, 取Va L该盐酸溶液用该NaOH溶液中和, 需Vb L NaOH溶液, 问:

(1) 若a+b=14, 则

(2) 若a+b=13, 则

(3) 若a+b>14, 则且Va__Vb (填 “>”“<”“=”) (题中ab, b≥8) .

3.用pH=4和pH=11的强酸和强碱混合, 使pH=10, 求原来两溶液的体积比?

4.水的电离平衡如图1所示.

(1) 若A点表示25 ℃时水的电离平衡状态, 当升高温度至100 ℃时水的电离平衡状态为B点, 则此时水的离子积为__.

(2) 将100 ℃时pH=8的Ba (OH) 2溶液与pH=5的盐酸混合, 并保持100 ℃的恒温, 欲使混合溶液的pH=7, 则Ba (OH) 2溶液与盐酸的体积比为__.

5.室温时, 将x mL pH=a的稀NaOH溶液与y mL pH=b的稀盐酸充分反应.下列关于反应后溶液pH的判断, 正确的是 ( )

(A) 若x=y, 且a+b=14, 则pH>7

(B) 若10x=y, 且a+b=13, 则pH=7

(C) 若ax=by, 且a+b=13, 则pH=7

(D) 若x=10y, 且a+b=14, 则pH>7

6.测得某溶液的pH=6.5, 且氢离子与氢氧根离子物质的量相等, 此溶液呈__性.测定温度__室温 (填高于、低于或高于) , 其理由是__.将此温度下pH=11的NaOH的溶液

a L与pH=1的H2SO4溶液b L混合.

(1) 若所得混合液为中性, 则ab__.

(2) 若所得混合液为中性, 则ab__.

7.某强酸溶液pH=a, 强碱溶液pH=b, 已知a+b=12, 酸碱溶液混合后pH=7, 则强酸溶液体积V (酸) 与碱溶液体积V (碱) 的正确关系为 ( )

(A) V (酸) =102V (碱) (B) V (酸) =2V (碱)

(C) V (碱) =102V (酸) (D) V (碱) =2V (酸)

参考答案

1.pH酸+pH碱=15. (提示:本题可模似例2的常规解法, 也可直接利用规律 (2) 的结论)

2. (1) 1 (2) 110 (3) 10a+b-14;> (提示:可直接利用规律 (1) (2) (3) 的结论)

3.V1V2=92 (提示:本题可模似例3的常规解法, pH=4, 设其体积为V1.pH=11.设其体积为V2.混合后pH=10, 可得此式:V2×10-3-V1×10-4) (V1+V2) =10-4得:2V1=9V2, 即

4. (提示:100 ℃时pH=7并非恰好完全中和) .

5. (D) (提示:本题属NaOH溶液过量的情况)

6.中, 高于水的离解反应:H2O=H++OH- 吸热反应, 升温有利于水的离解, 使KW增大 (1) 10∶1 (2) 9∶2

7. (C) (提示:本题酸碱溶液混合后pH=7, 属酸碱溶液恰好完全中和的情况, 因a+b=12, 可直接利用pH酸+pH碱<14时, 则V () V () =11014- (a+b) 这一结论, 便可迅速求得V () V () =1102)

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