萃取精餾全回流過程的測量與控制

王珩(東南大學成賢學院， 江蘇 南京 210088)

萃取精餾全回流過程的測量與控制

王珩(東南大學成賢學院， 江蘇 南京 210088)

隨著微處理器及大規模集成電路迅速發展，其應用領域不斷延伸。生產過程的自動化控制已成為化工行業的主流。本文設計一套系統對精餾段、提餾段及溶劑回收段進行測量與控制，實現全回流的工藝要求。本設計以單片機為控制器，Pt100作為溫度傳感器，溫度的采集是利用模擬運算電路及A/D轉換器，溫度的顯示采用LED數碼管顯示，最后通過單片機對加熱電阻絲的控制實現對溫度的控制。

萃取精餾;全回流; 測量; 控制

1 緒論

1.1 課題研究背景及意義

萃取精餾是向精餾塔頂連續加入高沸點添加劑(萃取劑)，改變料液中被分離組分間的相對揮發度，使普通精餾難以分離的液體混合物變得易于分離的一種特殊精餾方法。精餾塔的進料口以下至塔釜稱為提餾段，進料口以上至塔頂稱為精餾段。溶劑在精餾段注入并保持一定的濃度，使相平衡關系發生有利于分離的變化。整個塔內易揮發組分的濃度由下而上逐漸增加。適當控制好塔內的溫度，即可在塔頂獲取所需要的成分。

在萃取精餾的過程中，精餾塔內部的被控變量很多，各個變量之間的關系也比較復雜。對于二元精餾塔或是多元精餾塔，當塔內壓強較為恒定時，溫度與成分之間均有著一定的對應關系，所以可以選取溫度作為被控變量。

本文主要研究的是實驗室中萃取精餾裝置溶劑回收段、精餾段、提餾段的過程進行自動控制，實現全回流的工藝要求。為了便于實現，選擇以溫度作為控制變量。利用自動控制過程，既可以提高產品質量以及網收率，還可以保護環境和節約能源。

1.2 溫度的測量與控制

溫度控制系統被廣泛應用于各個領域，目前工業生產中溫度控制多采用智能調節方案，由于起步較晚，缺乏相關的技術積累，所以國產的溫度控制系統效果欠佳，分辨率和精度都有待提高，但其性價比高。

溫度測控主要包括兩點：溫度的測量和溫度的控制。在溫度的測量技術中，有一種簡單、可靠、低廉、測量精度較高的測量方法叫做接觸式測溫，另外還有一種能夠對運動的物體和熱容量小的物體進行測量的方法叫非接觸式測溫，它通過溫度場輻射出來的能量，進行測量。在溫度測控中，要根據所需對象選擇恰到好處的測控方法。

2 系統硬件部分設計

2.1 總體設計方案

本設計首先利用熱敏電阻Pt100的感溫效應，通過接在電路中熱敏電阻在不同溫度下阻值的變化得到相應模擬信號。雖然Pt100的阻值隨溫度的變化呈線性關系，但其阻值變化率較小，所以需要經過信號的放大，然后通過A/D轉換，將信號送至AT89S51單片機中進行數據處理，并通過八段數碼管顯示溫度。溫度的控制則通過鍵盤輸入的范圍，由單片機讀取并進行數據處理后輸出相關數字信號，經由D/A轉換器，再控制電阻絲是否加熱，實現對溫度控制。

本設計要包括溫度信號采集電路模塊，按鍵控制輸入模塊，單片機最小系統，顯示電路模塊，以及執行器電路模塊。其中溫度信號采集電路模塊包括溫度信號的獲取電路、信號放大電路、A/D 轉換電路。

2.2 電路設計

（1）溫度信號采集電路模塊 根據 Pt100 傳感器測溫原理可知，通過 Pt100 構成信號的獲取電路通常的方法是運用恒流源電路或是采用電橋電路。本設計采用電橋電路，溫度傳感器Pt100的電壓與電橋中100Ω電阻的電壓差值來反映溫度的變化。由于Pt100在0℃時的阻值為100Ω，故電橋電路的阻值為100Ω。因此，Pt100在0～100℃的阻值變化范圍是100Ω～138.5Ω，所以電壓差值為0～0.0807Vcc，由于Pt100的阻值隨溫度的變化小，產生的電壓信號變化也較小，因此后續電路中還需要通過放大電路將信號放大。系統采用電橋電路獲取溫度信號的變化，根據電壓與電阻成線性的關系得到溫度信號的采集，然后再送入后級的放大電路中，電路見圖1。

溫度信號通過LM358運算放大器將信號放大通過10位的A/D轉換器將電壓信號轉換成數字信號，使得溫度的分辨率為0.1℃，滿足分辨率的要求，最終將信號傳送到單片機。

(2)按鍵控制輸入模塊 按鍵輸入模塊主要是由三個按鍵組成，分別是增加、減少和確認鍵來實現對溫度的設定。電路見圖2。

(3)單片機最小系統 單片機最小系統主要由電源、復位、振蕩電路以及擴展部分等部分組成。擴展部分包括溫度輸入端口為P2.7，按鍵輸入端口為P3口，顯示輸出口為P0口，執行器模塊連接P3.7。

(4)顯示電路模塊 本設計采用4個LED來實現對溫度的顯示，采用分時顯示四個LED數碼管，由P2.0～P2.3控制四個三極管的基極的信號，使得管子分時導通，使數字顯示在數碼管上。數碼管連接P0口，需要連接上拉電阻，數碼管采用共陰極連接。

(5)執行器模塊 執行器模塊采用繼電器連接電阻絲加熱，電阻絲加熱電流為20mA,可根據需要同時使2個或多個電阻絲加熱，實現快速加熱。

圖1 電路的信號采集電路結構圖

圖2 按鍵控制輸入電路

圖3 系統控制流程圖

圖4 溫度轉換流程圖

圖5 溫度顯示流程圖

圖6 主函數流程圖

3 系統軟件部分的設計

軟件設計部分主要由溫度采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊以及通過按鍵設定對應的溫度，并通過單片機控制電阻絲實現溫度的控制。

3.1 程序流程

(1)系統控制流程圖,見圖3。

(2)溫度轉換流程圖與顯示流程圖,見圖4、圖5。

（3）主函數流程圖，見圖6。

4 結語

本文是以化工中的萃取精餾過程為基礎，要求通過對其中全回流過程進行深入的分析，采用合適的自動化控制手段實現相應的工藝要求。單片機是整個設計的核心部件，其作為一個控制核心可以實現眾多的自動化控制過程。以Pt100作為溫度測量元件也是綜合考慮了價格、應用范圍及精度要求。

設計要求實現萃取精餾過程中精餾段、提餾段及溶劑回收段，三段進行分別控制。但由于三段的控制變量繁多，本文只主要介紹了溫度參數的影響，對上述三段過程的測量及控制。

[1]孔祥波.精餾塔自動控制及應用[J].吉林廣播電視大學學報, 2010,8:73.

[2]黃永杰.精餾塔自動控制系統設計與應用[J].化學技術與開發,2012,41(1):51-54.

[3]盧思祺. MCS-51單片機溫度控制系統的設計[J].科技向導，2013，17：25-30.

[4]Xungang Gu,1 Zhengzhu Zhang,1 XiaochunWan,1 Simultaneous Distillation Extraction of Some Volatile Flavor Components from Pu-erh Tea Samples—Comparison with Steam Distillation-Liquid/Liquid Extraction and Soxhlet Extraction[J] International Journal of Analytical Chemistry,2009.

[5]李萍．51單片機C語言及匯編語言實用程序設計[M]第一版.北京：中國電力出版社，2010.

王珩(1986-)，女，漢，江蘇徐州人，研究方向：自動化。