一種有機(jī)溶劑新型回收控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)亞南 潘 豐

(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研究所，江蘇 無錫 214153；(2.江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

一種有機(jī)溶劑新型回收控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)亞南1潘 豐2

(1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電研究所，江蘇 無錫 214153；(2.江南大學(xué)輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

針對有機(jī)溶劑回收率低、回收成本較高的問題，在傳統(tǒng)有機(jī)溶劑回收裝置的原固定床獨(dú)立吸附工藝上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種吸附/脫附-再生-冷凝分離的溶劑回收工藝。新工藝不僅可以提高有機(jī)溶劑的回收率，而且還減少了有害廢氣的排放，并實(shí)現(xiàn)了冷凝水的重復(fù)使用。根據(jù)新的回收工藝流程，設(shè)計(jì)一種并聯(lián)組合式吸附器結(jié)構(gòu)的有機(jī)溶劑自動(dòng)回收系統(tǒng)，并配置有觸摸屏下位機(jī)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對多臺(tái)設(shè)備的分布式管理。該回收裝置中的4個(gè)吸附器相互配合使用，提高了吸附效率，有效解決了傳統(tǒng)有機(jī)溶劑回收裝置中固定床獨(dú)立工作，對有機(jī)溶劑回收率較低的問題。

自動(dòng)回收系統(tǒng) 有機(jī)溶劑 回收工藝 回收率

在工業(yè)生產(chǎn)中，有機(jī)溶劑的使用是非常廣泛的，但是有機(jī)溶劑一般都有揮發(fā)性，如果不恰當(dāng)?shù)靥幚磉@些有機(jī)物質(zhì)，會(huì)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染進(jìn)而危害人類健康[1,2]。所以對有機(jī)溶劑的回收循環(huán)再利用是非常有意義的，一來可以降低企業(yè)生產(chǎn)成本，二來具有巨大的環(huán)保效益。

有機(jī)溶劑的回收方法有很多種，常見的回收方法有吸收、吸附、膜分離和冷凝4種。前三種分離方法在得到有機(jī)溶劑后，還需經(jīng)過蒸餾、冷凝及分離等后續(xù)操作，才能對有機(jī)溶劑進(jìn)行回收，成本較高[3]；冷凝法是利用回收物沸點(diǎn)不同來進(jìn)行回收的，適合具有不同沸點(diǎn)的有機(jī)物，這種回收方法設(shè)備工藝簡單、回收純度高、能耗低，但是不足之處是冷凝法回收效率不高[4]。針對廢氣處理，劉載文等提出一種三相內(nèi)循環(huán)生物流化床控制方法，但是對于含有有機(jī)粉塵的環(huán)境，處理能力有限[5]。文獻(xiàn)[6]中提出一種超臨界流體萃取(SFE)技術(shù)，采用適宜的溫度和壓力對目標(biāo)廢氣進(jìn)行提取。文獻(xiàn)[7]分析了板式蒸發(fā)式冷凝器與管式蒸發(fā)式冷凝器，對比兩種降膜的不同，進(jìn)行熱傳導(dǎo)的分析。

在傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑回收控制系統(tǒng)中，采用的是手動(dòng)控制。對回收過程中各動(dòng)作的切換，是依據(jù)操作員的經(jīng)驗(yàn)，手動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)的。因此在回收現(xiàn)場是需要專門安排操作人員來管理的，人為因素較大，如果操作員經(jīng)驗(yàn)不足，甚至?xí)?dǎo)致回收的失敗。目前，即便是新建的有機(jī)溶劑回收系統(tǒng)，自動(dòng)化水平仍不是很高，大部分只停留在回收過程數(shù)據(jù)采集和簡單控制(如冷卻水循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)的開關(guān)控制)的水平上[8～10]。

為了克服人工手動(dòng)操作的不足，設(shè)計(jì)出一套有機(jī)溶劑回收自動(dòng)控制系統(tǒng)，并利用組態(tài)王KingVIEW6.53上位機(jī)系統(tǒng)對多臺(tái)控制設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，分散控制，集中處理。

1 回收系統(tǒng)的工藝和硬件電路選型

根據(jù)有機(jī)溶劑工藝流程的要求，有機(jī)溶劑回收裝置主要包括：控制系統(tǒng)、安全裝置、除塵和降溫裝置、引風(fēng)機(jī)、蒸汽過熱裝置、吸附槽、冷凝器、緩沖器、分離箱、有機(jī)溶劑儲(chǔ)罐、管道及閥門等。

1.1有機(jī)溶劑回收工藝

有機(jī)溶劑回收工藝操作流程如圖1所示。當(dāng)廢氣經(jīng)過除塵處理再降溫后，風(fēng)機(jī)開啟并將它吸入到吸附槽內(nèi)，由固定床內(nèi)的活性炭對它進(jìn)行吸附，直到吸附飽和，再經(jīng)過熱蒸汽通入吸附槽進(jìn)行脫附，脫附完后，對吸附槽排汽，進(jìn)行再生，脫附產(chǎn)物經(jīng)過冷凝后進(jìn)入分離箱，分離后得到有機(jī)溶劑。

圖1 有機(jī)溶劑回收工藝流程

圖1中主要工藝單元的作用如下：

a. 廢氣收集部分由廢氣集氣總管完成，它的作用是將過程中產(chǎn)生的有機(jī)廢氣送入到安全窗。

b. 除塵的目的是去除一些不能再利用的粉塵，采用無紡布過濾器。降溫的環(huán)節(jié)主要是降低進(jìn)氣的溫度，采用的是循環(huán)冷卻水來降溫，使得固定床中的吸附劑最大限度地吸附。除塵降溫之后，需要控制風(fēng)機(jī)的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，將廢氣吸入吸附床中。

c. 4個(gè)體積較大的罐狀容器組成吸附床，其功能是吸附和脫附，得到有機(jī)溶劑的氣體混合物和水蒸氣。

d. 冷凝器的功能是將步驟c中提到的氣體進(jìn)行冷卻，循環(huán)冷卻水來自冷卻塔。

e. 分離箱的作用是將液體混合物分離。

1.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過分析上節(jié)中回收系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示的控制方案?？刂葡到y(tǒng)分3層，分別是上位機(jī)管理層、操作員層和現(xiàn)場的采集和控制設(shè)備層。ET200M是一個(gè)免維護(hù)的DP從站，PLC與現(xiàn)場的采集控制終端設(shè)備采用ET200M自帶的Profibus-DP現(xiàn)場總線通信。上位機(jī)管理層與PLC通過以太網(wǎng)(TCP/IP)交換數(shù)據(jù)。

圖2 有機(jī)溶劑回收過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)場的采集與控制：具體涉及到終端的傳感器、執(zhí)行器件及儀表等自動(dòng)化設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)對于模擬量/開關(guān)量數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)的輸入和控制輸出?？刂破鞑捎肧7-300 PLC，在工程中有多臺(tái)回收系統(tǒng)，各控制器分別控制一個(gè)回收子系統(tǒng)。S7-300 PLC采用MPI通信方式與觸摸屏相互通信，并且需要將PLC掛在上位機(jī)的監(jiān)控層，采用BCNet-S7通信轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，它從PLC的MPI通信口擴(kuò)展出一個(gè)TCP/IP，并保留MPI通信口。

現(xiàn)場操作層采用TPC1561Hi型MCSS下位機(jī)觸摸屏，用于對現(xiàn)場過程進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視與數(shù)據(jù)管理。觸摸屏的功能包括回收流程圖、控制參數(shù)的設(shè)定、報(bào)警和報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)記錄和保存(當(dāng)插入U(xiǎn)盤時(shí)，還可以將記錄的數(shù)據(jù)按照采樣時(shí)間間隔導(dǎo)成Excel表格)。

監(jiān)視層采用KingVIEW6.53上位機(jī)組態(tài)軟件，上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏上的所有操作，并且比下位機(jī)具有更高的權(quán)限。

3個(gè)層次每個(gè)層都有特定的功能，相互配合作用。

2 現(xiàn)場儀表和傳感器選型

根據(jù)工藝的控制點(diǎn)數(shù)需要，溶劑回收控制系統(tǒng)需要數(shù)字量和模擬量點(diǎn)數(shù)：CPU選用帶有Profibus-DP接口和Profinet接口的CPU 317-2 PN/DP，數(shù)字點(diǎn)輸入量點(diǎn)數(shù)為25個(gè)，輸出數(shù)字量點(diǎn)數(shù)21個(gè)，模擬輸入點(diǎn)數(shù)7個(gè)。考慮到控制所需點(diǎn)數(shù)和一定的冗余度：選用一塊32點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊SM321；一塊8×12bit模擬量輸入模塊SM331；一塊32點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊SM322。

針對有機(jī)溶劑可能存在一定的腐蝕性和危險(xiǎn)性，選用精度高，并且能測量具有危險(xiǎn)性和腐蝕性流體介質(zhì)的Rosemount電磁流量計(jì)，將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖量，傳送到PLC用于測量和控制，并且安裝在現(xiàn)場的流量計(jì)還顯示瞬時(shí)流量。

在集氣總管內(nèi)，測量管道內(nèi)氣體的濃度是非常有必要的，如果粉塵達(dá)到一定的濃度，隨時(shí)會(huì)造成火災(zāi)隱患，這也是控制系統(tǒng)必須要考慮的部分。選用防爆型的離子感煙火災(zāi)探測器?；馂?zāi)探測器按照一定的掃描周期將集氣總管內(nèi)的煙霧濃度檢測傳送至PLC?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警控制器對火災(zāi)的判斷，不是簡單地通過閾值比較方法，這樣很容易造成誤判。探測裝置需要對溫濕度進(jìn)行檢測分析，并根據(jù)當(dāng)前煙霧濃度的變化量、變化速率等判定是否發(fā)生火災(zāi)，從而減少誤報(bào)。

回收系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境是非常惡劣的，在對壓力進(jìn)行采集時(shí)，選用差壓變送器。對壓力的控制方案是：先采集現(xiàn)場壓差的大小，PLC通過PID方式控制變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速進(jìn)而調(diào)節(jié)壓差。為了能夠方便現(xiàn)場人員對壓力進(jìn)行觀測，還選用DPG100數(shù)字式壓力表加以實(shí)現(xiàn)。

在回收過程中，可能有揚(yáng)塵或者氣體揮發(fā)事件的發(fā)生，選用PMS粉塵濃度傳感器，實(shí)時(shí)檢測固定床排氣口排出的廢氣濃度，實(shí)現(xiàn)對空氣質(zhì)量的監(jiān)測。

在吸附和脫附過程中還需要監(jiān)測吸收槽中溫度的變化情況，以保證吸收的最佳效果。因?yàn)闇囟雀卟⑶噎h(huán)境惡劣，選用堅(jiān)固耐用、耐高壓的WZP系列Pt100熱電阻，對吸附槽槽內(nèi)溫度進(jìn)行測量。通過檢測的溫度大小，調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥的閥門開度，調(diào)整吸附槽的溫度，確保吸附和脫附過程達(dá)到最佳效果，選用ZJHP系列蒸汽調(diào)節(jié)閥，其工作溫度區(qū)間-60～450℃。變頻器選用Micro Master 430，用于控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。S7-300 PLC硬件組態(tài)界面如圖3所示。

圖3 S7-300 PLC硬件組態(tài)界面

3 回收系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

回收控制系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

根據(jù)工程需求，現(xiàn)場操作的下位機(jī)觸摸屏程序設(shè)計(jì)了6個(gè)部分：

a. 系統(tǒng)流程示意圖；

b. 參數(shù)設(shè)置，包括設(shè)備參數(shù)和系統(tǒng)控制參數(shù)，以便用戶對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置；

c. 報(bào)警故障，包括故障參數(shù)的設(shè)置和實(shí)時(shí)報(bào)警顯示；

d. 趨勢曲線，包含歷史曲線和當(dāng)前時(shí)刻曲線，幫助用戶對控制量的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析；

e. 數(shù)據(jù)表，當(dāng)前時(shí)刻的實(shí)時(shí)顯示和歷史數(shù)據(jù)表，插入U(xiǎn)盤還可以導(dǎo)出標(biāo)量對應(yīng)的Excel數(shù)據(jù)表格，便于用戶追源溯果；

f. 下位機(jī)程序中根據(jù)用戶不同的管理等級(jí)，設(shè)置了操作員、部門負(fù)責(zé)人和管理員(具有最高權(quán)限，可以分配權(quán)限)3種不同的操作等級(jí)。

4 實(shí)際應(yīng)用

實(shí)際運(yùn)行時(shí)有機(jī)溶劑新型回收控制系統(tǒng)的流程主界面如圖5所示。

圖5 有機(jī)溶劑新型回收控制系統(tǒng)的流程主界面

5 結(jié)束語

根據(jù)有機(jī)溶劑的回收特點(diǎn)，提出一種新的有機(jī)溶劑回收工藝流程，在綜合考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、回收效果和系統(tǒng)的測控要求后，選取控制方案，并設(shè)計(jì)出一種有機(jī)溶劑的自動(dòng)回收控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了上位機(jī)對多臺(tái)回收系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并且各回收系統(tǒng)還設(shè)置了現(xiàn)場的下位機(jī)觸摸屏，實(shí)現(xiàn)對回收過程變量的控制、數(shù)據(jù)的記錄和保存。實(shí)際使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠提高有機(jī)溶劑的回收率，并且降低了有害氣體的排放，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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DesignandImplementationofNewControlSystemforOrganicSolventRecovery

XIANG Ya-nan1, PAN Feng2

(1.ResearchInstituteofMachineryandElectronics,JiangsuVocationalCollegeofInformationTechnology,Wuxi214153,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedProcessControlforLightIndustry,JiangnanUniversity,Wuxi214122,China)

Considering low recovery rate and high cost in organic solvent recovery, improving original fixed bed’s independent absorption process in the recovery device was implemented and a new solvent recovery process which boasting of adsorption/stripping-regeneration-condensation separation was designed. The new process method can improve recovery rate of organic solvents and reduce harmful exhaust emissions as well as realize reuse of condensed water. According to the new recycling process, an organic solvent auto-recovery system equipped with parallel combined absorbers and slave computer with touching screen was designed, in which, the control system’s PC monitoring platform can realize the distributed management of devices; and four absorbers there cooperate with each other to improve the efficiency of adsorption and to effectively solve problems above-mentioned.

auto-recovery system, organic solvent, recovery process, rate of recovery

TQ576.18

A

1000-3932(2016)05-0482-05

2016-03-17(修改稿)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273131)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金項(xiàng)目(BY2013015-39)