小流量測控技術在連續(xù)精餾實驗裝置回流比控制中的應用

丁志恒,袁繼軍

(浙江中控科教儀器設備有限公司,浙江 杭州 310053)

在連續(xù)精餾塔的操作中，回流比(R)是關系著精餾產品質量和數量的重要參數。每當塔頂餾出液濃度下降或需要進一步提高塔頂餾出液濃度時，通常都以增加回流量的方式使塔頂餾出液濃度得以回升，這種方法早已為化學工程教學及科技人員所熟知，并在生產中得到應用及驗證。隨著化工行業(yè)自動化程度的提高，之前人工手動改變回流比的控制方案已無法滿足精細控制的需求，工廠中出現了回流比自動控制系統(tǒng)，但實驗室使用的實驗或小試裝置因塔設備過小，塔頂冷凝液量少(通常在20L/h以下)，為實現自動控制，實驗室傳統(tǒng)控制系統(tǒng)常采用特殊的機械結構來實現自由改變回流比的目的[1]。此類開環(huán)控制系統(tǒng)使用時回流量無法監(jiān)測，實驗人員操作回流流量不確定，導致精餾過程穩(wěn)定時間長，控制效能低等問題。鑒于此，我們采用了兩種小流量檢測技術應用于連續(xù)精餾的回流比控制中，并通過過程控制器實現自動控制回流比，精確測定回流量的作用，提高系統(tǒng)控制質量。

1 測控原理

由于連續(xù)精餾塔常用于分離沸點不同的有機物，故本文采用水-乙醇雙組分體系作為實驗物料。依據小流量檢測方法的不同，將回流比控制方法分為直接型和間接型。

間接型即采用改變檢測變量的方式獲得自由改變回流比的手段，如圖1所示。

塔頂蒸汽經冷凝器E702冷凝后，進入儲罐進入中間儲槽V705，泵P701將冷凝液從V705中回流至精餾塔內，其余冷凝液則經泵P702流回產品罐V702中。根據此流程，雖然冷凝液量無法精確測定，但我們可以控制V705的液位，使進入V705的液量與流出V705的液量相同，從而間接獲得控制輸出，此時，通過控制器使P701、P702依照操作者設定的回流比分配各自流量，并通過液位控制使其流量之和與塔頂冷凝液相同即可實現控制目標。

直接型即可直接測定塔頂冷凝液量，則采用圖2的控制方案。

圖1 間接型回流比控制方案

圖2 直接型回流比控制方案

塔頂蒸汽經冷凝器E702冷凝后，經過流量檢測FT701進入儲罐進入中間儲槽V705，回流液從V705中經流量檢測FT702及調節(jié)閥流至精餾塔內，其余冷凝液則通過溢流管流回產品罐V702中。此流程中，FT701檢測獲得的總冷凝液量經過乘法器與回流比相乘計算后，所得設定值輸入控制器FIC702，FIC702根據FT702獲得的回流量與設定值比較后控制調節(jié)閥開度，取得實驗需要的回流量，因回流量始終小于等于冷凝液量，多余液量在累積到溢流管高度后即作為產品流向產品罐，最終實現回流比可調可控。

2 硬件系統(tǒng)設計

間接型回流比控制方案中，需要解決的是中間儲槽出口泵流量控制問題，我們選擇的是seko的電磁隔膜計量泵。該泵為容積式泵的一種，采用電磁推動方式將容積一定的隔膜中的液體推擠入后側容器中，由于每次推擠的液量一定，只要控制單位時間內推擠的次數即可精確計量通過泵的流量，且輸送精度可達1%。此類泵最大的優(yōu)點在于可以接收來自II、III 型儀表的控制信號，在使用時可將控制器輸出直接與其連接，而無需任何轉換機構，節(jié)省了硬件成本。液位檢測則采用差壓變送器作為變送機構，若系統(tǒng)為常壓精餾塔，為節(jié)約成本起見也可考慮采用壓力變送器測量。

直接型回流比控制方案中，我們選用了DIGMESA的小流量渦輪流量計，與普通渦輪流量計相比最大不同在于其入口采用瞬間縮小流通面積的方法噴射推動渦輪槳葉轉動，在顯示儀表頻率分辨率為0.1Hz時該流量計最小可分辨0.16L/h的流量，最小可測流量為2L/h。由于普通流量顯示儀表頻率分辨率為1Hz，為達到高精度測量的目的，需要選擇精度0.5%的直流頻率變送器作為測量信號轉換器。執(zhí)行機構則選擇burket的2833比例閥，該閥門原理與電磁閥類似，不同的是其可通過控制線圈的吸合力大小控制閥的開度，實現小流量控制的目的。比例閥可接收頻率控制信號，為滿足一般控制器的輸出要求，還需要安裝burket公司出產的控制信號轉換器。

兩種方案中控制機構均選用中控產的C3000過程控制器，C3000是一種采用 32 位微處理器和 5.6 英寸 TFT彩色液晶顯示屏的可編程多回路控制器，主要有控制記錄分析等功能?？赏ㄟ^串口、以太網和CF卡實現與上位機的數據交換。內部有3個程序控制模塊、4個單回路PID控制模塊、6 個 ON/OFF控制模塊，可實現串級、分程、三沖量、比值控制及用戶定制等多種復雜的控制方案。本文中我們主要用到的是它的比值控制功能。

3 控制方案實現及效果比較

控制方案通過組態(tài)C3000過程控制器實現。間接控制方案回流量控制PID01組態(tài)為內給定，AI模擬量輸入通道信號來自液位變送器，AO模擬量輸出通道為兩個，信號來源均來自PID01.OUT，同時設置可變常數CONF01作為回流比的倒數1/R，則AO01設定為PID01/(1+CONF01)，AO02設定為PID01*CONF01/(1+CONF01)。直接控制方案同樣需要設定可變常數CONF01作為回流比的倒數1/R，回流量控制PID01組態(tài)為外給定，給定值來自虛擬通道VA01=冷凝液流量/(1+CONF01)，AO01信號源直接取自PID01.OUT。兩種控制方式均可通過C3000操作界面直接修改CONF01的值實現回流比自動控制。

當需要進行遠程操作時，采用串口通訊方式，連接C3000與電腦。C3000通訊使用標準MODBusRTU協議，通過MCGS等組態(tài)軟件對CONF01對應存儲地址的值進行修改即可實現上位機監(jiān)控。

兩種控制方案均可實現回流比的自由調節(jié)及控制，并進行上位機監(jiān)控操作。間接型控制方案采用液位測量后，可通過靈活調整中間儲槽的截面積獲得穩(wěn)定液位，檢測精度達到0.5%，經過精確校正后輸出精度也可達1%以內，系統(tǒng)雖無法直接測量各流量，但可通過計量泵的信號反饋獲得回流及產品流量，并由此推斷出冷凝液量。其問題在于使用兩臺計量泵后總體價格偏高，一般學校無法承受。直接型方案屬于經典比例控制系統(tǒng)，結構簡潔明了，方便教學，雖然檢測精度較低為2%，但系統(tǒng)總體價格約為間接型系統(tǒng)的80%，有較高的性價比，適合控制要求不高的高校實驗室教學使用。

4 結束語

目前間接型方案已應用于在南京大學，浙江大學，寧波理工學院等多個學校的精餾實驗裝置中，直接型方案亦在棗莊職業(yè)學院的精餾實驗裝置中使用，兩種測控方案均運行良好，工作穩(wěn)定可靠，學校反應操作方便，特別與組態(tài)軟件共同使用時，操作界面友好，師生對操作情況有直觀的了解，教學效果獲得較快提升，具有廣泛的應用前景。