基于PLC的廢溶劑回收處理控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用

胡敬強

摘要：在涂布行業(yè)生產(chǎn)過程中，伴隨而成的廢溶劑該如何處理，才能滿足安全、環(huán)保和企業(yè)經(jīng)濟需求，已成為目前多數(shù)中小企業(yè)面臨的難題。本文結(jié)合實際項目，介紹了基于PLC控制器開發(fā)了一套廢溶劑蒸餾、蒸發(fā)、廢氣處理的自動化控制系統(tǒng)。通過PLC的數(shù)據(jù)采集、溫度控制、廢溶劑調(diào)節(jié)控制和安全保護設(shè)計功能，確保了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。同時，將廢溶劑系統(tǒng)蒸發(fā)后氣態(tài)有機物送到蓄熱式氧化爐進行分解，并將釋放的熱能回收再用于廢溶劑處理設(shè)備加熱需求，有效地解決了客戶廢溶劑處理的難題，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，取得了較好的實用價值。

關(guān)鍵詞：廢溶劑;PLC;控制系統(tǒng);安全;環(huán)保

1.引言

涂布工藝是改變和完善材料表面特性的重要加工工藝，而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，涂布工藝已成為許多功能性材料研究開發(fā)所不可或缺的重要工藝技術(shù)手段。目前涂布行業(yè)所采用的基本都是有機溶劑型涂料，在反光材料、光學(xué)材料、離型膜、保護膜等行業(yè)中，其主要的工業(yè)廢氣污染已引起高度注意。但我們不可忽視涂布行業(yè)生產(chǎn)過程中伴隨而生的廢溶劑，其也是造成環(huán)境污染的一個重要因素。廢溶劑除含有有機溶劑外，還含有大量的殘膠，處理方式相對較為復(fù)雜。目前常用的處理裝置是蒸餾回收裝置，但也只是將有機溶劑和雜質(zhì)殘膠分離，分離后的有機溶劑基本還是只能用于清洗涂布機器，無法徹底處理。另一種處理方式通過專業(yè)危廢處理公司來處理，但處理成本較高且辦理相關(guān)轉(zhuǎn)運手續(xù)非常復(fù)雜。目前客戶大量廢溶劑都儲存在工廠內(nèi)而無法有效處理，廢溶劑儲存所面臨的安全問題已嚴(yán)重困擾到涂布企業(yè)。鑒于此情況，本文結(jié)合實際項目案例設(shè)計了一種廢溶劑綜合處理系統(tǒng)，安全可靠地處理廢溶劑的同時，也節(jié)省了設(shè)備運行能耗。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計方案

目前常用的廢溶劑回收裝置采用的是電加熱加熱導(dǎo)熱油的方式，控制導(dǎo)熱油在170℃左右，從而使有機溶劑蒸餾出來，過濾到殘膠和雜質(zhì)。該設(shè)備能耗高，且只能單一分離出潔凈的有機溶劑，無法從根本上徹底解決企業(yè)處理廢溶劑的需求。本系統(tǒng)設(shè)計總體方案如下，利用蓄熱式氧化爐的余熱加熱蒸餾罐，控制蒸餾罐溫度大于廢溶劑蒸發(fā)溫度，達到有機溶劑蒸餾，殘膠和雜質(zhì)被過濾到的目的，再經(jīng)過冷凝器將潔凈的有機溶劑氣體冷凝到儲液罐。蒸發(fā)器內(nèi)設(shè)計霧化噴嘴將潔凈的有機溶劑液態(tài)霧化，利用蒸餾后的高溫?zé)煔鈱㈧F化的有機溶劑汽化后，再進入蓄熱式氧化爐高溫分解，有機廢氣被徹底處理的同時，釋放的熱能再用于加熱蒸餾系統(tǒng)，形成了一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)濟高效地解決了廢溶劑處理的難題。

3.系統(tǒng)詳細設(shè)計方案

3.1、溶劑蒸餾罐設(shè)計

蒸餾系統(tǒng)是利用廢溶劑中有機物沸點不同的特性，將低沸點的有機溶劑蒸發(fā)，再冷凝成潔凈的有機溶劑，從而分離出廢溶劑的殘膠或其他雜質(zhì)。涂布行業(yè)廢溶劑主要成分為甲苯、乙酸乙酯、丁酮、異丙醇等，各成分沸點如下：

甲苯110.6℃、乙酸乙酯77.06℃、丁酮79.6℃，異丙醇82.45℃。蒸發(fā)罐溫度超過有機物沸點，即可滿足汽化條件。考慮蒸餾后的出口煙氣用于蒸發(fā)器蒸發(fā)溶劑，并考慮便面散熱和管道熱損失，故蒸餾罐設(shè)計溫度為185℃，蒸餾罐出口設(shè)計溫度170℃。蒸發(fā)器熱源來自于蓄熱式氧化爐，通過高溫?zé)煔獬隹陲L(fēng)門和低溫?zé)煔怙L(fēng)門混合調(diào)節(jié)，已滿足熱能需求。本系統(tǒng)按平均20kg/h的設(shè)計，因系統(tǒng)蒸餾量會隨蒸餾罐液位下降，蒸餾罐換熱面積線性下降，最大的蒸餾量按40kg/h設(shè)計。按照能量守恒原則，有機溶劑汽化所需的熱能全部來源于蒸餾罐煙氣熱能。以甲苯為例，設(shè)計參數(shù)如下：

3.2、溶劑蒸發(fā)器設(shè)計

蒸發(fā)器主要利用蒸餾后的高溫?zé)煔鈱㈦p流體噴槍噴射的霧化有機溶劑汽化，然后通過溶劑風(fēng)機輸送到有機廢氣處理設(shè)備進行氧化處理。蒸發(fā)器設(shè)計按照蒸發(fā)冷卻塔原理設(shè)計，蒸發(fā)器內(nèi)氣體流速小于4m/s，本項目按照3.5m/s設(shè)計，氣體停留時間大于5s以上來設(shè)計。因蒸發(fā)的熱源來自蒸餾出口煙氣，蒸發(fā)器進口設(shè)計溫度150℃，出口設(shè)計溫度為120℃。廢溶劑的處理噴淋量則由噴嘴決定，本項目選擇雙流體噴嘴，通過調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力來大概調(diào)節(jié)噴入液體量，并配合流量計、調(diào)節(jié)閥做流量精度控制，保證溶劑的蒸發(fā)量在安全范圍內(nèi)。

3.3、溶劑系統(tǒng)風(fēng)機設(shè)計選型。

本設(shè)計將廢溶劑先蒸餾、后冷凝然后再蒸發(fā)，潔凈的有機溶劑以氣態(tài)形式送入到后級廢氣處理設(shè)備進行處理。蒸發(fā)后有機廢氣濃度是安全控制的非常重要點，根據(jù)有機廢氣處理行業(yè)規(guī)范要求，進入蓄熱式氧化爐的有機物濃度應(yīng)小于爆炸下限的25%，則有機溶劑經(jīng)蒸發(fā)罐蒸發(fā)后的濃度應(yīng)<25%LEL。下表為不同有機物安全濃度和風(fēng)量數(shù)據(jù)：

根據(jù)上表可看出，當(dāng)處理的廢溶劑為甲苯時，在保證有機廢氣濃度小于25%LEL的情況下，系統(tǒng)需求的運行風(fēng)量最大?？紤]系統(tǒng)預(yù)留一定的調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)能力按最大設(shè)計風(fēng)量的70%計算，故系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)量為1500Nm3/h，系統(tǒng)風(fēng)壓考慮的蒸餾罐和蒸發(fā)器的壓損，設(shè)計全壓為2000pa。同時，為保證蒸發(fā)后的有機廢氣濃度在安全范圍內(nèi)，在蒸發(fā)器出口設(shè)計一臺濃度檢測儀，實時檢測蒸發(fā)器出口氣體濃度，當(dāng)濃度超過25%LEL時，系統(tǒng)會自動關(guān)閉廢液噴淋電磁閥，停止廢液噴入。

3.4、控制系統(tǒng)設(shè)計

3.4.1、控制I/O點數(shù)表：

3.4.2、PLC控制系統(tǒng)選型

該系統(tǒng)I/O點數(shù)較少，但控制穩(wěn)定性要求較高，故CPU用羅克韋爾公司的1769-L16ER-BB1B、I/O模塊為羅克韋爾的1734-遠程Point，HMI選用羅克韋爾PanelView Plus 7觸摸屏，變頻器為powerflex400P系列，整套控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊方式，系統(tǒng)組態(tài)圖如下：

本項目控制硬件組成共4大部分。

HMI，操作頁面，顯示實時運行數(shù)據(jù)，

CPU，系統(tǒng)控制的核心。

I/O模塊，連接系統(tǒng)外圍儀器儀表，采集相關(guān)儀表數(shù)據(jù)。

變頻器，根據(jù)變頻調(diào)節(jié)、控制溶劑系統(tǒng)風(fēng)門。

3.4.3、系統(tǒng)軟件構(gòu)架

3.4.4、系統(tǒng)主要控制邏輯：

3.4.5、系統(tǒng)部分PLC控制程序

3.4.6、HMI畫面

4、系統(tǒng)安全功能設(shè)計

有機溶劑具有易燃易爆的特性，故系統(tǒng)的安全性是設(shè)計的第一重點，本項目在軟件、硬件都設(shè)計多級安全保護措施，以確保設(shè)備使用的安全性、可靠性。安全保護設(shè)計如下：

1.系統(tǒng)配置一臺濃度檢測儀實時檢測蒸發(fā)器出口有機廢氣濃度，當(dāng)檢測到氣體濃度大于25%LEL時，廢液噴淋電磁閥關(guān)閉，停止廢液進入蒸發(fā)器。

2.廢溶劑風(fēng)機運行頻率根據(jù)蒸發(fā)器進口口壓差自動調(diào)節(jié)，但最小運行頻率不小于35HZ。

3.通過廢液調(diào)節(jié)閥開度大小自動控制廢液噴淋流量，確保廢液噴淋量在20L/H。

4.廢液噴淋電磁閥與蒸發(fā)器進出口溫度、系統(tǒng)風(fēng)機頻率及蒸發(fā)器進出口壓差及蒸發(fā)器液位連鎖，當(dāng)溫度、壓力、液位異常時，關(guān)閉廢液噴淋電磁閥。

5.壓縮空氣管路設(shè)計壓力開關(guān)，當(dāng)壓力低于設(shè)定值，廢液電磁閥關(guān)閉。

6.儀表、風(fēng)機均采用防爆結(jié)構(gòu)，廢溶劑管道防靜電接地嚴(yán)格按規(guī)范設(shè)計和施工。

7.系統(tǒng)進風(fēng)風(fēng)管上設(shè)置隔離閥門，防止系統(tǒng)停機時，蓄熱式氧化爐高溫?zé)煔鈧鲗?dǎo)到儲液罐及蒸發(fā)罐上，造成安全隱患。

8.系統(tǒng)設(shè)計有泄爆片、安全閥、阻火器等物理防護設(shè)備，確保即使發(fā)生安全事故，也可將不利影響限制現(xiàn)在很小的范圍內(nèi)。

該控制系統(tǒng)操作簡單，本項目設(shè)計方案能夠從根本上解決廢溶劑處理的難點，同時，利用了廢溶劑高溫分解釋放的熱能供給自身系統(tǒng)用熱需求，達到了節(jié)能、環(huán)保的目的。

5、結(jié)論

涂布行業(yè)所產(chǎn)生的廢溶劑，因其存儲困難、處理困難，對于企業(yè)安全、環(huán)保和經(jīng)濟投入已造成了很大的困擾，本文設(shè)計的PLC自動控制廢溶劑處理系統(tǒng)，從廢溶劑的蒸餾、冷凝、噴淋、蒸發(fā)，熱能回收再利用等全自動化實現(xiàn)，操作簡單、安全可靠，將客戶難于處理的廢溶劑變成可利用能源回收，從根本上解決了涂布行業(yè)廢溶劑處理的難題，節(jié)省了企業(yè)廢溶劑處理的成本投入，帶來了較大的經(jīng)濟效益，同時也有一定的市場推廣價值。

參考文獻：

[1]王新亮.廢有機溶劑的處置及精餾再利用技術(shù)概述.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（9）：144-145.

[2]張志亮.羅克韋爾AB控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用.機械管理開發(fā)，2020（3）：173-174.

[3]蓄熱燃燒法工業(yè)有機廢氣治理工程技術(shù)規(guī)范.中華人民共和國國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)HJ1093-2020

[4]王永忠;楊建平.蒸發(fā)冷卻塔的設(shè)計和應(yīng)用分析.寶鋼技術(shù).2020（3）：173-174.

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