流化床干燥器湿含量在线测量

● 新加坡国立大学 张心蓓 山西星火维敏制药有限公司 杨生兴 BECKHOFE AOTUMATION COMPANY LTD 常杰



流化床干燥器湿含量在线测量

● 新加坡国立大学 张心蓓 山西星火维敏制药有限公司 杨生兴 BECKHOFE AOTUMATION COMPANY LTD 常杰

摘 要:针对连续流化床干燥器开发了一套基于软测试技术的干燥过程控制系统，实现了物料湿含量终点值的预报。

关键词：流化床干燥器 软测试 湿含量

引言

在化工、轻工、食品、医药及农副产品深加工等行业，其产品在存储、运输、加工和应用过程中，湿分（水分或者化学溶剂）的含量都有标准要求。例如一级尿素成品含水量不能超过0.5%。湿分的含量直接影响产品的性能、质量和成本，是工业生产过程的一项重要指标。所以固体料成为成品之前，必须除去其中超过规定的湿分。

除湿的方法很多，目前工业生产中常用的除湿方法有 ⑴利用重力或离心力除湿，这种方法只能除去湿物料中部分湿分；⑵ 利用热能使湿物中湿分气化，并排出生成的蒸汽，以获得湿分含量，达到标准要求，这种除湿方法称为干燥。

在工业生产中，经常是利用热空气作为干燥介质，在这个过程中，热空气一方面作为载热体将热量传给湿物料，另一方面又作为载湿体将物料汽化后的水分移走。因此，在整个干燥过程中实际上与物料接触的都是湿空气，所以湿空气的状态既关系到传递热量的多少和速率，又关系到传质的速率和量，且湿空气的状态随干燥过程的进行而变化。

干燥过程是一个能耗极大的单元操作。据统计资料介绍，工业发达国家干燥操作消耗能耗占全国总能耗的18%～20%，我国近期的统计，干燥操作能耗约占全国总能耗的10%。

名词定义

1.湿物料性质

湿物料中含水分的数量即水分在湿物料中的浓度，通常用下面两种方法表示：

（1）湿基含水量 W

湿基湿含量W为水分在物料中的质量百分数，即：W，工业上常用这种方法表示湿物料中的含水量。

（2）干基含水量X

在干燥过程中，绝干物料的质量没有变化，故可用湿物料中的水分与绝干物料的质量比表示湿物料中水分的浓度，称为干基湿含量。

2.平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分

从空气方面分为：平衡水分和自由水分。

平衡水分：是指当物料与热空气接触，达到平衡时，物料所含水分，这个水分与空气含水量有关，是干燥法除不去的水分。

自由水分：是可以用干燥法除去的水分。

从物料方面分为：结合水分和非结合水分。

结合水分：属于水分子和物料分子以物理化学结合方式结合在一起，与物料结合力较强，结合水较难用干燥的方法除去。

非结合水分：物料中吸附的水分和孔隙中的水分，在干燥中比较容易除去。

3.湿空气的状态参数

（1）湿空气的湿含量 H

湿空气中单位质量绝干空气所含水蒸气的质量。单位 kg 水 / kg 干空气。

H 表示水蒸气的绝对量。

（2）相对湿度 Φ

总压一定的条件下，湿空气中水蒸气分压pw与同温度下饱和蒸气压力ps之比，即Φ= Φ值，反映出湿蒸气吸收水分的能力。Φ值低表示该空气干燥能力强，Φ=1表示湿空气中的水蒸气已达饱和，不能作为干燥介质。

相对湿度是一个与空气温度有关的参数。

（3）露点 Td

将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度称为露点，以Td表示。

4.常用的干燥设备分类

（1）沸腾干燥（流化干燥），（2）气流干燥，（3）喷雾干燥，（4）真空干燥，（5）震动干燥，（6）冷冻干燥，（7）红外干燥，（8）超声波干燥。

本文介绍的是流化床（沸腾床）干燥过程的物料湿含量在线实时检测原理和方法，理论上对于气流干燥、喷雾干燥等其他干燥过程同样适用，但需要实际工程验证。

课题介绍

山西星火维敏制药是一家生产医药中间体的企业，位于山西大同市。该企业其中一个车间采用连续流化床干燥器对产品进行干燥。在实际生产过程中，干燥器出口物料，也就是最终产品湿含量（湿基含水量）的确定，采用人工取样，大约每隔1 h～2 h取样1次，样品送到化验室进行化验。如果化验的样品合格，则产品可以打包入库，如果样品水分含量高于标准值，则操作人员根据经验，适当开大蒸汽阀门，提高空气进口温度。已出物料则需要再送到入口，重新干燥。由于取样间隔时间长，而且阀门操作起来麻烦，工人劳动强度大。造成产品的水分含量波动很大，尤其是夜间工作。产品重复干燥，不但影响产品质量和收率，而且极大浪费能源。因此生产上需要一套在线自动监测和控制物料水分的系统。经过调研，我们发现这种情况在全国医药、化工行业是一个普遍现象。而物料湿含量在线监测和控制，不仅国内没有先例，在国际上也是一个世界性难题。

控制原理和方案

由于目前还没有直接检测固体物料水分的仪器仪表，所以我们采用软测量技术来解决这个难题。所谓软测量就是通过状态估计的方法对无法在线测量的参数进行在线估计。具体思路就是：依据某种准则，选择一组与主导变量（待测变量）有密切关系而又容易测量的变量（二次变量），通过构造某种数学关系，即建立一个数学模型，用计算机控制系统通过这个数学模型，实现对主导变量实时的预测和控制。

要成功实现软测试的关键点，即本文的原创性体现在以下3个方面：

⑴ 确定二次变量构成以及检测仪表的选型和安装位置。

⑵ 通过实验构建数学模型。

⑶ 数学模型的修正。

二次变量的确定

图1　现场流化床干燥器系统结构图

干燥器左边为进料口，由人工投料，来料湿含量（湿基含量）在10%～12%之间，右边为出料口，要求湿含量≤0.35%。热风从干燥器底部吹入干燥器，由顶部排出。蒸汽通过换热器对进风进行加热，通过控制安装在蒸汽管道上的调节阀，控制蒸气量，来调整进风温度。物料在热风吹拂下，一边上下翻腾，一边缓慢由左向右移动，直到出料口。在没安装控制系统之前，干燥器上有2只现场温度计，操作工一边根据现场温度和经验调整蒸汽阀，一边定时到出料口取样，根据化验结果再调整蒸汽阀的开度。

在安装控制系统之后，控制系统自动检测温度、湿度等变量，计算成出料湿含量在现场显示，并根据计算的湿含量高低，自动调节蒸汽阀，控制进风温度，达到控制出料湿含量的目的。

通过工艺分析和现场观察可知，在设备确定，被干燥介质确定，工艺环境条件变化不大的前提下，流化床出口固体颗粒的湿含量（X）与进风温度（Ti）、出风温度（To）、气相温度（Tg）和气相湿度（Wg）密切相关，是上述几个变量的函数，因此我们选定上述检测点作为数学模型的二次变量。

关于仪表选型，由于物料粒度比较小，像面粉一样，质量比较轻，物料是被热空气吹起，弥漫在整个干燥器内部，而且物料比较湿，经常会糊在测量仪器表面，污染传感器，因此温度传感器可以采用封闭的护套，定时清洗，但是湿度传感器要求必须要和空气接触，不能采用封闭的护套。我们通过实验，采取加过滤器的方法，并对过滤器的材质进行了多次实验，最后确定了一种特殊材质的过滤器。此外，我们对两家国际知名品牌的湿度传感器进行了试用，最终选用芬兰维萨拉公司的露点仪，传感器输出两路信号供PLC使用，一路露点信号（Td），一路气相湿度信号（Wg） 。

控制系统：由于建模的要求，需要在控制器内部进行大量的数学运算，对处理器的性能要求比较高，而系统检测点比较少，从经济性、可行性角度考虑，不可能采用高档DCS系统。而由于做实验，系统不确定因素很多，要求系统软、硬件灵活性高，容易组态编程。经过比较，最终选用了德国BECKHOFE AOTUMATION COMPANY的PLC控制器系统。BECKHOFE（倍福）的PLC系统组态软件采用遵循IEC61131-3 国际标准的开发软件平台，支持多种PLC编程语言（IL，ST，LD，SFC，CFC，FBD），灵活性、开放性和兼容性好，是理想的开发平台。

表1　部分现场数据

构建数学模型

如上所述，确定了进风温度（Ti），出风温度（To），气相温度（Tg）和气相湿度（Wg）作为模型的二次变量，那么出口物料湿含量：X可以表示为下面函数形式：

X=K0＊。

K0，K1，K2，K3，K4是与空气流量、空气热容、介质参数有关的参数。进风温度Ti，出风温度To，气相温度Tg，气相湿度Wg，可以在线测量。因此我们的工作就是根据上述的监测值和化验结果，来确定以上的函数形式和K值。

基于以上思路，我们和现场生产人员一起，收集了3个月的数据。数据的采集间隔时间是30 min一次，每天白天做8 h的实验。

将采集到的数据进行筛选，去掉异常的数据，留下300组数据。其中250组数据，采用多元回归分析的方法，借助MATLIB 软件离线构建了一个数学模型，用来预估干燥器出口的物料湿含量，另外50组数据用于检验模型的精度。

最终得到了如下回归方程：

令DTI=Ti-Wg，DTo=To-Wg

X=K1，K2，K3，K4，K5，K6是与现场有关的常数。

经过2个多月的现场运行，现场运行情况良好。模型的预估数据与化验结果对比，误差≤±0.02%。

软测量的修正

随着工况的变化，以及传感器信号的老化，会造成信号漂移，软测量的值会发生偏差。因此软测量的在线校正是必不可少的。我们对软测量仪表的在线修正用增量校正方法，用化验室的离线分析值和软测量值之差作为校正增量。

即：Xc=Xs+b0；

其中：Xc是修正后的估计值，Xs是修正前的估计值，b0是偏置量，它可以是正的，也可以是负的。

结语

通过构建某种数学模型，使用软测量技术，使干燥器出口物料湿含量能够实时检测和控制。在没有使用本方案时，物料水分经常超标，尤其是夜班生产时,不合格产品更多。使用本控制系统后，经过三个多月的试运行，没有出现过一批不合格产品。不但提高了产品的产量和质量，还极大节约了能耗。

本方案虽然是在流化床干燥器上实现的，但其原理同样可应用于气流干燥、喷雾干燥和真空干燥等系统。全国医药、化工、食品等行业有成千上万套干燥系统，据初步调查，都没有实现物料湿含量在线实时检测，所以如果能把此技术在全国推广，仅节能一项，就能创造巨大效益，更不用说提高产品质量和产量带来的经济效益。

参考文献

[1] 俞金寿. 工业过程先进控制[M]. 中国石化出版社.

[2] 孙伟民等. 化工节能技术[M]. 化学工业出版社.

[3] 黄华江. 实用化工计算机模拟-MATLIB 在化学工程中的应用[M].化学工业出版社.

[4] Portoghese,F.,Berryti,F.&Briens,C.(2007).Continuous on-line measurement of solid moisture content during fluidized bed drying using triboelectric probes. Retrieved from