一种有机溶剂新型回收控制系统的设计与实现

项亚南 潘 丰

(1.江苏信息职业技术学院机电研究所，江苏 无锡 214153；(2.江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

一种有机溶剂新型回收控制系统的设计与实现

项亚南1潘 丰2

(1.江苏信息职业技术学院机电研究所，江苏 无锡 214153；(2.江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122)

针对有机溶剂回收率低、回收成本较高的问题，在传统有机溶剂回收装置的原固定床独立吸附工艺上进行改进，设计一种吸附/脱附-再生-冷凝分离的溶剂回收工艺。新工艺不仅可以提高有机溶剂的回收率，而且还减少了有害废气的排放，并实现了冷凝水的重复使用。根据新的回收工艺流程，设计一种并联组合式吸附器结构的有机溶剂自动回收系统，并配置有触摸屏下位机。控制系统设计了上位机监控平台，实现对多台设备的分布式管理。该回收装置中的4个吸附器相互配合使用，提高了吸附效率，有效解决了传统有机溶剂回收装置中固定床独立工作，对有机溶剂回收率较低的问题。

自动回收系统 有机溶剂 回收工艺 回收率

在工业生产中，有机溶剂的使用是非常广泛的，但是有机溶剂一般都有挥发性，如果不恰当地处理这些有机物质，会对环境造成严重污染进而危害人类健康[1,2]。所以对有机溶剂的回收循环再利用是非常有意义的，一来可以降低企业生产成本，二来具有巨大的环保效益。

有机溶剂的回收方法有很多种，常见的回收方法有吸收、吸附、膜分离和冷凝4种。前三种分离方法在得到有机溶剂后，还需经过蒸馏、冷凝及分离等后续操作，才能对有机溶剂进行回收，成本较高[3]；冷凝法是利用回收物沸点不同来进行回收的，适合具有不同沸点的有机物，这种回收方法设备工艺简单、回收纯度高、能耗低，但是不足之处是冷凝法回收效率不高[4]。针对废气处理，刘载文等提出一种三相内循环生物流化床控制方法，但是对于含有有机粉尘的环境，处理能力有限[5]。文献[6]中提出一种超临界流体萃取(SFE)技术，采用适宜的温度和压力对目标废气进行提取。文献[7]分析了板式蒸发式冷凝器与管式蒸发式冷凝器，对比两种降膜的不同，进行热传导的分析。

在传统的有机溶剂回收控制系统中，采用的是手动控制。对回收过程中各动作的切换，是依据操作员的经验，手动控制来实现的。因此在回收现场是需要专门安排操作人员来管理的，人为因素较大，如果操作员经验不足，甚至会导致回收的失败。目前，即便是新建的有机溶剂回收系统，自动化水平仍不是很高，大部分只停留在回收过程数据采集和简单控制(如冷却水循环泵、风机的开关控制)的水平上[8～10]。

为了克服人工手动操作的不足，设计出一套有机溶剂回收自动控制系统，并利用组态王KingVIEW6.53上位机系统对多台控制设备进行组态，分散控制，集中处理。

1 回收系统的工艺和硬件电路选型

根据有机溶剂工艺流程的要求，有机溶剂回收装置主要包括：控制系统、安全装置、除尘和降温装置、引风机、蒸汽过热装置、吸附槽、冷凝器、缓冲器、分离箱、有机溶剂储罐、管道及阀门等。

1.1有机溶剂回收工艺

有机溶剂回收工艺操作流程如图1所示。当废气经过除尘处理再降温后，风机开启并将它吸入到吸附槽内，由固定床内的活性炭对它进行吸附，直到吸附饱和，再经过热蒸汽通入吸附槽进行脱附，脱附完后，对吸附槽排汽，进行再生，脱附产物经过冷凝后进入分离箱，分离后得到有机溶剂。

图1 有机溶剂回收工艺流程

图1中主要工艺单元的作用如下：

a. 废气收集部分由废气集气总管完成，它的作用是将过程中产生的有机废气送入到安全窗。

b. 除尘的目的是去除一些不能再利用的粉尘，采用无纺布过滤器。降温的环节主要是降低进气的温度，采用的是循环冷却水来降温，使得固定床中的吸附剂最大限度地吸附。除尘降温之后，需要控制风机的速度运转，将废气吸入吸附床中。

c. 4个体积较大的罐状容器组成吸附床，其功能是吸附和脱附，得到有机溶剂的气体混合物和水蒸气。

d. 冷凝器的功能是将步骤c中提到的气体进行冷却，循环冷却水来自冷却塔。

e. 分离箱的作用是将液体混合物分离。

1.2控制系统的设计

通过分析上节中回收系统的工艺特点设计如图2所示的控制方案。控制系统分3层，分别是上位机管理层、操作员层和现场的采集和控制设备层。ET200M是一个免维护的DP从站，PLC与现场的采集控制终端设备采用ET200M自带的Profibus-DP现场总线通信。上位机管理层与PLC通过以太网(TCP/IP)交换数据。

图2 有机溶剂回收过程控制系统结构示意图

现场的采集与控制：具体涉及到终端的传感器、执行器件及仪表等自动化设备，主要实现对于模拟量/开关量数据的采集，数据的输入和控制输出。控制器采用S7-300 PLC，在工程中有多台回收系统，各控制器分别控制一个回收子系统。S7-300 PLC采用MPI通信方式与触摸屏相互通信，并且需要将PLC挂在上位机的监控层，采用BCNet-S7通信转换器实现，它从PLC的MPI通信口扩展出一个TCP/IP，并保留MPI通信口。

现场操作层采用TPC1561Hi型MCSS下位机触摸屏，用于对现场过程进行状态监视与数据管理。触摸屏的功能包括回收流程图、控制参数的设定、报警和报警记录、数据记录和保存(当插入U盘时，还可以将记录的数据按照采样时间间隔导成Excel表格)。

监视层采用KingVIEW6.53上位机组态软件，上位机软件可以实现触摸屏上的所有操作，并且比下位机具有更高的权限。

3个层次每个层都有特定的功能，相互配合作用。

2 现场仪表和传感器选型

根据工艺的控制点数需要，溶剂回收控制系统需要数字量和模拟量点数：CPU选用带有Profibus-DP接口和Profinet接口的CPU 317-2 PN/DP，数字点输入量点数为25个，输出数字量点数21个，模拟输入点数7个。考虑到控制所需点数和一定的冗余度：选用一块32点数字量输入模块SM321；一块8×12bit模拟量输入模块SM331；一块32点数字量输出模块SM322。

针对有机溶剂可能存在一定的腐蚀性和危险性，选用精度高，并且能测量具有危险性和腐蚀性流体介质的Rosemount电磁流量计，将流量信号转换为脉冲量，传送到PLC用于测量和控制，并且安装在现场的流量计还显示瞬时流量。

在集气总管内，测量管道内气体的浓度是非常有必要的，如果粉尘达到一定的浓度，随时会造成火灾隐患，这也是控制系统必须要考虑的部分。选用防爆型的离子感烟火灾探测器。火灾探测器按照一定的扫描周期将集气总管内的烟雾浓度检测传送至PLC。火灾自动报警控制器对火灾的判断，不是简单地通过阈值比较方法，这样很容易造成误判。探测装置需要对温湿度进行检测分析，并根据当前烟雾浓度的变化量、变化速率等判定是否发生火灾，从而减少误报。

回收系统的运行环境是非常恶劣的，在对压力进行采集时，选用差压变送器。对压力的控制方案是：先采集现场压差的大小，PLC通过PID方式控制变频器来调节风机的风速进而调节压差。为了能够方便现场人员对压力进行观测，还选用DPG100数字式压力表加以实现。

在回收过程中，可能有扬尘或者气体挥发事件的发生，选用PMS粉尘浓度传感器，实时检测固定床排气口排出的废气浓度，实现对空气质量的监测。

在吸附和脱附过程中还需要监测吸收槽中温度的变化情况，以保证吸收的最佳效果。因为温度高并且环境恶劣，选用坚固耐用、耐高压的WZP系列Pt100热电阻，对吸附槽槽内温度进行测量。通过检测的温度大小，调节蒸汽调节阀的阀门开度，调整吸附槽的温度，确保吸附和脱附过程达到最佳效果，选用ZJHP系列蒸汽调节阀，其工作温度区间-60～450℃。变频器选用Micro Master 430，用于控制风机的转速。S7-300 PLC硬件组态界面如图3所示。

图3 S7-300 PLC硬件组态界面

3 回收系统的软件设计与实现

回收控制系统软件流程如图4所示。

根据工程需求，现场操作的下位机触摸屏程序设计了6个部分：

a. 系统流程示意图；

b. 参数设置，包括设备参数和系统控制参数，以便用户对系统进行参数的设置；

c. 报警故障，包括故障参数的设置和实时报警显示；

d. 趋势曲线，包含历史曲线和当前时刻曲线，帮助用户对控制量的发展趋势进行分析；

e. 数据表，当前时刻的实时显示和历史数据表，插入U盘还可以导出标量对应的Excel数据表格，便于用户追源溯果；

f. 下位机程序中根据用户不同的管理等级，设置了操作员、部门负责人和管理员(具有最高权限，可以分配权限)3种不同的操作等级。

4 实际应用

实际运行时有机溶剂新型回收控制系统的流程主界面如图5所示。

图5 有机溶剂新型回收控制系统的流程主界面

5 结束语

根据有机溶剂的回收特点，提出一种新的有机溶剂回收工艺流程，在综合考虑了系统的稳定性、回收效果和系统的测控要求后，选取控制方案，并设计出一种有机溶剂的自动回收控制系统。控制系统设计了上位机对多台回收系统进行监控，并且各回收系统还设置了现场的下位机触摸屏，实现对回收过程变量的控制、数据的记录和保存。实际使用结果表明，该系统能够提高有机溶剂的回收率，并且降低了有害气体的排放，具有很好的推广应用价值。

[1] 杨华,刘石彩.用活性炭回收挥发性有机溶剂的研究进展[J].生物质化学工程,2014,49(5):52～58.

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[3] 蒋伟.活性炭纤维吸附—氮气解吸回收多组分有机废气的研究[D].武汉:华中科技大学，2013.

[4] 冯岩岩,徐森,刘大斌,等.冷凝法回收有机溶剂的优化设计[J].化学工程,2012,40(1):35～37.

[5] 刘载文,苏震,王小艺,等.生物流化床污水处理技术进展与展望[J].化工自动化及仪表,2010,37(2):1～6.

[6] 董明,齐树亭.超临界CO2萃取的研究进展[J].化工自动化及仪表,2006,33(4):1～5.

[7] 张景卫,朱冬生,蒋翔,等.蒸发式冷凝器及其传热分析[J].化工机械,2007,34(2):110～114.

[8] 徐立军,段友莲,黄卉.基于PLC的回收地膜清洗污水处理自动控制系统[J].环境工程,2010,28(3):60～62.

[9] 李艳,李明辉.碱回收燃烧工段自动控制系统的设计及应用[J].工业仪表与自动化装置,2007,(4):42～45.

[10] 贺文敏,黎明.催化裂化能量回收机组控制系统的设计与实施[J].计算机与应用化学,2006,23(2):103～106.

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)

国家自然科学基金项目(61273131)；江苏省产学研联合创新基金项目(BY2013015-39)