1、收稿日期： 2007- 国家高技术研究发展计划（ 863 计划）项目 基于智能工程的新式、集约型过程控制的工程化应用研究（编号 2006AA020301-11） - 1 -智能化有机溶剂回收控制系统设计 陈林 潘丰 （江南大学 通信与控制工程学院，江苏 无锡 214122） 摘要 ： 为了提高用于溶剂回收的固定吸附床的溶剂吸附率和回收率，设计了一种基于智能控制方法的回收控制系统。该控制系统由 PLC 和触摸屏等组成，实现对吸附、脱附、再生、再吸附的循环过程控制，并对吸附、脱附时间和脱附温度进行智能控制，有效地治理了废气中的污染物质并回收其中有用的有机溶剂。采用这种方法，可达到较高的废气净化率和
2、溶剂回收率。 关键词 ： PLC；触摸屏；吸附；脱附；智能控制 中图分类号： TP273 文献标识码：B 文章编号： The Design of Intelligent Organic Solvent recovery Control System CHEN lin, PAN feng (School of Communication and Control Engineering, Jiangnan University, Jiangsu, Wuxi 214122, China) Abstract: In order to enhance ratio of solvent adsorptio
3、n and recovery in the fixed-adsorption bed used for solvent recovery, a recovery control system based on intelligent control method was designed. The control system consisted of PLC and touch-screen, realized the circular process control of adsorption、 desorption、 regeneration and re-adsorption, and
4、 implemented intelligent control on adsorption、 desorption time and desorption temperature. The new method abated the pollutant and recoveried the available organic solvents in the exhaust gas. A higher ratio of gas purification and solvent recovery is reached by using the method above in the recove
5、ry system. Keywords: PLC; touch-screen; adsorption; desorption; intelligent control 0 前言 在处理有机废气的方法中，固定床吸附法应用极为广泛。与其它方法相比，具有去除效率高、净化彻底、能耗低、易于推广、实用等优点，有着良好的经济和环境效益12。传统回收装置没有溶剂浓度超值防燃防爆预警装置、回收成本较高、回收率较低、品质差，回收溶剂大都不能直接作为配胶原料继续使用。采用改进后的固定床新工艺流程，设计了一套 PLC 和人机界面支持的智能控制系统。该系统对溶剂浓度超值可以提前发出预警信号，不会产生隐患。由 PLC
6、对吸附、脱附时间和脱附温度实现优化控制，确保废气排放不超标并提高了废气净化率和溶剂回收率。采用了高温低压过热蒸汽脱附法新工艺，彻底解决了高沸点溶剂脱不净吸不进后造成排放超标的难题，同时吸附罐内又不会产生高压，对安全生产没有隐患。该系统已成功应用到印染厂的实际生产中。 1 固定床吸附脱附理论 1.1 基于吸附等温线的活性炭吸附理论 最基本的吸附理论是 Langmuir 模型，它是在完全忽略吸附质分子之间相互作用的前提之下，基于吸附质与吸附剂之间作用的一个模型。根据 Langmuir 的理论，当气体向表面的凝聚速度等于自表面蒸发的速度时，就达到了吸附平衡状态，并由此导出了 Langmuir 吸附等
7、温方程2： mqKP=q1+KP（ 1） 式中： q 为吸附剂所吸收的吸附质浓度； qm为吸附剂所吸收吸附质饱和浓度； K 为经验常数； P 为吸附剂表面的分压力。 对于苯、甲苯、乙基苯和二甲苯（ BTEX）被活性炭吸附这一问题，复杂的经验模型和理想吸附溶液理论（ IAST）并不能取得令人满意的结果，而取新常数的 Freundlich 等温线方程却可得到较好的2结果2。作为描述吸附过程的 Freundlich 公式为： 1nV=kP （ 2） 式中： V 为被吸附气体的体积； k 为常数； P 为平衡压力。 1.2 基于过热水蒸汽的固定床脱附过程 为了工艺流程优化设计，需要进一步研究脱附过程的
8、热量动力学。根据 Polanyi 的位势理论，被吸附物在高能量点优先被吸附，低能量点的脱附速度要比高能量点的快。 Krebs 和 Smith 提出了基于活化能量分布的模型3： 11ndAndt = （ 3） 式中：0qq = ， q 为 t 时刻的吸附浓度， q0为初始时刻的吸附浓度。 常数 A 和 n 有下列方程确定： 00EA= exp( )ln(0.5) RT （ 4） 120CRTnCRT E=（ 5） 式中： E0为活化能，与初始浓度有关；0 为频率因子； R 为通用气体常数（ 8.31Jmol-1K） ； T 是绝对温度； C1、 C2是无量纲常数。 2 回收装置及工艺操作流程 2
9、.1 回收装置 根据上述理论对传统的有机溶剂吸附回收工艺进行了改造，在吸附器的设计上参考了环式吸附器结构，设计了一种组合式的吸附器。在某甲苯回收工程设计中，采用了四箱吸附系统。工艺流程如图l 所示。废气经过除尘降温后，被风机吸入吸附罐内，由固定床内的活性炭对其进行吸附，当吸附饱和时，将过热蒸气通入吸附罐进行脱附，脱附完后，对吸附罐排汽，脱附产物经过冷凝后进入分离箱，分离后得到回收品甲苯。 吸附材料的优劣，直接关系到回收率的高低、回收的品质和运行成本。工业上对吸附材料的要求是，必须有大的比表面积（尤其是有效的比表面积） 、高的孔隙率、均匀的孔径，而且要求脱附后污染物的残留量尽可能地少4。根据 L
10、angmuir 吸附理论，吸附剂的吸附容量与它的比表面积成正比。由于活性炭纤维孔道极短，使得活性炭纤维容量大，吸附和脱附速率高。所以可以用活性炭纤维替代活性炭颗粒。 吸附是一个放热过程2。因此 , 在连续吸附操作时床层温度会升高，一方面造成吸附率的下降，另外还可能给安全带来隐患。系统设置了床层温度监控报警装置，一旦温度超过设计值 , 系统便自动报警并自动切换到安全位置。为了使系统处于高效的运行状态，增加降温装置，使固定床的温度能及时下降。 2.2 工艺操作流程 由 PLC 控制完成连续的吸附、脱附、再生、待机循环操作程序。当吸附罐 1、 2、 3 处于吸附状态时，吸附罐 4 处于脱附状态；下一
11、个工作状态是吸附罐 2、 3、 4 处于吸附状态，而吸附罐 1 则处于3脱附状态，如此循环下去；在运行过程中若需要进入其它状态，可进行强制换槽。脱附介质采用过热蒸气，脱出的溶剂蒸气混合液从吸附罐经排液口排入冷凝器进行冷凝，冷凝器是采用冷却塔循环冷却水进行冷却。经冷凝器冷凝后的溶剂和水混合液先进入缓冲器，再进入分离箱。 3 控制系统结构及软件设计 计 控制系统由 PLC、触摸屏、变频器、电磁阀、气动阀、气动泵以及各类传感器组成。如图 2 所示。 PLC 采用的是台达 DVP 系列可编程控制器，通过 RS232 口与触摸屏 COM1 连接进行通讯，实现人机交互，完成所有的操作及显示功能；同时通过
12、PLC RS485 接口与变频器通讯。 DVP 系列 PLC 在其编程软件 WPLSoft2.08 的运行环境中可用梯形图（ LAD）或语句表（ STL）进行编程，编译通过后可由专用通信电缆下载到 PLC。 Screen Editor（ DOP-AE10THTD 触摸屏件开发工具）提供了多种控制器件库、图形控件和功能组件，可组态出各种显示和控制功能，实现系统操作状态、当前过程值及故障的可视化5。触摸屏软件设计包括创建画面和信息，并将它们和 PLC 程序相连。具体概括为以下三个步骤：界面的可视化设计设定变量设置通信参数。所设计的触摸屏软件实现了对 PLC 中的实时数据进行显示、记录、存储、处理，
13、从而满足各种监控要求。并为不同的操作人员设置不同的操作密码和相应的操作权限。 控制系统可利用以太网，实现更强大的监控与管理功能。上位机与公司多套溶剂回收控制系统的PLC 进行通信，方便地实现与 PLC 之间的数据交换、监控与管理。再利用公共通信网络将 PLC 传送到上位机的浓度信号及时传递给环保局监测中心主机，主机进行数据信息的汇总处理，从而定量地了解现场的废气排放情况，达到监控管理信息化的目的，有利于环保部门的工作。 4 智能控制方案设计 4由以上固定床吸附脱附理论可知： 低温高压有利于吸附过程， 高温低压有利于脱附过程。 由式(1)、(2)均可得知，随着固定床内气压的增高，气体的吸附量也会
14、增大，但气速的增加会导致吸附效率的下降，从而影响到废气净化率和溶剂回收率。为此，在废气除尘降温环节安装差压传感器，传感器将信号变送到 PLC，PLC 再结合吸附罐排气口废气探测器的变送信号来控制变频器，改变风机的转速，保证固定床的废气进气量的压力和气速合适，从而使吸附效率达到最优。 随着活性炭吸附时间的延续，活性炭的吸附率会逐渐下降。在活性炭不能满足吸附净化要求时，处理后的废气就会超标排放。为此，采用小型专家控制系统，根据吸附时间、脱附时间和脱附温度的历史数据与规则进行推理，由推理结果输出相应的控制行为，实现对吸附时间、脱附时间和脱附温度的智能控制。当探测器测到排放浓度将超标时，浓度信号变送到
15、 PLC 控制系统，通过电磁阀启动气门气缸关闭进、排气门，停止吸附，进入吸附状态，确保废气达标排放。 由涂层机排出的溶剂废气连接至集气总管，在每个集气总管末端装有智能化浓度探测器，探测到的废气浓度信号变送到 PLC 采集系统与“标定的废气浓度爆炸极限值”进行比对，废气浓度达到极限值前，发出预警信号，提醒操作人员及时排除故障。 当脱附过程结束后，脱出溶剂混合液经列管式冷凝器冷凝后，进入分离箱进行甲苯与冷凝水的分离。但手动分离很容易把甲苯与冷凝水一起排出，对周围环境造成二次污染和危险。本项目在分离箱分离区上部装有二支分离探测针，根据甲苯与水导电率和比重不同的原理， PLC 自动控制排甲苯与水冷凝水
16、。分离箱溶剂储存区上部装有液位控制器，甲苯到一定液位时，由 PLC 控制气动流量泵把甲苯抽出，存入储存罐内储存。解决了手动调节带来二次污染的危险，并提高了甲苯的回收率。每天的回收量和累计量资料可在 PLC 触摸屏上实时显示并记录。 5 结论 该系统经市产品质量监督检验所全性能测试，各项技术指标符合设计要求。经市环境检测中心站的监测报告表明，该系统的废气溶剂回收率和环境大气净化率分别达到 95%以上和 99%。经多家印染厂的运行结果显示，该项目产品具有良好的社会效益和经济效益。据某纺织品有限公司统计，某月共使用溶剂型浆为 146.40 吨，其中甲苯的含量为 68.2%70%，经理论计算，甲苯的含
17、量为 102.48 吨，而公司回收到甲苯 98.5 吨，回收率达 96.1%。按甲苯 0.9 万元/吨的价计，甲苯回收了 88.52 万元。查新报告显示该系统已达到国内领先水平。该系统还可用干甲苯+丁酮、乙酸乙酯、甲苯+石油类废气的治理和回收，适用于橡塑业、胶带业、橡塑业、PU 皮革业、电子材料业、金属涂层等领域。 本文作者创新点：设计了一套基于 PLC 的溶剂回收控制系统，实现对吸附、脱附、再生、再吸附的循环过程智能控制，显著提高了溶剂吸附率和回收率。 经济效益：425 万元人民币/年 数据来源：某纺织品有限公司 研究方法：多方调查、考证、分析、设计，并最终进行设备安装、调试直至正常运行。
18、参考文献 1Jung-Yang San, Yuh-Ching Hsu, Liang-Jen Wu. Adsorption of toluene on activated carbon in a packed bed J. International Journal of Heat and Mass Transfer,1998,41(5):3229-3238. 2杨晓东 , 顾安忠 .活性炭吸附的理论研究进展 J. 炭素 ,2000,16(4):11 15. 3Alba Torrents, Raveendra Damera, Oliver J.Hao. Low-temperature therm
19、al desorption of aromatic compounds from activated carbonJ. Journal of Hazardous Materials, 1997, 54(7):141-153. 4黄文强，李晨曦 .吸附分离材料 M.北京：化学工业出版社 ,2005. 5吴振纲 , 陈虎 . PLC 的人机接口与编程 J.微计算机信息 ,2005,8-1:21-23. 通讯地址：江苏省无锡市江南大学蠡湖校区信控学院自动化研究所 C410 陈林 Email： chenlin_ 5电话： 0510-85912125， 13771454457作者简介：陈林（ 1982-） ，男，江苏连云港人， 2006 届在读硕士研究生，主要研究方向为过程控制。 Biography:CHEN lin(1982-), male, Jiangsu Lianyungang,2006 master, Research area: Process Control. 国家高技术研究发展计划（ 863 计划）项目 基于智能工程的新式、集约型过程控制的工程化应用研究（编号 2006AA020301-11） 说明：贵刊我校图书馆已订阅.
