萃取精馏全回流过程的测量与控制

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

萃取精馏是向精馏塔顶连续加入高沸点添加剂 (萃取剂) , 改变料液中被分离组分间的相对挥发度, 使普通精馏难以分离的液体混合物变得易于分离的一种特殊精馏方法。精馏塔的进料口以下至塔釜称为提馏段, 进料口以上至塔顶称为精馏段。溶剂在精馏段注入并保持一定的浓度, 使相平衡关系发生有利于分离的变化。整个塔内易挥发组分的浓度由下而上逐渐增加。适当控制好塔内的温度, 即可在塔顶获取所需要的成分。

在萃取精馏的过程中, 精馏塔内部的被控变量很多, 各个变量之间的关系也比较复杂。对于二元精馏塔或是多元精馏塔, 当塔内压强较为恒定时, 温度与成分之间均有着一定的对应关系, 所以可以选取温度作为被控变量。

本文主要研究的是实验室中萃取精馏装置溶剂回收段、精馏段、提馏段的过程进行自动控制, 实现全回流的工艺要求。为了便于实现, 选择以温度作为控制变量。利用自动控制过程, 既可以提高产品质量以及网收率, 还可以保护环境和节约能源。

1.2 温度的测量与控制

温度控制系统被广泛应用于各个领域, 目前工业生产中温度控制多采用智能调节方案, 由于起步较晚, 缺乏相关的技术积累, 所以国产的温度控制系统效果欠佳, 分辨率和精度都有待提高, 但其性价比高。

温度测控主要包括两点:温度的测量和温度的控制。在温度的测量技术中, 有一种简单、可靠、低廉、测量精度较高的测量方法叫做接触式测温, 另外还有一种能够对运动的物体和热容量小的物体进行测量的方法叫非接触式测温, 它通过温度场辐射出来的能量, 进行测量。在温度测控中, 要根据所需对象选择恰到好处的测控方法。

2 系统硬件部分设计

2.1 总体设计方案

本设计首先利用热敏电阻Pt100的感温效应, 通过接在电路中热敏电阻在不同温度下阻值的变化得到相应模拟信号。虽然Pt100的阻值随温度的变化呈线性关系, 但其阻值变化率较小, 所以需要经过信号的放大, 然后通过A/D转换, 将信号送至AT89S51单片机中进行数据处理, 并通过八段数码管显示温度。温度的控制则通过键盘输入的范围, 由单片机读取并进行数据处理后输出相关数字信号, 经由D/A转换器, 再控制电阻丝是否加热, 实现对温度控制。

本设计要包括温度信号采集电路模块, 按键控制输入模块, 单片机最小系统, 显示电路模块, 以及执行器电路模块。其中温度信号采集电路模块包括温度信号的获取电路、信号放大电路、A/D转换电路。

2.2 电路设计

(1) 温度信号采集电路模块

根据Pt100传感器测温原理可知, 通过Pt100构成信号的获取电路通常的方法是运用恒流源电路或是采用电桥电路。本设计采用电桥电路, 温度传感器Pt100的电压与电桥中100Ω电阻的电压差值来反映温度的变化。由于Pt100在0℃时的阻值为100Ω, 故电桥电路的阻值为100Ω。因此, Pt100在0~100℃的阻值变化范围是100Ω~138.5Ω, 所以电压差值为0~0.0807Vcc, 由于Pt100的阻值随温度的变化小, 产生的电压信号变化也较小, 因此后续电路中还需要通过放大电路将信号放大。系统采用电桥电路获取温度信号的变化, 根据电压与电阻成线性的关系得到温度信号的采集, 然后再送入后级的放大电路中, 电路见图1。

温度信号通过LM358运算放大器将信号放大通过10位的A/D转换器将电压信号转换成数字信号, 使得温度的分辨率为0.1℃, 满足分辨率的要求, 最终将信号传送到单片机。

(2) 按键控制输入模块

按键输入模块主要是由三个按键组成, 分别是增加、减少和确认键来实现对温度的设定。电路见图2。

(3) 单片机最小系统

单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。扩展部分包括温度输入端口为P2.7, 按键输入端口为P3口, 显示输出口为P0口, 执行器模块连接P3.7。

(4) 显示电路模块

本设计采用4个LED来实现对温度的显示, 采用分时显示四个LED数码管, 由P2.0~P2.3控制四个三极管的基极的信号, 使得管子分时导通, 使数字显示在数码管上。数码管连接P0口, 需要连接上拉电阻, 数码管采用共阴极连接。

(5) 执行器模块

执行器模块采用继电器连接电阻丝加热, 电阻丝加热电流为20m A, 可根据需要同时使2个或多个电阻丝加热, 实现快速加热。

3 系统软件部分的设计

软件设计部分主要由温度采集模块、数据处理模块、显示模块以及通过按键设定对应的温度, 并通过单片机控制电阻丝实现温度的控制。

3.1 程序流程

(1) 系统控制流程图, 见图3。

(2) 温度转换流程图与显示流程图, 见图4、图5。

(3) 主函数流程图, 见图6。

4 结语

本文是以化工中的萃取精馏过程为基础, 要求通过对其中全回流过程进行深入的分析, 采用合适的自动化控制手段实现相应的工艺要求。单片机是整个设计的核心部件, 其作为一个控制核心可以实现众多的自动化控制过程。以Pt100作为温度测量元件也是综合考虑了价格、应用范围及精度要求。

设计要求实现萃取精馏过程中精馏段、提馏段及溶剂回收段, 三段进行分别控制。但由于三段的控制变量繁多, 本文只主要介绍了温度参数的影响, 对上述三段过程的测量及控制。

摘要：随着微处理器及大规模集成电路迅速发展, 其应用领域不断延伸。生产过程的自动化控制已成为化工行业的主流。本文设计一套系统对精馏段、提馏段及溶剂回收段进行测量与控制, 实现全回流的工艺要求。本设计以单片机为控制器, Pt100作为温度传感器, 温度的采集是利用模拟运算电路及A/D转换器, 温度的显示采用LED数码管显示, 最后通过单片机对加热电阻丝的控制实现对温度的控制。

关键词：萃取精馏,全回流,测量,控制

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