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基于 PLC 的生物制氢反应器的设计及暗发酵制氢的启动

作者:论文发表网 更新时间:2017-08-16 20:48:04
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1 微反应器反应特点
  1.1 小试工艺不需中试可以直接放大
  精细化工多数使用间歇式反应器。小试工艺放大到大的反应釜,由于传热传质效率的不同,一般需要一段时间的摸索,通常都是经过小试-中试-大生产。利用微反应器技术进行生产时,工艺放大不是通过增大微通道的特征尺寸,而是通过增加微通道的数量来实现的。所以小试的最佳反应条件,不需要作任何改变就可以直接进行生产,不存在小试用反应器放大的难题。
  1.2 反应温度可精确控制
  极大的比表面积决定了微反应器有极大的换热效率,即使反应中瞬时释放出大量热量,也可以及时吸收以维持反应温度不超出设定值。对于强放热反应,在常规反应器中由于混合速率及换热效率不够高,常常会出现局部过热现象,而局部过热往往导致副产物生成,以导致收率和选择性下降。在精细化工生产中,剧烈反应产生的大量热量如果不能及时导出,会导致冲料事故甚至发生爆炸。
  1.3 反应时间可精确控制
  常规的单锅反应,反应物往往采用逐渐滴加,以防止反应过于剧烈,这样就造成一部分先加入的反应物停留时间过长。对于很多反应,反应物、产物或中间过渡态产物在反应条件下停留时间一长,就会导致副产物的产生。微反应器技术采取的是微管道中的连续流动反应,可以精确控制物料在反应条件下停留的时间,一旦达到最佳反应时间就立即传递到下一步反应,或终止反应。
  2 微反应器的反应类型
  2.1 放热剧烈的反应
  对放热剧烈的反应,常规反应器一般采用逐渐滴加的方式,即使这样,在滴加的瞬时局部也会过热而产生一定量的副产物。微反应器由于能够及时导出热量,反应温度可实现精确控制,因此消除了局部过热,显著提高反应的收率和选择性。
  2.2 反应物或产物不稳定的反应
  某些反应物或生成的产物很不稳定,在反应器中停留时间一长就会分解而降低收率。微反应器系统是连续流动体系,而且反应物的停留时间可以精确控制,因此可避免常规反应器中出现的由于反应物或产物不稳定而分解的情况。
  2.3 反应物配比要求很严的快速反应
  某些反应对反应物配比要求很严格,其中某一反应物过量就会引起副反应,如要求单取代的反应,会有二取代和三取代产物生成。微反应器系统可以瞬时达到均匀混合,这就避免了局部过量的问题,使副产物减少到最低。
  3 控制系统的设计
  3.1 系统总体设计
  PLC 系统的构成包括硬件和软件两部分,硬件部分又包括 PLC 系统构成、开关量和模拟量控制的设计。本系统选用的 S7-200 系列的 PLC,它有着结构紧密、性能优越、性价比合理、运行速度快、编程灵活、通信功能强大等优点,该系列 CPU 不仅本身自带一定数量的输入/输出点,可独自完成开关量控制。同时又具有扩展能力,能和数字量 I/O 模块、模拟量 I/O 模块以及通讯模块组合在一起形成复杂系统。该部分由 220V 交流电源驱动 PLC 的 CPU 供电,同时输入为内部的 24V 直流电源,输出可驱动 0-220V 的外部交直流电器设备。由本反应器工艺要求和控制过程来看,自动控制系统包括两路流量控制的 Pm 调节控制;一台变频器的调速控制;叠管反应以及单管反应运行方式的选择;压力和扭矩的采集;西门子触摸屏的通讯;西门子上位机组态软件 WinCC 的通讯等。PLC 系统的 CPU 和模拟量模块的选择应根据管式反应器自动控制系统设计的开关量和模拟量的数量而定。经计算整理并除去叠管反应方式和单管反应方式重合的多余量,系统共需要 12 个输入端口和 4 个输出端口的开关量信号,同时应留有一定的可扩展性,因此我们选取 S7-200 系列中的 CPU224,进行整个系统的开关量输入、输出控制,输入、输出合计可用点数为 14 入/10 出。
  3.2 软件设计
  数据采集系统设计。该部分充分利用模拟信号采集器强大的数据采集和处理功能,实现对现场采集的模拟信号的采集、处理和记录功能,反映到计算机系统中。根据管式反应器在运行过程中的具体要求,对反应过程中需要采集的多个压力和扭矩信号实时采集并存储记录,设计了一套多参数采集系统。监控系统设计。wincC 是目前所有组态软件中功能比较强大的一个,也是当前在生产和现场监控自动系统中应用比较广泛的一个。它集成了 SCADA、组态、脚本语言和 OPC等先进技术,提供了适用于工业的图形显示、消息归档、以及报表等功能模块。在管式反应器自动控制系统中我们正是采用的 WinCC 组态软件。
  3.3 硬件部分
  以西门子 S7-200PLC 为核心,并由数据采集系统和外围控制电路所组成。实现以自动控制代替手动控制,反应运行方式任意切换,集中各模拟量和采集量的控制、采集和管理等功能。使自动控制系统具有运行稳定、功能完备、良好的操作性、可靠性能高、高度集成化等优点。
  编程控制器 PLC 是一种应用非常广泛、发展十分迅速的通用控制器。它具有可靠性高、编程容易和接口方便等优点,使其在化工工业方面得到广泛应用,本文设计的微通道反应器自动控制系统实现了乙位突厥酮生产的相关要求,具有很高的操作性和可靠性。
  参考文献
  [1]余武斌.微通道反应器内精细有机合成反应及混合规律研究[D].浙江工业大学,2013.
  [2]苏欣.基于 PLC 的生物制氢反应器的设计及暗发酵制氢的启动[D].厦门大学,2009.
基于 PLC 的生物制氢反应器的设计及暗发酵制氢的启动
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