CN106404590A - 一种微波热解微藻实验装置及监控系统 - Google Patents

一种微波热解微藻实验装置及监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波热解微藻实验装置及监控系统，微波热解微藻实验装置包括微波发生系统、质量测量系统、温度测定系统、热解及产物收集分析系统；监控系统包括监控计算机、控制站以及数据采集系统。本发明能够较为准确的测量物料内部的温度，磁控管产生的微波功率线性可调，实现物料的恒温/变温微波热解，能动态测量物料在特定微波功率、温度下失重量随时间变化的关系及温度随时间变化的关系及温度以固定的升温速率加热条件下的热失重曲线；监控系统能够在计算机上直观显示微波功率、温度、重量随时间变化的曲线，对所产气体和冰浴中所收集的油的成分进行详细分析并将相关数据通过串口送给监控计算机。本装置尤其适用于试样量较大的实验研究。

Description

一种微波热解微藻实验装置及监控系统
技术领域
本发明涉及一种微波热解装置及监控系统，尤其涉及一种微波热解微藻实验装置及监控系统。
背景技术
微藻是一些微观的藻类生物质，具有生长速度快，油脂含量高等特点；油脂中大多是中性油脂，含有不饱和脂肪酸的程度低，这使微藻具有潜力替代化石燃料。微藻油脂的含量通常高于其他蔬菜作物，被确认为是生产生物燃油的原料。随着化石燃料的日益枯竭以及温室效应的日趋严重，开发可再生能源微藻对缓解能源紧张和减少碳排放具有重要的意义。
热解是热化学转化方法的一种，是在无氧或缺氧条件下受热后有机物发生热裂解，产生各种新的气体、液体和固体的现象。随着人们对热解产油兴趣的增加，以获得生物油为目的的快速热解技术的研究和应用越来越受到重视，微波热解技术应运而生。
目前对于微藻微波热解的研究，主要侧重于热解影响因素的考察，包括微藻种类、微波功率、添加物种类及比例等。控温条件下的微波热解几乎未涉及，而常规热解研究表明温度是影响热解过程的重要因素。目前用于实验研究的装置往往只能容纳很少量的试样，而试样的量过少不利于微波热解产油影响因素的研究及油的收集和提取。此外，针对实验研究的需要，有必要研发一套能够较为准确的测量并控制温度且能容纳大量试样的微波热解装置及能够进行数据的采集和记录，并直观的在计算机上输出微波功率、温度、重量随时间变化的监控系统，而此方面的成套装置及监控系统还未见报道。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而提出的一种微波热解微藻实验装置及监控系统，目的是较为准确的测量物料内部温度，实现对微波功率和热解温度线性可调，并可在线测量温度和失重量随时间变化的关系数据。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种微波热解微藻实验装置及监控系统，整套装置包括微波发生系统、质量测量系统、温度测量系统、热解及产物收集分析系统，监控系统包括监控计算机、控制站以及数据采集系统；控制站包括西门子PLC控制器、扩展模块、微波控制模块；利用大量热电偶和压力传感器以及外置PLC系统进行智能控制，监控计算机将温度设定值通过串口通讯通知控制站并接受控制站返回的各种参数如温度、重量等，控制站分别与热电偶、压力传感器、磁控管发生系统、电机和气质联用仪电连接。
一种微波热解微藻实验装置，其特征是：由电机、浮子流量计、氮气瓶、微波发生系统、热电偶、搅拌轴、搅拌翅片、压力传感器、残渣出口、罐体、控制站、气质联用仪、干燥器、阀门、高温过滤网、微型气泵、冰浴、一级积液瓶、二级积液瓶、三级积液瓶组成；罐体上部中心设置支架，支架上安装电机，罐体上部四周设置四个微波仓，微波仓内设有微波发生系统，氮气瓶通过浮子流量计与罐体相连，罐体下部两侧设置热解残渣出口。
其中罐体左右两侧从上到下每隔固定距离设置一个热电偶，热电偶测量范围为0---1300℃，分辨率为1℃，型号：K型。
其中为防止热电偶在微波场中“打火”，毁坏热电偶以及对测温产生干扰，热电偶与炉膛使用金属螺栓紧密连接。
其中罐体内部中心设有带搅拌翅片的搅拌轴，搅拌轴的上部由连接套与减速器连接，搅拌装置能使物料始终均匀分布在罐内。
其中罐体的下方设置了压力传感器,压力传感器通过变送器与控制站电连接。
其中在罐体上方四周设置四个微波发生系统，微波发生系统由变压器、磁控管、波导管等组成，磁控管产生的微波功率在0-3kW之间，并连续可调，型号为：LG-2M285。
一种微波热解微藻实验装置的监控系统，其特征是：
热电偶通过扩展模块中SM331与控制站电连接；微波发生系统与控制站电连接；压力传感器通过变送器与控制站电连接；控制站通过串口与监控计算机电连接；气质联用仪通过串口与监控计算机连接。
控制站包括西门子PLC控制器、扩展模块、微波控制模块、PLC通过串口接收执行监控计算机发出的各种指令；并通过扩展模块采集热电偶信号和压力传感器阵列信号，通过数学建模判断物料的位置，选择处于物料之中的热电偶所测量的温度，用于温度控制，同时上传给监控计算机。
监控计算机安装组态王软件，提供人机接口，用户在监控计算机上设定微波功率、加热时间、温度等多项参数，通过串口通讯通知控制站并接收控制站返回的各种参数，采用图形化方式显示试样在特定微波功率、温度下失重量随时间变化的关系及温度随时间变化的关系曲线等变化曲线。
本发明能够较为准确的测量物料内部的温度，磁控管产生的微波功率在0-3kW之间线性可调，可以实现物料的恒温/变温微波热解，能动态测量物料在特定微波功率、温度下失重量随时间变化的关系及温度随时间变化的关系及温度以固定的升温速率加热条件下的热失重曲线，监控系统使用组态王软件进行数据的采集和记录，能够在计算机上直观的显示微波功率、温度、重量随时间变化的曲线。利用气质联用仪，对所产气体和冰浴中所收集的油的成分进行详细分析并将相关数据通过串口送给监控计算机。本装置尤其适用于试样量较大的实验研究。
附图说明
图1是本发明的一种微波热解微藻实验装置示意图。
图2是本发明的监控系统示意图。
图中所示： 1.电机 2.减速器 3.微波仓 4.浮子流量计 5.氮气瓶 6.支架 7.微波发生系统 8.热电偶 9.搅拌轴 10.搅拌翅片 11.压力传感器 12.残渣出口 13.罐体14.连接套 15.控制站 16. 监控计算机 17.气质联用仪 18.干燥器 19.阀门 20.高温过滤网 21.微型气泵 22.冰浴 23.一级积液瓶 24.二级积液瓶 25.三级积液瓶。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明。
由图1所示，一种微波热解微藻实验装置由电机1、减速器2、微波仓3、浮子流量计4、氮气瓶5、支架6、微波发生系统7、热电偶8、搅拌轴9、搅拌翅片10、压力传感器11、残渣出口12、罐体13、连接套14、控制站15、计算机监控系统16、气质联用仪17、干燥器18、阀门19、高温过滤网20、微型气泵21、冰浴22、一级积液瓶23、二级积液瓶24、三级积液瓶25组成；罐体13上部中心设置支架6，支架6上部设有带电机1的减速器2，罐体13上部四周设置四个微波仓3，微波仓3内设置有微波功率线性可调的微波源；罐体13内部中心设有带搅拌翅片10的搅拌轴9，搅拌轴9的上部由连接套14与减速器2连接；罐体13的底部放置压力传感器11阵列，底部两侧设置残渣出口12；氮气瓶5通过浮子流量计4与罐体13上方左侧相连，罐体右侧管道通过高温过滤网20与冰浴22连接，冰浴22中收集生物柴油，剩余气体通过干燥器18后经过阀门19，进入气质联用仪17；在管道的最末放置一台微型气泵21。热电偶8、压力传感器11、电机1、微波源7与控制站15电连接，控制站15与监控计算机16通过串口进行通信，即为微波热解微藻实验装置。
由图2所示，一种微波热解微藻实验装置的监控系统由监控计算机、控制站、热电偶阵列、压力传感器阵列、微波发生系统组成，热电偶、压力传感器、微波发生系统，搅拌电机与控制站电连接，搅拌电机定时搅拌使物料均匀分布在罐内，压力传感器采集物料重量数据送给控制站，通过数学建模，利用物料重量判断物料在罐内位置，控制站选择物料之中的热电偶，取其平均值作为罐内温度返回给监控计算机。监控计算机安装组态王软件，提供人机会话界面，可以手动/自动设置温度，计算机将信号发给控制站，控制站控制微波发生系统使温度达到设定值，实现试样的恒温微波热解实验或者使温度以设定的升温速率上升，实现试样在变温条件下的热失重实验。程序控制系统在线测量温度和失重量随时间变化的关系数据，并以图表模式显示在计算机上。
尽管上文对本发明的具体实施方案进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方案进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (9)

1.一种微波热解微藻实验装置，其特征是：由电机（1）、浮子流量计（4）、氮气瓶（5）、微波发生系统（7）、热电偶（8）、搅拌轴（9）、搅拌翅片（10）、压力传感器（11）、残渣出口（12）、罐体（13）、控制站（15）、气质联用仪（17）、干燥器（18）、阀门（19）、高温过滤网（20）、微型气泵（21）、冰浴（22）、一级积液瓶（23）、二级积液瓶（24）、三级积液瓶（25）组成；罐体（13）上部中心设置支架（6），支架（6）上安装电机（1），罐体（13）上部四周设置四个微波仓（3），微波仓（3）内设有微波发生系统（7），氮气瓶（5）通过浮子流量计（4）与罐体（13）相连，罐体（13）下部两侧设置热解残渣出口（12）。
2.如权利要求1所述的微波热解微藻实验装置，其特征是：罐体（13）左右两侧从上到下每隔固定距离设置一个热电偶（8），热电偶测量范围为0-1300℃，分辨率为1℃，型号：K型。
3.如权利要求2所述的微波热解微藻实验装置，其特征是：所述热电偶（8）与炉膛使用金属螺栓紧密连接。
4.如权利要求1所述的微波热解微藻实验装置，其特征是：所述罐体（13）内部中心设有带搅拌翅片（10）的搅拌轴（9），搅拌轴（9）的上部由连接套（14）与减速器（2）连接。
5.如权利要求1所述的微波热解微藻实验装置，其特征是：所述罐体（13）的下方设置了压力传感器（11）,压力传感器（11）通过变送器与控制站（15）电连接。
6.如权利要求1所述的微波热解微藻实验装置，其特征是：所述在罐体（13）上方四周设置四个微波发生系统（7），微波发生系统（7）由变压器、磁控管、波导管组成，磁控管产生的微波功率在0-3kW之间，并连续可调，型号为：LG-2M285。
7.一种微波热解微藻实验装置的监控系统，其特征是：
热电偶（8）通过扩展模块中SM331与控制站15电连接；微波发生系统（7）与控制站（15）电连接；压力传感器（11）通过变送器与控制站（15）电连接；控制站（15）通过串口与监控计算机（16）电连接；气质联用仪（17）通过串口与监控计算机（16）连接。
8.如权利要求7所述的监控系统，其特征是：控制站（15）包括西门子PLC控制器、扩展模块、微波控制模块、PLC通过串口接收执行监控计算机发出的各种指令；并通过扩展模块采集热电偶信号和压力传感器阵列信号，通过数学建模判断物料的位置，选择处于物料之中的热电偶所测量的温度，用于温度控制，同时上传给监控计算机（16）。
9.如权利要求7所述的监控系统，其特征是：监控计算机安装组态王软件，提供人机接口，用户在监控计算机上设定微波功率、加热时间、温度等多项参数，通过串口通讯通知控制站并接收控制站返回的各种参数，采用图形化方式显示试样在特定微波功率、温度下失重量随时间变化的关系及温度随时间变化的关系曲线等变化曲线。
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