CN109336242B - 一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程的自动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程的自动控制系统。属于化工领域。该系统包括分散釜、流化床、固定床、气液分离器、中和吸收单元5个工艺流程单元自动控制要求，设计自动控制系统。在分散釜单元，采用变比值控制策略设计能量动态平衡控制系统，解决工艺废水和精馏废液进料流量配比调节问题；在流化床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统、夹套温度智能控制系统；在固定床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统、夹套温度智能控制系统；在气液分离器单元设置温度监测和压力监测装置。在中和吸收单元设计液位报警自动控制；确保装置在低能耗下稳定运行，净化后废液满足国家标准。

Description

一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程的自动控制系统
技术领域
本发明涉及一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程与工业自动化技术的交叉领域，具体涉及一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程的自动控制系统。
背景技术
在化工生产过程中，不可避免会产生含有高聚物的精馏残液形成危废，同时也会产生相当数量的含有机杂质的废水，如何将这些废物无害化、净化处理，已成为该领域中亟需解决的难题。由于高浓度有机废水的成分复杂、可降解性低，采用常规方法很难取得满意的处理效果。催化燃烧法是处理有机废气的有效方法之一，催化剂的加入降低了反应起始条件，对低浓度有机废气也有较好处理效果。目前国内外对高浓度有机废气液的处理仍停留在独立净化阶段，处理装置大多都处于现场监控和手动加料状态，这种方式耗能大，处理效率低，净化效果不佳。对于废水与废气的联合净化工艺及其自动控制系统设计没有涉及。
发明内容
本发明是针对上述存在的技术问题提供一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程的自动控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，该系统包括分散釜单元、流化床单元、固定床单元、气液分离器单元和中和吸收单元。系统包括分散釜单元、流化床单元、固定床单元、气液分离器单元和中和吸收单元；在流化床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统和夹套温度智能控制系统；在固定床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统和夹套温度智能控制系统；在气液分离器单元设置温度监测和压力监测装置，在中和吸收单元设计液位报警自动控制。
本发明技术方案中：在分散釜单元，为了更好的控制精馏残液与工艺废水的进料配比，采用双闭环变比值控制策略设计能量动态平衡控制系统，能量动态平衡控制系统是根据精馏残液和工艺废水以及废水COD的变化进行热量衡算，通过热量平衡计算结果确定能量动态平衡控制系统的比值，从而确定精馏残液和工艺废水的最佳进料比例，根据得到的比值设定进料调节阀的开度，保证精馏残液和工艺废水的最佳进料比例，实现整个处理系统的能量动态平衡控制。同时分别设计液位报警自动控制和搅拌电机调速自动控制系统。
据精馏残液和工艺废水进料变化进行实时热量衡算，给出最佳的流量配比参数。
设废水中与残液中有机物氧化释放热量分别为Qow、Qol，则总放热量为：
Q0＝Qow+Qol (1)
设水汽化吸收的热量为Qawv，水从室温升高至100℃吸收的显热为Qaws，汽化后的水蒸汽从100℃升高到反应温度吸收的显热为Qass，氧气吸收的显热为QaO2，氮气吸收的显热为QaN2，有机废液吸收显热为Qaorg，则吸收的总热量为：
Qa＝Qawv+Qaws+0ass+QaO2+QaN2+Qaorg (2)
当Q0＝Qa时达到热量平衡，装置能耗最低，从而计算出残液与废水的最佳进料比值K，作为双边闭环变比值控制器的设定值，通过流量双闭环比值控制系统实现整个处理系统的能量动态平衡控制。
Figure BDA0001868627510000021
其中，Vww为有机废水的进料流量，ρw为有机废水的密度，qn为有机废水的燃烧热值；Vwl为有机废液的进料流量，ρl为有机废液密度，ql为有机废液燃烧热值，Qow为有机废水中有机物氧化释放热量，Qol为有机残液中有机物氧化释放热量，
Figure BDA0001868627510000022
为水蒸汽热容，qH，100为水在100℃下的汽化潜热，Cpw为水热容；Mibt为有机废液摩尔质量，Cporg为有机废液热容；Tin为流化床进口温度，Tout为流化床出口温度。
采用变比值控制策略设计能量动态平衡控制系统，通过动态调控有机废液与有机废水的比值K，使得临氧裂解氧化反应释放的热量与吸收热量保持动态平衡，实现有机废液与有机废水联合净化过程的自热平衡，解决工艺废水和精馏废液进料流量配比调节问题。
由于水蒸气的热容，汽化潜热值，热容值是固定的，而废液与废水里的密度，燃烧热值以及其含有的有机物氧化时放热量是随着不同的废液与废水变化而变化的，因此通过调节有机废水的进料流量Vww与有机废液的进料流量Vwl，即调节Vww与Vwl的比值K使得Q0＝Qa，让反应达到热平衡状态。
本发明所述的流化床单元和固定床单元，综合考虑催化剂最佳催化效率以及加热炉的滞后性，采用温度分段控制的方法设计夹套温度智能控制系统，最快无超调达到反应加热温度，并在反应过程中根据系统动态变化进行自动控制，保证反应在最佳温度下进行。夹套温度智能系统通过改变加热器两端电压实现进行实时调整，确保催化裂解氧化反应在最佳温度下进行。
同时在进风口设计进风流量物料动态平衡控制系统，通过成分检测仪在线实时检测通入流化床中的有机物含量，进而分析出精馏残液的热值变化与工业废水的COD浓度变化，采用涡街流量计实时检测进入流化床中物料的流量，计算得出最佳的空气进料流量，并且该控制系统可以根据实时得到的有机物浓度和进料流量，及时对进风流量进行调整，确保反应氧化剂含量达到工艺要求。并在流化床的上中下段都设有温度监测仪。
本发明所述的流化床单元和固定床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统如下：
有机物燃烧反应方程式：
Figure BDA0001868627510000031
采用空气作为流化床和固定床中的反应所需的氧化剂，当有机废水的进料流量为VwwL/h，有机废液的进料流量为VwlL/h，空气的进料流量为Vairm3/h，空气中氧气密度为ρO2，ρl为有机废液密度，Vl为有机废液体积；
计算废水中有机物的耗氧量(kgO2/h)：OCw＝COD·Vww/1000 (5)
计算废液中有机物的耗氧量(kgO2/h)：
Figure BDA0001868627510000032
液相中总有机物的耗氧量(kgO2/h)：OC0＝OCw+OCl (7)
空气进料流量为(kg/h)：Vair＝OC0/(0.21ρO2) (8)
通过成分检测仪在线实时检测通入流化床和固定床中的有机物含量，进而分析出精馏残液的热值变化与工业废水的COD浓度变化，采用涡街流量计实时检测进入流化床和固定床中物料的流量，从而通过上述计算公式得出最佳的空气进料流量，作为进料流量反馈控制设定值，控制系统对进风流量进行自动调节。
在气液分离单元，为了使经过固定床催化氧化后得到的气体充分冷却和气液分离，在换热器的进口和出口处都设有温度监测仪。
在中和吸收单元，为了进一步的通过换热器后得到的气体与液体中的少量有害物质，且达标排放，在中和罐和吸收塔处设置液位报警自动控制，并设置有成分检测仪，以便监测排放物时候达到排放标准。
该自动控制系统由人机界面、控制柜和执行机构三部分组成，人机界面计算机与控制柜连接，控制柜用逻辑控制器控制现场的温度、流量、液位等控制单元，执行机构与控制柜连接，由泵，调节阀，风机、加热器等组成。
本发明技术方案所述的系统应用于三废处理过程中。
本发明的有益效果：本系统可以保证联合净化装置在低能耗，高效率下长期稳定运行，并且当精馏残液和工艺废水的有机物含量波动时，系统可以自动进行进料配比调节，消除了处理装置由于精馏残液和工艺废水有机物含量变化所导致的不稳定性并且优化了处理效果，使得净化后的废液可以达到国家排放标准。
附图说明
图1为精馏残液和工艺废水联合净化装置工艺图。
图2为能量动态平衡控制系统方案图。
图3为能量动态平衡控制系统方案流程图。
图4为进风流量物料动态平衡控制系统方案图。
图5为进风流量物料动态平衡控制系统方案流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例
如图1～5，根据联合净化系统的工艺流程，一种邻/对氯苯甲醛精馏残液和工艺废水的联合净化自动控制系统有如下几个部分，分别为分散釜单元，流化床单元、固定床单元、气液分离器单元，中和吸收单元。
一种邻/对氯苯甲醛精馏残液和工艺废水的联合净化自动控制系统，包括：自动控制系统由人机界面、控制柜和执行机构三部分，人机界面计算机与控制柜连接，控制柜用逻辑控制器控制现场的温度、流量、液位等控制单元，执行机构与控制柜连接，包括泵，调节阀，风机、加热器组成。
根据系统设备用电需求，设计电气控制方案，并在西门子S7-1200PLC中对上述控制系统进行程序实现。同时，绘制WinCC过程监控画面，并与PLC进行通信，对各主要现场参数进行监控。
其中，Vww为有机废水的进料流量，ρw为有机废水的密度，qn为有机废水的燃烧热值；Vwl为有机废液的进料流量，ρl为有机废液密度，ql为有机废液燃烧热值，Qow为有机废水中有机物氧化释放热量，Qol为有机残液中有机物氧化释放热量，
Figure BDA0001868627510000051
为水蒸汽热容，qH，100为水在100℃下的汽化潜热，Cpw为水热容；Mibt为有机废液摩尔质量，Cporg为有机废液热容；Tin为流化床进口温度，Tout为流化床出口温度。
在反应初始阶段，通过能量动态平衡控制系统，测得废水COD值为40700mg/L，密度为ρw＝993.93kg/m3，燃烧热值为qn＝14000kJ/kg，废液密度为ρl＝770kg/m3，燃烧热值为ql＝35000kJ/kgO2，而水蒸汽热容为Cps＝4200J/(mol·K)，水在100℃下的汽化潜热为qH，100＝2257.63kJ/kg，热容为Cpw＝4200J/(mol·K)；有机废液摩尔质量为Mibt＝168，热容为Cporg＝260.7kJ/(mol·K)，Vww＝82,Vwl＝10，ρl＝770，Tin设定为25℃,Tout设定为390℃。
残液与废水的最佳进料比值K：
设废水中与残液中有机物氧化释放热量分别为Qow、Qol，则总放热量为：
Q0＝Qow+Qol (1)
设水汽化吸收的热量为Qawv，水从室温升高至100℃吸收的显热为Qaws，汽化后的水蒸汽从100℃升高到反应温度吸收的显热为Qass，氧气吸收的显热为QaO2，氮气吸收的显热为QaN2，有机废液吸收显热为Qaorg，则吸收的总热量为：
Qa＝Qawv+Qaws+Qass+QaO2+QaN2+Qaorg (2)
当Q0＝Qa时达到热量平衡，装置能耗最低，从而计算出残液与废水的最佳进料比值K，作为双边闭环变比值控制器的设定值，通过流量双闭环比值控制系统实现整个处理系统的能量动态平衡控制。
Figure BDA0001868627510000061
计算出进入分散釜的残液与废水初始进料比为8.2，通过现场采集到的流量数据，实时调节阀门开度，即当对氯苯甲醛残液进料速度为10L/h时，控制工艺废水进料调节阀使得工艺废水进料流量速度为82L/h。同时在分散釜处设置有搅拌电机和液位传感器，搅拌电机根据工艺需求可以实时设置启停状态，液位传感器可实时监测液位情况，超出上限时报警。加入废水和废液后加入分散剂，启动搅拌电机，对混合液进行搅拌分散处理。
将得到的分散液通入流化床中，进行催化裂解氧化反应。在流化床的上中下三个位置分别设置温度传感器，在流化床进口处设置开关阀门与流量计，在流化床进风口处设置调节阀和流量计。夹套温度智能控制系统通过综合考虑催化剂最佳催化效率以及加热炉的滞后性，得到最佳反应温度为390℃，此时夹套温度智能控制系统通过改变加热器两端电压，使其无超调的尽快达到最佳温度，并在反应过程中进行实时调整。
进风流量料动态平衡控制系统，通过成分检测仪在线实时检测通入流化床的有机物含量，进而分析出精馏残液的热值变化与工业废水的COD浓度变化，采用涡街流量计实时检测进入流化床中物料的流量，计算出最佳空气进料流量。
采用空气作为流化床和固定床中的反应所需的氧化剂，当有机废水的进料流量为VwwL/h，有机废液的进料流量为VwlL/h，空气的进料流量为Vairm3/h，空气中氧气密度为ρO2；空气进料流量为(kg/h)：
Figure BDA0001868627510000062
其中n＝7，m＝5，p＝1，COD值为40700mgO2/L，Vww＝82，Vwl＝10，ρl＝770，通过设置在流化床进风口的流量计得到实时进风流量，通过控制阀门开度调节进风流量，使空气进料流率维持在71.7m3/h。
将经过流化床反应后的股流通入固定床中，进行催化氧化反应。在固定床的上中下三个位置分别设置温度传感器，在固定床进口处设置开关阀门与流量计，在固定床进风口处设置调节阀和流量计。其中夹套温度智能控制系统通过综合考虑催化剂最佳催化效率以及加热炉的滞后性，得到最佳反应温度为375℃，此时夹套温度控制系统通过改变加热器两端电压，使其无超调的尽快达到最佳温度，并在反应过程中进行实时调整。同时固定床进风流量物料动态平衡控制系统与流化床进风流量物料动态平衡控制系统一样，首先计算出最佳空气进料流量，再由设置在流化床进风口的流量计得到实时进风流量，通过控制阀门开度使得进风流量最佳。
固定床出口气体经过换热器，为了使经过固定床催化氧化后得到的气体充分冷却，在换热器的进口和出口处分别设置温度监测仪，通过测量换热器进出口温度判断是否冷却充分。
气液分离器后，气体通入吸收塔，液体通入中和塔，为了进一步的通过换热器后得到的气体与液体中的少量有害物质，且达标排放，在中和罐和吸收塔处设置高液位报警功能，并设置有成分检测仪，以便监测排放物时候达到排放标准。
最终的通过成分检测仪，测得净化后与净化前的有机物含量如下表所示，对比传统的人工操作相比，正常运行能耗节省30％。
Figure BDA0001868627510000071

Claims (6)

1.一种精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，其特征在于：该系统包括分散釜单元、流化床单元、固定床单元、气液分离器单元和中和吸收单元；在流化床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统和夹套温度智能控制系统；在固定床单元，设计进风流量物料动态平衡控制系统和夹套温度智能控制系统；在气液分离器单元设置温度监测和压力监测装置，在中和吸收单元设计液位报警自动控制；
在分散釜单元，采用双闭环变比值控制策略设计能量动态平衡控制系统，能量动态平衡控制系统是根据精馏残液和工艺废水以及废水COD的变化进行热量衡算，通过热量平衡计算结果确定能量动态平衡控制系统的比值，从而确定精馏残液和工艺废水的最佳进料比例，根据得到的比值设定进料调节阀的开度，保证精馏残液和工艺废水的最佳进料比例，实现整个处理系统的能量动态平衡控制；
根 据精馏残液和工艺废水进料变化进行实时热量衡算，给出最佳的流量配比参数；
设废水中与残液中有机物氧化释放热量分别为Qow、Qol，则总放热量为：
Q0＝Qow+Qol (1)
设水汽化吸收的热量为Qawv，水从室温升高至100℃吸收的显热为Qaws，汽化后的水蒸汽从100℃升高到反应温度吸收的显热为Qass，氧气吸收的显热为QaO2，氮气吸收的显热为QaN2，有机废液吸收显热为Qaorg，则吸收的总热量为：
Qa＝Qawv+Qaws+Qass+QaO2+QaN2+Qaorg (2)
当Q0＝Qa时达到热量平衡，装置能耗最低，从而计算出残液与废水的最佳进料比值K，作为双边闭环变比值控制器的设定值，通过流量双闭环比值控制系统实现整个处理系统的能量动态平衡控制。
Figure FDA0002960945090000011
其中，Vww为有机废水的进料流量，ρw为有机废水的密度，qn为有机废水的燃烧热值；Vwl为有机废液的进料流量，ρl为有机废液密度，ql为有机废液燃烧热值，Qow为有机废水中有机物氧化释放热量，Qol为有机残液中有机物氧化释放热量，
Figure FDA0002960945090000012
为水蒸汽热容，qH，100为水在100℃下的汽化潜热，Cpw为水热容；Mibt为有机废液摩尔质量，Cporg为有机废液热容；Tin为流化床进口温度，Tout为流化床出口温度；
采用变比值控制策略设计能量动态平衡控制系统，通过动态调控有机废液与有机废水的比值K，使得临氧裂解氧化反应释放的热量与吸收热量保持动态平衡，实现有机废液与有机废水联合净化过程的自热平衡，解决工艺废水和精馏废液进料流量配比调节间题。
2.根据权利要求1所述的精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，其特征在于：所述的流化床单元和固定床单元采用温度分段控制的方法设计夹套温度智能控制系统，综合考虑催化剂最佳催化效率以及加热炉的滞后性，采用温度分段控制的方法设计夹套温度智能控制系统，最快无超调达到反应加热温度，并在反应过程中根据系统动态变化进行自动控制，保证反应在最佳温度下进行；夹套温度智能系统通过改变加热器两端电压实现进行实时调整，确保催化裂解氧化反应在最佳温度下进行。
3.根据权利要求1所述的精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，其特征在于：在进风口设计进风流量物料动态平衡控制系统如下：
有机物燃烧反应方程式：
Figure FDA0002960945090000021
采用空气作为流化床和固定床中的反应所需的氧化剂，当有机废水的进料流量为VwwL/h，有机废液的进料流量为VwlL/h，空气的进料流量为Vairm3/h，空气中氧气密度为ρO2，ρl为有机废液密度，Vl为有机废液体积；
计算废水中有机物的耗氧量(kgO2/h)：OCw＝COD·Vww/1000 (3)
计算废液中有机物的耗氧量(kgO2/h)：
Figure FDA0002960945090000022
液相中总有机物的耗氧量(kgO2/h)：OC0＝OCw+OCl (5)
空气进料流量为(kg/h)：Vair＝OC0/(0.21ρO2) (6)
通过成分检测仪在线实时检测通入流化床和固定床中的有机物含量，进而分析出精馏残液的热值变化与工业废水的COD浓度变化，采用涡街流量计实时检测进入流化床和固定床中物料的流量，从而通过上述计算公式得出最佳的空气进料流量，作为进料流量反馈控制设定值，控制系统对进风流量进行自动调节。
4.根据权利要求1所述的精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，其特征在于：在气液分离器单元，为了使经过固定床催化氧化后得到的气体充分冷却和气液分离，在换热器的进口和出口处都设有温度监测仪。
5.根据权利要求1所述的精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，其特征在于：在中和吸收单元，在中和罐和吸收塔处设置液位报警自动控制，并设置有成分检测仪，以便监测排放物时候达到排放标准。
6.根据权利要求1所述的精馏残液和工艺废水的联合净化过程自动控制系统，其特征在于：所述的系统应用于三废处理过程中。
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