CN112161964A - 一种间歇精馏塔顶采出物的检测控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间歇精馏塔顶采出物的检测控制系统及方法，其包括设置于塔顶采出物经过管道上的拉曼探头、调节阀、光纤、集成拉曼检测设备、控制调节阀的中央控制器。本发明用于间歇精馏过程的检测及控制时，全程无人员参与，能够有效缩短间歇蒸馏单批运行时间、简化操作流程、降低能耗和运营成本。

Description

一种间歇精馏塔顶采出物的检测控制系统及方法

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，具体地说，涉及一种检测间歇精馏塔顶采出物的系统和方法，尤其涉及一种基于拉曼光谱的制药工业溶剂回收间歇精馏塔顶采出物含量的在线检测控制系统及方法。

背景技术

制药工业生产大多以间歇式小批量生产为主，生产流程长，规模小。制药工业生产过程经常使用多种溶剂，用于药物的精制和提纯，在生产过程中会形成混合溶剂。随着环保要求日益趋于严格，这些混合溶剂的回收套用显得尤为重要。药厂溶剂回收和传统大化工溶剂回收相比较有以下特点：(1)间歇性的生产导致混合溶剂的产出也是间歇性。(2)回收溶剂的高纯度。纯度达不到要求会影响精制提纯效果，原料药中的杂质不能有效去除，无法达到质量标准。要获得高纯度的溶剂必须采用精馏技术。若采用连续精馏回收，就需要存储一段时间集中处理，并且需要连续塔前后有较大的溶剂缓冲体系。因此药厂一般采用间歇精馏方式，间歇精馏具有精馏过程灵活、适用性强，被广泛应用于小批量、多组分、多产品、高附加值产品的分离提纯。常规的间歇精馏流程见附图1。

间歇精馏是化工过程中常见过程，主要有3个特点：1.一次性加料。全部物料加入蒸馏釜中，再升温汽化，塔顶冷凝液，一部分作为馏出液，另一部分作为回流送回塔内，待釜液组成降到规定值后，一次性排出；2.整个过程属于非稳定过程。间歇精馏时，釜内物料组成不断变化，为非定态过程，如恒定回流比，则馏出液含量也不断变化；如恒定馏出液含量，则需要不断调整回流比。3.需分类采出。为简化操作，往往采用定回流比操作，常需要接收不符合要求的馏出液作为前份(或后份)，并入下一批。目前大多数企业在间歇精馏过程中常采用的方法是取样后，离线检测塔顶采出物含量数据，然后根据含量数据及时调整回流比。因间歇精馏工序为高温工序，在气温上升时，员工及时操作次数会明显下降，此时多会采用大回流方式，牺牲操作时间，换取品质稳定。因此，现有的控制方法存在如下缺点：1.操作时间长，能耗高。2.采出液品质难控制，质量不稳定。3.稳定执行难度大。

发明内容

要克服上述现有技术的不足，需要采用一种在线检测控制系统来对间歇精馏塔顶采出物成分含量、尤其是目标物含量进行实时、精确的测定，并根据采出物成分含量的测定结果来控制精馏过程中的回流比。

拉曼光谱分析技术是一种基于拉曼效应的准确、无损、高效的光谱检测技术。拉曼效应是指：当用激光照射某一物质时，会产生一系列波长大于或小于照射光波长的拉曼散射光。这些拉曼散射光相对于照射激光的位移与物质的分子基团类型对应，强度取决于物质分子基团的数量，因此拉曼光谱可用于对物质分子进行定性及定量检测。对于大多数物质成分检测而言，拉曼光谱分析方法不但具有近红外光谱的优点，还具有特征峰明显、训练样本少、可测样本形态多样、不受强极性溶液的干扰、稳定的分析系统组成等优点，在材料、化工、石油、高分子、医药、环保等多个领域都有成功的应用。

考虑到拉曼光谱分析的上述优点，发明人经过反复试验，将该技术应用于间歇精馏塔顶采出物的在线检测和精馏控制。与现有方法相比，拉曼光谱法测量时间短(一般在几秒之内就可以出结果)，可实现原位在线检测，通过和自控阀门的配合，可是实现间歇精馏过程回流比的自动化控制。具体而言，本发明包括如下技术方案。

一种间歇精馏塔顶采出物的检测控制系统，其包括：

设置于塔顶采出物经过管道上的拉曼探头，其用于向管线内物料发射激发光并采集塔顶采出物的拉曼光谱信号；

用于传输激光信号和拉曼光谱信号的光纤；

用于生成拉曼光谱、将光谱信号转化为含量信号、并将含量信号传输至中央控制器的集成拉曼检测设备；

用于储存并处理含量信号、向调节阀输出开度控制指令的中央控制器；

设置于馏出液回流管路上的调节阀，其用于自动调节塔顶采出物回流量大小、从而控制间歇精馏塔的回流比。

上述集成拉曼检测设备与中央控制器、中央控制器与调节阀通过有线连接或者通信连接。

上述集成拉曼检测设备主要包括激光器、拉曼光谱仪及主机。

上述激光器用于发射激发光，拉曼光谱仪用于生成拉曼光谱；主机用于控制激光器、拉曼光谱仪并与中央控制器通讯。

上述主机包括：信号处理器、数据处理器、通信模块、电源模块和用于控制激光器及光谱仪的拉曼光谱软件。

优选地，上述拉曼光谱软件的运算程序在对拉曼光谱检测数据进行包括粗大误差剔除、周期平均、平滑滤波、背景扣除、含量修正、偏最小二乘拟合等在内的一系列数据处理后，得到塔顶采出物中目标物的含量信息。

优选地，上述中央控制器中设立有数据分析判断模块，用于根据从集成拉曼检测设备传输来的塔顶采出物含量信息，进行间歇精馏塔工作状态识别；再依据企业生产案例建立的回流比判断系统，分析判断出回流状态信息。

上述塔顶采出物中的目标物为工业溶剂(有机溶剂或水)中包含的各种成分，这些成分可以是主要成分，也可以是杂质。

本发明的另一个方面提供了一种检测间歇精馏塔顶采出物含量的方法，其采用上述的检测控制系统来检测。

在一种具体的方案中，该方法例如可包括如下步骤：

步骤1：精馏塔顶轻组分从换热器流经设置在采出物经过管道上的拉曼光谱检测点位，正在实时监控的集成拉曼检测设备通过光纤将光信号传输至测控点位，激光照射到流经测控点位物料，同时获取到物料的拉曼光谱信号；

步骤2：采集到的拉曼光谱信号，通过光纤传输至集成拉曼检测设备上，经集成拉曼检测设备对信号进行数据处理运算后，得出塔顶采出物含量结果，并传输给中央控制器；

步骤3：中央控制器根据传输过来的塔顶采出物含量结果，控制调节阀的打开/闭合、并控制开度，从而实现回流比的调节，确保采出物含量符合目标要求。

本发明作为一种新型的制药工业溶剂回收间歇精馏塔顶采出物含量的在线检测系统，可有效缩短间歇精馏过程塔顶采出物含量检测时间，实时跟踪含量变化从而实时控制回流比。整个检测过程全程无人员参与，全由机器和软件完成，检测过程无需取样，无测试样品产生，同时整个检测时间在5-15秒内即可完成。可有效提升间歇精馏过程的效率，降低工业运营成本。

附图说明

图1是现有技术的常规间歇精馏流程示意图。

图2是本发明的间歇精馏塔顶采出物的在线检测控制系统流程示意图。

图3是本发明的在线检测控制系统中的集成拉曼检测系统示意图。

图4是本发明实施例中所述哌嗪标准品的拉曼光谱图。其中纵坐标是拉曼强度，横坐标是拉曼位移。

图5是本发明实施例中不同含量哌嗪溶液的拉曼光谱图。其中纵坐标是拉曼强度，横坐标是拉曼位移。

具体实施方式

本发明的在线检测控制系统的主要功能是在线实时监控间歇精馏体系中塔顶采出物中目标物含量变化情况。同时根据目标物的含量数据，实时调节回流比，从而确保收集到的前馏分或后馏分符合产品指标要求。

对于目标物(一般指溶剂中包含的某种化合物)含量的实时检测是利用拉曼光谱分析技术实现的。拉曼光谱(Raman spectra)是一种散射光谱，拉曼光谱分析法是对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱分析法具有快速、高灵敏性、指纹识别的检测特性。

本发明将拉曼光谱检测仪用于液体中化合物含量进行实时检测，通过集成拉曼检测系统进行信号转换和数据处理，再经过控制系统对间歇精馏工艺进行调整。

在本文中，术语“拉曼光谱检测仪”、“拉曼检测仪”和“检测仪”表示相同的意义，可以互换使用。本文中术语“在线检测控制系统”可简称为“检测控制系统”或者“检控系统”。

本发明的间歇精馏塔顶采出物的在线检测控制系统有多个部分组成，参见图2和图3，包括安装在塔顶采出物经过管道上的拉曼探头、安装于馏出液回流管路上的调节阀、传输激光信号和拉曼光谱信号的光纤、集成拉曼检测设备、中央控制器等多个功能单元。其中集成拉曼检测设备又包含激光器、拉曼光谱仪、主机等(如图3所示)。

需说明的是，在本文中的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

这些功能单元彼此通过光纤、信号传输线缆相连接，甚至可以通过蓝牙等无线方式想连接。在本文中，术语“连接”包括电连接和/或通信连接。本领域的技术人员可以根据具体的实际需要来选择使用电连接还是通信连接。在“连接”表示通信连接(即通讯连接)时，包括有线连接和无线连接。

这些单元(或称模块)、组件可以是现有技术的部件和功能电路；所使用的光电信号处理方法均可采用常用的现有方法。

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

本文中涉及到多种物质的添加量、含量及浓度，其中所述的百分含量，除特别说明外，皆指质量百分含量。

实施例中如果对于实验操作温度没有做出具体说明，则该温度通常指室温(10-30℃)。

实施例1：应用于哌嗪水溶液回收过程间歇精馏塔顶采出物哌嗪含量在线检测及控制

哌嗪水溶液回收过程间歇精馏过程如下：在精馏釜中加入待处理物料后升温；随着温度的上升，沸点较低的组分气化上升，进入精馏塔进行热交换；沸点较低轻组分继续上升进入塔顶换热器，在循环水或调温水的作用下，冷却成液体；冷却后的轻组分从换热器流经设置在管道上的拉曼光谱检测点位，正在实时监控的集成拉曼检测设备通过光纤将光信号传输至测控点位，激光照射到流经测控点位物料，同时获取到物料的拉曼光谱信号；采集到的拉曼光谱信号，通过光纤传输至集成拉曼检测设备上；传输到集成拉曼检测设备上的拉曼光谱信号经系统内软件运算后，得出哌嗪含量结果；得出的哌嗪含量结果经信号线缆传输至企业的中央控制器；中央控制器根据传输过来的哌嗪含量结果，调节现场的回流阀门的开度，控制回流比，确保采出物中哌嗪含量在目标控制范围。

在实施控制策略前，需对分析体系中目标物哌嗪的拉曼光谱进行采集，同时需根据不同含量的哌嗪母液的拉曼光谱进行采集并根据含量建立运算模型。图4及图5所示为哌嗪母液中关注目标物哌嗪标准物的拉曼光谱及不同含量的哌嗪母液的拉曼光谱图。

利用本发明的在线检测控制系统对哌嗪母液回收过程进行整批运行和分析。选取哌嗪母液间歇精馏过程塔顶采出物实际含量与拉曼在线检测系统检测结果对比，来验证拉曼在线检测系统检测结果的准确性。结果见表1。

表1、拉曼在线检测系统检测结果准确性的验证

利用本发明的在线检测控制系统及分析方法对哌嗪母液间歇蒸馏过程进行含量实时检测及控制，整体运行时间较原处理过程缩短5h。运行结果表明，本发明的基于拉曼光谱的制药工业溶剂回收间歇精馏塔顶采出物中哌嗪含量的在线检测控制系统及方法准确性好，可有效缩短间歇蒸馏单批运行时间、简化操作流程、降低能耗，适用于制药工业间歇精馏过程塔顶采出物含量在线检测及控制。

该检测过程全程无人员参与，全由机器和软件完成，检测过程无需取样，无测试样品产生。同时整个检测时间在5-15秒内即可完成，有效高了间歇精馏过程的效率，降低了工业运营成本。

以上实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式，但凡本领域技术人员因本发明所涉及之技术启示，而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种间歇精馏塔顶采出物的检测控制系统，其特征在于，包括：

设置于塔顶采出物经过管道上的拉曼探头，其用于向管线内物料发射激发光并采集塔顶采出物的拉曼光谱信号；

用于传输激光信号和拉曼光谱信号的光纤；

用于生成拉曼光谱、将光谱信号转化为含量信号、并将含量信号传输至中央控制器的集成拉曼检测设备；

用于储存并处理含量信号、向调节阀输出开度控制指令的中央控制器；

设置于馏出液回流管路上的调节阀，其用于自动调节塔顶采出物回流量大小、从而控制间歇精馏塔的回流比。

2.如权利要求1所述的检测控制系统，其特征在于，所述集成拉曼检测设备包括激光器、拉曼光谱仪及主机。

3.如权利要求2所述的检测控制系统，其特征在于，所述激光器用于发射激发光，所述拉曼光谱仪用于生成拉曼光谱；所述主机用于控制激光器、拉曼光谱仪并与中央控制器通讯。

4.如权利要求2所述的检测控制系统，其特征在于，所述主机包括信号处理器、数据处理器、通信模块、电源模块和用于控制激光器及光谱仪的拉曼光谱软件。

5.如权利要求4所述的检测控制系统，其特征在于，所述拉曼光谱软件的运算程序在对拉曼光谱检测数据进行包括周期平均、平滑滤波、背景扣除、含量修正、偏最小二乘拟合等在内的一系列数据处理后，得到塔顶采出物中目标物的含量信息。

6.如权利要求1所述的检测控制系统，其特征在于，所述中央控制器中设立有数据分析判断模块，用于根据集成拉曼检测设备传输来的塔顶采出物含量信息，进行间歇精馏塔工作状态识别；再依据企业生产案例建立的回流比判断系统，分析判断出回流状态信息。

7.如权利要求1所述的检测控制系统，其特征在于，所述塔顶采出物为有机溶剂或水中包含的有机化合物。

8.一种检测间歇精馏塔顶采出物含量的方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述的检测控制系统来检测。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：精馏塔顶轻组分从换热器流经设置在采出物经过管道上的拉曼光谱检测点位，正在实时监控的集成拉曼检测设备通过光纤将光信号传输至测控点位，激光照射到流经测控点位物料，同时获取到物料的拉曼光谱信号；

步骤2：采集到的拉曼光谱信号，通过光纤传输至集成拉曼检测设备上，经集成拉曼检测设备对信号进行数据处理运算后，得出塔顶采出物含量结果，并传输给中央控制器；

步骤3：中央控制器根据传输过来的塔顶采出物含量结果，控制调节阀的开度，从而实现回流比的调节，确保采出物含量符合目标要求。

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