流化床干燥器濕含量在線測量

● 新加坡國立大學 張心蓓 山西星火維敏制藥有限公司 楊生興 BECKHOFE AOTUMATION COMPANY LTD 常杰

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流化床干燥器濕含量在線測量

● 新加坡國立大學 張心蓓 山西星火維敏制藥有限公司 楊生興 BECKHOFE AOTUMATION COMPANY LTD 常杰

摘 要:針對連續(xù)流化床干燥器開發(fā)了一套基于軟測試技術的干燥過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了物料濕含量終點值的預報。

關鍵詞：流化床干燥器 軟測試 濕含量

引言

在化工、輕工、食品、醫(yī)藥及農(nóng)副產(chǎn)品深加工等行業(yè)，其產(chǎn)品在存儲、運輸、加工和應用過程中，濕分（水分或者化學溶劑）的含量都有標準要求。例如一級尿素成品含水量不能超過0.5%。濕分的含量直接影響產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和成本，是工業(yè)生產(chǎn)過程的一項重要指標。所以固體料成為成品之前，必須除去其中超過規(guī)定的濕分。

除濕的方法很多，目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的除濕方法有 ⑴利用重力或離心力除濕，這種方法只能除去濕物料中部分濕分；⑵ 利用熱能使?jié)裎镏袧穹謿饣?，并排出生成的蒸汽，以獲得濕分含量，達到標準要求，這種除濕方法稱為干燥。

在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常是利用熱空氣作為干燥介質(zhì)，在這個過程中，熱空氣一方面作為載熱體將熱量傳給濕物料，另一方面又作為載濕體將物料汽化后的水分移走。因此，在整個干燥過程中實際上與物料接觸的都是濕空氣，所以濕空氣的狀態(tài)既關系到傳遞熱量的多少和速率，又關系到傳質(zhì)的速率和量，且濕空氣的狀態(tài)隨干燥過程的進行而變化。

干燥過程是一個能耗極大的單元操作。據(jù)統(tǒng)計資料介紹，工業(yè)發(fā)達國家干燥操作消耗能耗占全國總能耗的18%～20%，我國近期的統(tǒng)計，干燥操作能耗約占全國總能耗的10%。

名詞定義

1.濕物料性質(zhì)

濕物料中含水分的數(shù)量即水分在濕物料中的濃度，通常用下面兩種方法表示：

（1）濕基含水量 W

濕基濕含量W為水分在物料中的質(zhì)量百分數(shù)，即：W，工業(yè)上常用這種方法表示濕物料中的含水量。

（2）干基含水量X

在干燥過程中，絕干物料的質(zhì)量沒有變化，故可用濕物料中的水分與絕干物料的質(zhì)量比表示濕物料中水分的濃度，稱為干基濕含量。

2.平衡水分和自由水分，結(jié)合水分和非結(jié)合水分

從空氣方面分為：平衡水分和自由水分。

平衡水分：是指當物料與熱空氣接觸，達到平衡時，物料所含水分，這個水分與空氣含水量有關，是干燥法除不去的水分。

自由水分：是可以用干燥法除去的水分。

從物料方面分為：結(jié)合水分和非結(jié)合水分。

結(jié)合水分：屬于水分子和物料分子以物理化學結(jié)合方式結(jié)合在一起，與物料結(jié)合力較強，結(jié)合水較難用干燥的方法除去。

非結(jié)合水分：物料中吸附的水分和孔隙中的水分，在干燥中比較容易除去。

3.濕空氣的狀態(tài)參數(shù)

（1）濕空氣的濕含量 H

濕空氣中單位質(zhì)量絕干空氣所含水蒸氣的質(zhì)量。單位 kg 水 / kg 干空氣。

H 表示水蒸氣的絕對量。

（2）相對濕度 Φ

總壓一定的條件下，濕空氣中水蒸氣分壓pw與同溫度下飽和蒸氣壓力ps之比，即Φ= Φ值，反映出濕蒸氣吸收水分的能力。Φ值低表示該空氣干燥能力強，Φ=1表示濕空氣中的水蒸氣已達飽和，不能作為干燥介質(zhì)。

相對濕度是一個與空氣溫度有關的參數(shù)。

（3）露點 Td

將不飽和空氣等濕冷卻到飽和狀態(tài)時的溫度稱為露點，以Td表示。

4.常用的干燥設備分類

（1）沸騰干燥（流化干燥），（2）氣流干燥，（3）噴霧干燥，（4）真空干燥，（5）震動干燥，（6）冷凍干燥，（7）紅外干燥，（8）超聲波干燥。

本文介紹的是流化床（沸騰床）干燥過程的物料濕含量在線實時檢測原理和方法，理論上對于氣流干燥、噴霧干燥等其他干燥過程同樣適用，但需要實際工程驗證。

課題介紹

山西星火維敏制藥是一家生產(chǎn)醫(yī)藥中間體的企業(yè)，位于山西大同市。該企業(yè)其中一個車間采用連續(xù)流化床干燥器對產(chǎn)品進行干燥。在實際生產(chǎn)過程中，干燥器出口物料，也就是最終產(chǎn)品濕含量（濕基含水量）的確定，采用人工取樣，大約每隔1 h～2 h取樣1次，樣品送到化驗室進行化驗。如果化驗的樣品合格，則產(chǎn)品可以打包入庫，如果樣品水分含量高于標準值，則操作人員根據(jù)經(jīng)驗，適當開大蒸汽閥門，提高空氣進口溫度。已出物料則需要再送到入口，重新干燥。由于取樣間隔時間長，而且閥門操作起來麻煩，工人勞動強度大。造成產(chǎn)品的水分含量波動很大，尤其是夜間工作。產(chǎn)品重復干燥，不但影響產(chǎn)品質(zhì)量和收率，而且極大浪費能源。因此生產(chǎn)上需要一套在線自動監(jiān)測和控制物料水分的系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)這種情況在全國醫(yī)藥、化工行業(yè)是一個普遍現(xiàn)象。而物料濕含量在線監(jiān)測和控制，不僅國內(nèi)沒有先例，在國際上也是一個世界性難題。

控制原理和方案

由于目前還沒有直接檢測固體物料水分的儀器儀表，所以我們采用軟測量技術來解決這個難題。所謂軟測量就是通過狀態(tài)估計的方法對無法在線測量的參數(shù)進行在線估計。具體思路就是：依據(jù)某種準則，選擇一組與主導變量（待測變量）有密切關系而又容易測量的變量（二次變量），通過構(gòu)造某種數(shù)學關系，即建立一個數(shù)學模型，用計算機控制系統(tǒng)通過這個數(shù)學模型，實現(xiàn)對主導變量實時的預測和控制。

要成功實現(xiàn)軟測試的關鍵點，即本文的原創(chuàng)性體現(xiàn)在以下3個方面：

⑴ 確定二次變量構(gòu)成以及檢測儀表的選型和安裝位置。

⑵ 通過實驗構(gòu)建數(shù)學模型。

⑶ 數(shù)學模型的修正。

二次變量的確定

圖1　現(xiàn)場流化床干燥器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

干燥器左邊為進料口，由人工投料，來料濕含量（濕基含量）在10%～12%之間，右邊為出料口，要求濕含量≤0.35%。熱風從干燥器底部吹入干燥器，由頂部排出。蒸汽通過換熱器對進風進行加熱，通過控制安裝在蒸汽管道上的調(diào)節(jié)閥，控制蒸氣量，來調(diào)整進風溫度。物料在熱風吹拂下，一邊上下翻騰，一邊緩慢由左向右移動，直到出料口。在沒安裝控制系統(tǒng)之前，干燥器上有2只現(xiàn)場溫度計，操作工一邊根據(jù)現(xiàn)場溫度和經(jīng)驗調(diào)整蒸汽閥，一邊定時到出料口取樣，根據(jù)化驗結(jié)果再調(diào)整蒸汽閥的開度。

在安裝控制系統(tǒng)之后，控制系統(tǒng)自動檢測溫度、濕度等變量，計算成出料濕含量在現(xiàn)場顯示，并根據(jù)計算的濕含量高低，自動調(diào)節(jié)蒸汽閥，控制進風溫度，達到控制出料濕含量的目的。

通過工藝分析和現(xiàn)場觀察可知，在設備確定，被干燥介質(zhì)確定，工藝環(huán)境條件變化不大的前提下，流化床出口固體顆粒的濕含量（X）與進風溫度（Ti）、出風溫度（To）、氣相溫度（Tg）和氣相濕度（Wg）密切相關，是上述幾個變量的函數(shù)，因此我們選定上述檢測點作為數(shù)學模型的二次變量。

關于儀表選型，由于物料粒度比較小，像面粉一樣，質(zhì)量比較輕，物料是被熱空氣吹起，彌漫在整個干燥器內(nèi)部，而且物料比較濕，經(jīng)常會糊在測量儀器表面，污染傳感器，因此溫度傳感器可以采用封閉的護套，定時清洗，但是濕度傳感器要求必須要和空氣接觸，不能采用封閉的護套。我們通過實驗，采取加過濾器的方法，并對過濾器的材質(zhì)進行了多次實驗，最后確定了一種特殊材質(zhì)的過濾器。此外，我們對兩家國際知名品牌的濕度傳感器進行了試用，最終選用芬蘭維薩拉公司的露點儀，傳感器輸出兩路信號供PLC使用，一路露點信號（Td），一路氣相濕度信號（Wg） 。

控制系統(tǒng)：由于建模的要求，需要在控制器內(nèi)部進行大量的數(shù)學運算，對處理器的性能要求比較高，而系統(tǒng)檢測點比較少，從經(jīng)濟性、可行性角度考慮，不可能采用高檔DCS系統(tǒng)。而由于做實驗，系統(tǒng)不確定因素很多，要求系統(tǒng)軟、硬件靈活性高，容易組態(tài)編程。經(jīng)過比較，最終選用了德國BECKHOFE AOTUMATION COMPANY的PLC控制器系統(tǒng)。BECKHOFE（倍福）的PLC系統(tǒng)組態(tài)軟件采用遵循IEC61131-3 國際標準的開發(fā)軟件平臺，支持多種PLC編程語言（IL，ST，LD，SFC，CFC，F(xiàn)BD），靈活性、開放性和兼容性好，是理想的開發(fā)平臺。

表1　部分現(xiàn)場數(shù)據(jù)

構(gòu)建數(shù)學模型

如上所述，確定了進風溫度（Ti），出風溫度（To），氣相溫度（Tg）和氣相濕度（Wg）作為模型的二次變量，那么出口物料濕含量：X可以表示為下面函數(shù)形式：

X=K0＊。

K0，K1，K2，K3，K4是與空氣流量、空氣熱容、介質(zhì)參數(shù)有關的參數(shù)。進風溫度Ti，出風溫度To，氣相溫度Tg，氣相濕度Wg，可以在線測量。因此我們的工作就是根據(jù)上述的監(jiān)測值和化驗結(jié)果，來確定以上的函數(shù)形式和K值。

基于以上思路，我們和現(xiàn)場生產(chǎn)人員一起，收集了3個月的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集間隔時間是30 min一次，每天白天做8 h的實驗。

將采集到的數(shù)據(jù)進行篩選，去掉異常的數(shù)據(jù)，留下300組數(shù)據(jù)。其中250組數(shù)據(jù)，采用多元回歸分析的方法，借助MATLIB 軟件離線構(gòu)建了一個數(shù)學模型，用來預估干燥器出口的物料濕含量，另外50組數(shù)據(jù)用于檢驗模型的精度。

最終得到了如下回歸方程：

令DTI=Ti-Wg，DTo=To-Wg

X=K1，K2，K3，K4，K5，K6是與現(xiàn)場有關的常數(shù)。

經(jīng)過2個多月的現(xiàn)場運行，現(xiàn)場運行情況良好。模型的預估數(shù)據(jù)與化驗結(jié)果對比，誤差≤±0.02%。

軟測量的修正

隨著工況的變化，以及傳感器信號的老化，會造成信號漂移，軟測量的值會發(fā)生偏差。因此軟測量的在線校正是必不可少的。我們對軟測量儀表的在線修正用增量校正方法，用化驗室的離線分析值和軟測量值之差作為校正增量。

即：Xc=Xs+b0；

其中：Xc是修正后的估計值，Xs是修正前的估計值，b0是偏置量，它可以是正的，也可以是負的。

結(jié)語

通過構(gòu)建某種數(shù)學模型，使用軟測量技術，使干燥器出口物料濕含量能夠?qū)崟r檢測和控制。在沒有使用本方案時，物料水分經(jīng)常超標，尤其是夜班生產(chǎn)時,不合格產(chǎn)品更多。使用本控制系統(tǒng)后，經(jīng)過三個多月的試運行，沒有出現(xiàn)過一批不合格產(chǎn)品。不但提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，還極大節(jié)約了能耗。

本方案雖然是在流化床干燥器上實現(xiàn)的，但其原理同樣可應用于氣流干燥、噴霧干燥和真空干燥等系統(tǒng)。全國醫(yī)藥、化工、食品等行業(yè)有成千上萬套干燥系統(tǒng)，據(jù)初步調(diào)查，都沒有實現(xiàn)物料濕含量在線實時檢測，所以如果能把此技術在全國推廣，僅節(jié)能一項，就能創(chuàng)造巨大效益，更不用說提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量帶來的經(jīng)濟效益。

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