Решение для высокоточной регулировки вакуумного давления (положительного и отрицательного) в двухслойном стеклянном реакторе.
1. Что такое двухслойный стеклянный реактор?
Реактор с двухслойным стеклом имеет двухслойную конструкцию. Внутренний слой может быть помещен в реакционный растворитель для перемешивания, а промежуточный слой может пропускать различные источники холода и тепла (охлажденную жидкость, горячую воду или горячее масло) для циклического нагрева или охлаждения реакции.
В герметичном стеклянном реакторе при заданных постоянных температурных условиях можно проводить реакцию с перемешиванием в условиях вакуума или слегка избыточного давления в соответствии с требованиями, а также осуществлять рефлюксную дистилляцию и перегонку реакционного раствора. Это идеальное производственное оборудование для современных заводов тонкой химии, биофармацевтики и синтеза новых материалов.
Двухслойный стеклянный реактор аналогичен другим реакторам. Вакуумное давление является важной переменной, контролирующей процесс реакции. Для различных реакционных процессов часто требуются разные значения вакуума (отрицательного давления) или давления (положительного давления).
Однако в подавляющем большинстве современных реакторов с мешалкой из стекла по-прежнему существуют серьезные недостатки в точном контроле вакуумного давления, которые в основном проявляются в следующих аспектах:
- Автоматизированных методов управления не существует, и многие из них полагаются только на откачку вакуума с помощью насосов и ручное вмешательство, что позволяет лишь улучшить простую вакуумную среду, но не обеспечивает полного контроля.
- Некоторые регуляторы вакуумного давления также используют режим управления подачей воздуха с помощью переключателя, при этом вакуумное давление сильно колеблется, и зачастую многие из них не могут достичь программного управления.
- Метод управления является односторонним, и невозможно контролировать степень вакуума во всем диапазоне (1 Па ~ 0,1 МПа), а регулирование возможно только в определенном диапазоне. Кроме того, большинство реакторов с мешалкой из стекла не имеют возможности подачи и регулирования микроположительного давления.
- Во многих реакторах для регулирования скорости откачки используются дроссельные или шаровые затворы. В небольших стеклянных реакторах скорость реакции дроссельных и шаровых затворов слишком низка для точного регулирования вакуумного давления, особенно при изменении температуры. Это явление особенно заметно в процессе реакции.
- Аналогичным образом, для регулирования степени вакуума в реакторе также используется вакуумный насос с регулируемой скоростью. Однако и здесь возникает проблема низкой скорости отклика, приводящая к большим колебаниям вакуумного давления. Кроме того, регулировка только скорости откачки позволяет контролировать лишь диапазон низкого вакуума (высокого давления), близкого к атмосферному давлению, и неэффективна для контроля диапазона более высокого вакуума (низкого давления).
- Во многих реакторах предъявляются строгие требования к газовым (или жидким) компонентам, например, к использованию санитарных (или пищевых) клапанов, однако большинство существующих электрических регулирующих клапанов не соответствуют этим особым требованиям.
Для решения вышеупомянутых проблем в двухслойном стеклянном реакторе в данной статье будет представлено комплексное и отработанное решение, а именно: использование пропорционального регулятора давления Kao Lu и высокоточного двухканального ПИД-регулятора в сочетании с вакуумметрами различных диапазонов, реактором, вакуумным насосом и источником воздуха под избыточным давлением, образующими замкнутый контур управления.
Благодаря двустороннему режиму одновременного управления потоком на входе и выходе (впуск и выпуск) достигается автоматическое программное управление всем диапазоном вакуума и микроположительного давления, что обеспечивает высокую точность управления и связь с главным компьютером для централизованного управления.
2. Метод регулирования вакуумного давления (положительного и отрицательного, высокого и низкого давления).
Как правило, в качестве точки отсчета мы берем стандартное атмосферное давление (абсолютное давление 1 бар или 750 Торр) и устанавливаем, что давление ниже стандартного атмосферного давления соответствует отрицательному давлению или вакууму, а давление выше стандартного атмосферного давления — положительному давлению.
Таким образом, управление рабочим давлением воздуха в реакторе с мешалкой представляет собой типичную задачу регулирования вакуумного давления (положительного и отрицательного давления или высокого и низкого давления).
Типичным методом регулирования положительного и отрицательного давления является метод динамического равновесия, принцип действия которого показан на рисунке 1.
Основной принцип метода динамического равновесия заключается в достижении определенного баланса между входом и выходом воздуха в управляемом сосуде под давлением. Черная стрелка на рисунке 1 обозначает направление потока газа, а красная стрелка — направление передачи электрического сигнала.
В их состав входит источник воздуха высокого давления, создающий положительное давление, а вакуумный насос обеспечивает отрицательное давление для откачки воздуха. Регулятор процесса собирает сигнал датчика и сравнивает его с заданным значением для одновременной регулировки открытия впускного и выпускного клапанов, чтобы обеспечить сбалансированное соотношение входящего и исходящего потоков до заданного значения.
Использование метода динамического равновесия в управлении вакуумным давлением имеет два основных преимущества:
- Диапазон регулирования очень широк и позволяет осуществлять непрерывное регулирование от вакуума до избыточного давления.
- Он обладает высокой точностью управления во всем диапазоне. При управлении в диапазоне высокого вакуума (низкого давления) открытие выпускного клапана фиксируется, а открытие впускного клапана регулируется. При управлении в диапазоне низкого вакуума или небольшого положительного давления открытие впускного клапана фиксируется, а открытие выпускного клапана регулируется.
3. Решение
Устройство регулирования вакуумного давления в основном состоит из источника воздуха высокого давления, пропорционального вакуумного регулятора давления Kao Lu , датчика вакуумного давления, ПИД-регулятора процесса и вакуумного насоса.
- Источник воздуха высокого давления
Источник газа высокого давления обычно обеспечивает подачу газа под давлением, превышающим заданное значение для процесса регулирования микроположительного давления. Источником газа, как правило, является баллон высокого давления, который подает газ под постоянным давлением через редукционный клапан.
Это фиксированное давление должно быть немного больше, чем микроположительное давление, которое необходимо контролировать. Если реактор нужно контролировать только в диапазоне вакуума (отрицательного давления), то источник газа высокого давления не требуется, и можно использовать атмосферу напрямую. - Вакуумный пропорциональный регулятор давления от Kao Lu
Вакуумный пропорциональный регулятор давления Kao Lu представляет собой быстродействующий электронный регулирующий клапан, включающий в себя электрический игольчатый клапан. Вакуумный пропорциональный регулятор давления Kao Lu подходит для регулирования малого расхода на входе. Для двухслойных стеклянных реакторов малого объема в качестве регулирующих клапанов на входе и выходе можно использовать электронно управляемые игольчатые клапаны, тогда как для реакторов большого объема в качестве впускных клапанов выбираются электронные игольчатые клапаны.
Полное время срабатывания вакуумного пропорционального регулятора давления Kao Lu составляет 0,8 с. Быстрое время отклика является одним из важных факторов, обеспечивающих точность управления. - Датчик вакуумного давления
Датчик играет ключевую роль в измерении вакуумного давления на протяжении всего процесса реакции, а точность его измерений определяет точность контроля температуры и вакуумного давления в реакторе, а также эффективность процесса. Как правило, рекомендуется использовать высокоточный емкостной вакуумметр.
В полном диапазоне вакуумного давления два типа емкостных вакуумметров (10 Торр и 1000 Торр) в основном охватывают весь диапазон от низкого давления (вакуума) до слегка положительного давления (высокого давления), и они также гарантируют точность измерения × 0,25% при любом вакуумном давлении. Выходной сигнал емкостного вакуумметра, соответствующий диапазону измерения, обычно составляет 0–10 В постоянного тока, и выходное напряжение имеет линейную зависимость от значения степени вакуума, измеренного в данном случае.
В некоторых реакторах для измерения вакуума используется манометр Пирани, однако погрешность измерения манометра Пирани достаточно велика, а соответствующий выходной сигнал напряжения имеет нелинейную зависимость от степени вакуума, поэтому для измерения обычно используется манометр Пирани, а для контроля вакуумного давления в реакторе не требуется высокая точность управления.
Особое внимание следует уделить тому факту, что возможности емкостного вакуумметра по измерению положительного давления весьма ограничены, а манометр Пирани не способен измерять положительное давление. Если необходимо осуществлять контроль положительного давления, требуется датчик положительного давления с соответствующей точностью. - ПИД-регулятор процесса
Регулятор технологического процесса является ключом к достижению контроля вакуумного давления, а точность его измерения и точность регулировки определяют конечную точность управления вакуумным давлением. В данном решении используется сверхточный двухканальный ПИД-регулятор технологического процесса, в котором два независимых канала используются для регулировки входного и выходного клапанов соответственно.
Каждый канал сконфигурирован с 24-битным АЦП, 16-битным ЦАП и операциями с плавающей запятой двойной точности, что позволяет достичь минимального процентного отклонения выходного сигнала в 0,01%. Это самый высокий уровень конфигурации для промышленных ПИД-регуляторов в мире. Также это электронный регулирующий клапан, который легко обеспечивает точность регулирования вакуумного давления лучше, чем ±1%.
Высокоточный двухканальный ПИД-регулятор технологического процесса обладает мощным функционалом. Параметры ПИД-регулятора могут настраиваться автоматически, и можно сохранять несколько наборов параметров ПИД-регулятора для удовлетворения потребностей различных реакционных процессов. Он также поддерживает стандартный протокол связи MODBUS, и управление несколькими регуляторами может осуществляться через главный компьютер централизованного управления. Программное обеспечение, поставляемое с устройством, позволяет выполнять удаленную настройку, сбор, отображение и сохранение данных ПИД-регулятора, что значительно упрощает отладку системы управления вакуумным давлением.
4. Заключение
В заключение, предложенное в данной статье решение для точного контроля вакуумного давления может не только удовлетворить потребности в точном контроле вакуумного давления (положительного и отрицательного) в двухслойных стеклянных реакторах, но и может быть использовано в различных других реакторах и роторных установках, где требуется контроль вакуумного давления.
Описанное в данной статье решение представляет собой систему управления вакуумным давлением с дискретной структурой. Система управления также может быть интегрирована в соответствии с потребностями и конкретной конструкцией реактора. Электронно управляемый клапан и ПИД-регулятор интегрированы в прибор, что делает проектирование компоновки и комплектацию всего реактора более удобными.
Для получения более подробной информации о вакуумном пропорциональном регуляторе давления Kao Lu , пожалуйста, посетите наш веб-сайт .