Változó refluxaránnyal üzemelő laboratóriumi szakaszos rektifikáló kolonna modell alapú szabályozása mikroszabályzóval
A vegyipari berendezések automatizálása már az 1970-es évek óta fontos szerepet játszik a vegyipari gyárak működésében. Ennek fő szempontjai a minőség állandóságával szemben támasztott általános elvárások és előírások. A laboratóriumi méretű műveleti egységek számítógépes vezérlése szintén régóta megoldott, azonban ritkán alkalmazzák őket, a relatív magas költségük miatt, valamint azért, mert a labortóriumi felhasználásra szánt számítógép vezérelt berendezések jellemzően, csak egy célra felhasználhatók, holott egy fejlesztő vagy kutató laboratóriumban mindennapos, hogy egyes technológiák vizsgálatánál változik a folyamat felépítése. Ezen, akár napról-napra változó elvárások ellenére az állandó és megbízható minőség a laboratóriumi munkában is elvárt, ezért automatizált laboratóriumi kísérletek kivitelezésé szükséges.
Az iparban jellemző hogy egy folyamat legdrágább része nem is a maga a műveleti felépítmény, hanem annak az irányításához szükséges eszközök. A könnyen programozható mikrokontrollerek elterjedésének köszönhetően ma már tetszőleges laboratóriumi műveletet lehet gazdaságosan számítógéppel szabályozni, így gyakorlatilag a szabályzás lehet a legolcsóbb része az aktuális folyamatnak. Az elterjedt mikrokontrollerekre jellemző, hogy mind a hardware, mind a software ún. open source azaz tetszőlegesen módosítható, ezt kihasználva bármilyen labortóriumi munkára rugalmasan felhasználhatók.
Az automatizált rendszer által végzett kísérletek eredményei megbízhatóbbak lesznek, mivel az algoritmus minden alkalommal biztosan ugyanúgy kerül végrehajtásra, így a mérések pontosabbak, reprodukálhatóbbá válnak. A kísérletek biztonságosabbá válnak, mivel a megfelelő algoritmus képes leállítani, ha kell megszakítani vagy akár el sem kezdi a folyamatot, ha veszélyesnek ítéli adott feltételek teljesülését.
Dolgozatomban egy szakaszos rektifikáló kolonna modell alapú szabályzását mutatom be Arduino mikrokontrollerrel, amely kolonna állandó összetételű desztillátum elválasztására képes. Az állandó desztillátum összetételt úgy érhetjük el, hogy a refluxarányt megfelelő gőz-folyadék egyensúly modell alapján a művelet előrehaladása során folyamatosan változtatjuk. Munkám főbb pontjai:
• Megoldottam a hőmérséklet 0,1 °C pontossággal történő mérését, valamint megoldást kerestem arra, hogy az oszlop állapotát megadó valamennyi változó értékét valós időben lehessen követni és menteni számítógépre. Így közvetlenül élőben (real-time) lehet vizsgálni a folyamatdinamikát.
• Kidolgoztam egy algoritmust, amely a felhasználó által megadott átlagos desztillátum összetétel, kiindulási üst összetétel és végső üst összetétel esetén az Antoine-konstansokat felhasználva, egy modell elegyre (pentán-hexán) kiszámítja, ismert elméleti tányér számmal rendelkező oszlopra, az oszlop működésé során elforduló elegy összetételekhez tartozó forráspontokhoz tartozó refluxaranyokat. Az algoritmust C99 program nyelvet felhasználva kódoltam és abból egy futtatható programot hoztam létre.
• Megterveztem és megírtam a mikrokontroller által futtatott algoritmust, ami az előző program által kiadott hőmérséklet–refluxarány-párokat felhasználva az elválasztást elindítja, azt lefolytatja, majd leállítja és mindeközben az adatokat továbbítja USB-n keresztül a mikrokontrollerhez kapcsolt számítógépnek, ami rögzíti azokat.
• Az oszlop és a programok helyes működését kísérlettel teszteltem, amely kísérlet az elméleti ismereteket a mért eredményekkel alátámasztja.
Megoldásommal a labortóriumi rektifikációs műveletek elvégzése egyszerűbbé, könnyebben kezelhetőé tehető. Igazoltam, hogy a mikroszabályozók helyes és ésszerű alkalmazásával a laboratóriumi feladatok költséghatékonyan és egyszerűen automatizálhatók, javítva ezzel a munka pontosságát és az eredmények megbízhatóságát.
szerző
-
Enyedi Flórián Zoltán
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Nagy Tibor
Adjunktus, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
