超临界二氧化碳染色装置中的可视化系统

摘要

本发明公开了一种超临界二氧化碳染色装置中的可视化系统，通过传感器及摄像头，以获取染料釜和染色釜中的二氧化碳的浓度、速率、温度、压力及图像信息；将数据导入数据库中，图像信息通过显示屏进行实时显示；将数据库内的数据进行处理后通过显示屏实时显示；通过显示屏观测染色釜内织物的表面是否沾有部分染料，若织物的表面沾有部分染料，则向系统中通入二氧化碳以充分溶解染料。另外，在染色温度、压力达到的情况下，通过显示屏发现染料釜内没有染料剩余，同时，观测染色釜内有没有染料沾到织物上，如没有染料沾到织物提前停止运行超临界染色整个系统的步骤。可视化系统具有结构简单、便于生产安装适于在超临界二氧化碳染色系统中广泛推广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超临界二氧化碳染色系统，尤其涉及一种超临界二氧化碳染色装置中的可视化系统。

背景技术

近年来，世界各国都在致力于无水染色技术的研究。随着现代科学技术的快速发展，超临界流体技术日益受到世界许多国家的重视，并逐渐应用到化工、生物、医药、环保、化妆品、卫生、食品、印染、新材料等众多行业。

如专利申请号：200510047767.0，名称：超临界二氧化碳染色的工艺方法专利，和专利申请号：200520093701.0，名称：超临界二氧化碳染色装置中的染色釜，都描述了在该染色装置中，溶解染料的超临界二氧化碳最终送至染色釜中实现纺织品的染色操作。但是，目前国内外的超临界染色的染色釜及染料釜还不能实现可视化要求，有少数的装置采用红外线扫描来检测釜体内介质的变化情况，并不能完全的代替内部反应状态。在试验新的织物品种时，由于无法掌握其最优的生产工艺，需要做大量的实验工作，其中染料的价格非常昂贵，而在实验过程中最主要的一个环节就是掌握好染料与织物比例的用量，即能使织物充分上色，又保证染料用量刚刚好。以往的实验往往会出现一个实验周期完成后，打开染色釜会发现织物的表面有染料粘连现象出现，这通常是因为超临界二氧化碳流量过低，使得染料不能充分溶解于超临界二氧化碳流体中流体通过染料釜时带着剩余的染料流向染色釜中，从而使染色釜中的织物的表面出现染料粘连现象，这样就需要继续增加超临界二氧化碳流量，以保证染料充分溶解于超临界二氧化碳流体，同时还要保证染料溶解的浓度(如充分溶解但由于浓度过低也会出现织物上色不充分的问题)，这样就需要进行大量的多次实验，而一个实验周期往往要几十个小时，这样不但造成时间上的浪费同时也造成了大量的染料和织物的浪费。所以关于染色釜与染料釜提供一个可视化的的环境，以彻底了解反应釜内的介质的反应情况的可视化系统急需被研制。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种超临界二氧化碳染色装置中的可视化系统。本发明所采用的技术方案如下：

一种超临界二氧化碳染色过程的可视化调整方法，其特征在于包括如下调整过程：

①通过染料釜和染色釜上的传感器及染料釜和染色釜内的摄像头，以获取染料釜和染色釜中的二氧化碳的浓度、速率、温度、压力及染料釜和染色釜内图像信息；

②将得到的信息数据进行处理，将传感器传回的数据导入数据库中，将染料釜和染色釜内图像信息通过显示屏进行实时显示；

③将数据库内的数据及进行分析处理，以图表、曲线的形式进行表达并同时通过显示屏实时显示；

④通过显示屏观测染色釜内织物的表面是否沾有部分染料，如没有继续进行试验直到完成整个试验过程；若织物的表面沾有部分染料，则向系统中通入二氧化碳以充分溶解染料。

所述步骤④还包括在染色温度、压力达到的情况下，通过显示屏发现染料釜内没有染料剩余，同时，观测染色釜内有没有染料沾到织物上，如没有染料沾到织物提前停止运行超临界染色整个系统的步骤。

所述步骤②中数据库保留的数据将分成两个部分，一种是实时数据，另一种是历史数据。

一种配合所述可视化调整方法使用的可视化装置，其特征在于包括：

安装在染料釜和染色釜内的摄像头，用于获取染料釜和染色釜内部的可视信息；

设置在染料釜和染色釜外部同上述摄像头相连接的无线发射单元，用于将染料釜和染色釜内部的可视信息以无线的方式发射到控制室中的电脑中；

设置在控制室中的无线接收器，用于接收无线发射单元发射的信息，并将其传输到同该无线接收器相连接的电脑中；

设置在控制室中的电脑，用于对无线接收器发送过来的信息进行视频转化处理，并通过电脑的显示装置进行显示。

通过无线发射单元发射的信息还包括染料釜和染色釜上的传感器测得的二氧化碳的浓度、速率、温度和压力信息。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的超临界二氧化碳染色装置中的可视化系统，通过可视化图像可以观测到当染色釜和染料釜内的具体情况，并根据观测到的情况对系统进行相应操作，如：通过可视化图像可以观测到当染色釜内织物的表面沾有部分染料时，可控制供气设备向系统中通入二氧化碳使得染料能够溶解，从而提高织物的上染率，使织物能够染色均匀，上染率高。在染色温度、压力达到的情况下，可通过染料釜内的可视化图像观测到染料釜内没有染料剩余，同理，染色釜内也没有观测到织物上沾有染料时，说明染料已经被流体充分溶解，上染过程已经完成，可以提前停止运行超临界染色装置，节省了大量的染色时间，从而提高了经济效益。综上，该可视化系统结构简单，便于生产安装，并且基本不会增加什么成本，所以非常适于广泛推广。

附图说明

图1为本发明所述染料釜可视化装置的工作流程图；

图2为本发明所述染色釜可视化装置的工作流程图；

图3为本发明所述可视化装置的结构框图；

图4为本发明实施例中二氧化碳染色系统的结构示意图。

具体实施方式

超临界二氧化碳染色过程的可视化调整方法包括如下调整过程：

①通过染料釜和染色釜上的传感器及染料釜和染色釜内的摄像头，以获取染料釜和染色釜中的二氧化碳的浓度、速率、温度、压力及染料釜和染色釜内图像信息；

②将得到的信息数据进行处理，将传感器传回的数据导入数据库中，将染料釜和染色釜内图像信息通过显示屏进行实时显示；

③将数据库内的数据及进行分析处理，以图表、曲线的形式进行表达并同时通过显示屏实时显示；

④通过显示屏观测染色釜内织物的表面是否沾有部分染料，如没有继续进行试验直到完成整个试验过程；若织物的表面沾有部分染料，则向系统中通入二氧化碳以充分溶解染料；另外在染色温度、压力达到的情况下，通过显示屏发现染料釜内没有染料剩余，同时，观测染色釜内有没有染料沾到织物上，如没有染料沾到织物提前停止运行超临界染色整个系统的步骤。

其中步骤②中数据库保留的数据将分成两个部分，一种是实时数据，另一种是历史数据。

如图1和图2所示，本实施例中的可视化系统是基于Visual Basic可视化平台与模式识别构建的；其中染料釜具体的工作过程是：

第一步：从染料釜内摄像头观测的图像和传感器测出的数据通过传输完成数据与图像的采集工作。通过摄像头来监测超临界二氧化碳流体与染料的结合情况，传感器负责检测二氧化碳的浓度、速率、温度、压力和染料剩余量等因素。采集时间：每两秒进行数据采集。

第二步：将得到的数据进行标准化，图像进行模式识别。

第三步：将进行完标准化的数据导入数据库。

第四步：数据库保留的数据将分成两个部分，一种是实时数据，另一种是历史数据。

第五步：对数据库内的数据进行分析，以图表，曲线等形式表达。

第六步：数据的显示，将得到的数据和釜内的图像实时的显示在电脑屏幕上。

第七步：信息的反馈。将可视化系统中的传感器得到的数据与系统设定的标准数据进行对比，将对比的结果转换成控制信号并传达给设备的控制系统，从而达到对染色釜温度、压力等影响因素的控制。

染色釜具体的工作过程是：

第一步：从染色釜内探头观测的图像和传感器测出的数据通过传输完成数据与图像的采集工作。通过摄像头来监测超临界二氧化碳染液与织物的结合情况，传感器负责检测二氧化碳的浓度、速率、温度和压力等因素。采集时间：每两秒进行数据采集。

第二步：将得到的数据进行标准化，图像进行模式识别。

第三步：将进行完标准化的数据导入数据库。

第四步：数据库保留的数据将分成两个部分，一种是实时数据，另一种是历史数据。

第五步：对数据库内的数据进行分析，以图表，曲线等形式表达。

第六步：数据的显示，将得到的数据和釜内的图像实时的显示在电脑屏幕上。

第七步：信息的反馈。将可视化系统中的传感器得到的数据与系统设定的标准数据进行对比，将对比的结果转换成控制信号并传达给设备的控制系统，从而达到对染色釜温度、压力等影响因素的控制。

通过可视化图像可以观测到当染色釜内织物的表面沾有部分染料时，主要原因是由于超临界二氧化碳流量过低，使得染料不能充分溶解于超临界二氧化碳流体中，流体通过染料釜时带着剩余的染料流向染色釜。此时，向系统中通入二氧化碳使得染料能够溶解，从而提高织物的上染率，使织物能够染色均匀，上染率高。染色过程中，在染色温度、压力达到的情况下，若通过染料釜内的可视化图像观测到染料釜内没有染料剩余，同理，染色釜内也没有观测到织物上沾有染料时，说明染料已经被流体充分溶解，上染过程已经完成，所以可以提前停止运行超临界染色装置，节省了大量的染色时间，从而提高了经济效益。

如图3所示一种配合可视化调整方法使用的可视化装置，包括：安装在染料釜和染色釜内的染料釜摄像头和染色釜摄像头，用于获取染料釜和染色釜内部的可视信息；设置在染料釜和染色釜外部同上述摄像头相连接的无线发射单元，用于将染料釜和染色釜内部的可视信息以无线的方式发射到控制室中的电脑中；设置在控制室中的无线接收器，用于接收无线发射单元发射的信息，并将其传输到同该无线接收器相连接的电脑中；设置在控制室中的电脑，用于对无线接收器发送过来的信息进行视频转化处理，并通过电脑的显示装置进行显示；其中通过无线发射单元发射的信息还包括染料釜和染色釜上的传感器测得的二氧化碳的浓度、速率、温度和压力信息。

结合如图4所示二氧化碳染色系统的结构示意图，来说明该发明所述可视化系统的使用过程。

染色装置整体安功能分类共包括如下系统：

1、染色系统：这是超临界二氧化碳染色装置的主体部分，其它子系统都是为此系统服务的。主要设备包括染色釜、染料釜、染料泵、循环泵等。

2、制冷系统：由制冷机组、冷剂泵、冷剂罐组成。主要向染色系统各工艺段提供所需冷量。

3、热系统：由换热器、热油泵、热水泵组成。主要向二氧化碳染色系统各工艺段提供所需热量。

4、仪表系统：置配有完整的压力、温度、流量、液位等检测控制系统一套，主要组成：压力测量及控制；温度测量及控制；流量测量；液位测量；高压泵、染料泵、冷剂泵、热水泵等开关控制；计算机控制系统

5、二氧化碳存贮系统：包括二氧化碳贮罐、干燥器、充气软管、钢并卡子等。

6、二氧化碳分离回收系统：包括分离器、冷凝器、过滤器等。

7、加压系统：主要由高压泵组成。

8、安全保护系统：有两套安全保护设计，一个是高压泵出口压力超压自动连锁停机保护，另一个为安全防爆器。此两套保护系统在操作人员操作失误的情况下为系统的安全及操作人员的人身安全提供了最大保障。

9、辅助系统：本系统由电动葫芦组成，用于装卸萃取器封头，可省时省力。

10、监控系统：本系统包括无线视频接收器、摄像头、电子传感器、发射板。

为了更好的说明本发明带有可视化监控系统的超临界二氧化碳染色装置的情况，下面结合附图3按工作流程说明各个组成情况。

首先，二氧化碳贮罐H01提供的二氧化碳在冷凝系统冷却成为液态之后通过二氧化碳高压泵H04送至将二氧化碳转变成超临界状态的预热器H05；其中，冷凝系统包括第一冷凝器H02以及与第一冷凝器H02相连接的冷剂罐H03；冷剂罐H03连接有制冷机组；第一冷凝器H02连接的输入端连接有溶剂罐。

而后，预热器H05通过管道与用于溶解染料的染料釜H06相连接；染料釜H06将溶解染料的超临界二氧化碳送至实现染色的染色釜H07中。为了实现染色功能，染色釜连接有用于染色过程中提供热量的第一换热器以及用于染色完成后快速降温的第二换热器。

其后，染色釜中染色后融有染料的二氧化碳液体依次通过分离器H08、第二冷凝器H09送回至所述二氧化碳贮罐H01中。其中，分离器H08连接有用于二氧化碳气化的第三换热器。

根据需要，本装置还包括通过第二冷凝器H09向二氧化碳贮罐H01提供二氧化碳的二氧化碳钢瓶01。为了保证二氧化碳的纯度，将分离器H08分离的二氧化碳以及二氧化碳钢瓶提供的二氧化碳先经干燥器干燥、流量计监测之后再通过第二冷凝器H09送至二氧化碳贮罐H01中。

在此过程中，监控系统检测到的温度、压力、流量等数据传输到电脑中，与电脑中设定的数据进行对比。低于设定值时，系统照常升温，加压。超过设定值时，系统不再升温，加压。而且通过其中的图像传输，可以了解染料的溶解情况和纺织品各个部位的染色情况。为后期的产品分析提供有力的依据。

此外，各主要设备说明如下：

染色釜的结构为：顶部为全开式螺纹快开结构，采用氟橡胶密封圈密封，染色釜内部配有染色架。染色釜外部有热油夹套，以满足染色时的热量需求，热量调节通过DCS控制系统实现。其功能为：盛放需染色的纺织物，完成带有染料的超临界二氧化碳与纺织物接触染色的过程。

染料釜的结构：顶部为全开式螺纹快开结构，采用氟橡胶密封圈密封，染料釜内部配有染料筒。染色釜外部有热油夹套，以满足溶解染料时的热量需求，热量调节通过DCS控制系统实现。功能为用于盛放固体染料，使超临界二氧化碳与染料充分接触完成溶解过程。

分离器的结构：分离器端部为螺纹密封结构，采用丁睛橡胶圈密封，外部设有热水夹套，底部设有放料口。功能：用于分离及盛放二氧化碳节流减压后析出的染料，在分离器的进出口上设有温度检测点和压力检测点。

二氧化碳冷凝器结构：本设备为盘管式换热器，管程介质为二氧化碳，壳程介质为乙二醇。功能：完成分离过程的气态二氧化碳压力约为4-5MPa，温度约为20-30℃，本设备的功能就是将气态的二氧化碳通过热交换使温度冷却到其饱和蒸气压温度以下，从而让二氧化碳液化流回贮罐。

预热器的结构：本设备为盘管式换热器，壳程介质为热油，管程介质为二氧化碳。功能：本设备将经高压泵加压的液态二氧化碳加热至设定的值，使二氧化碳成为符合提取工艺条件的超临界二氧化碳。

第一换热器结构是采用电加热换热器，加热功率6Kw，加热介质为导热油。功能：向染色工艺过程提供热量，包括预热器、染料釜、染色釜。

第二换热器的结构设计有盘管式换热器，槽内介质为油，管程介质为冷剂乙二醇。功能：染色过程完毕后，染料釜、染色釜、预热器的快速降温。

第三换热器的结构采用盘管式换热器，管外介质为热水，管内介质为二氧化碳。功能：经节流阀减压的二氧化碳为汽液两相流体，同时带有未完全分离的染料，经换热器换热后，使二氧化碳完全气化与染料完全分离。

二氧化碳高压泵的功能是将液态的二氧化碳通过本设备加压至临界压力以上，达到工艺控制压力上。

二氧化碳贮罐的结构是顶部带有压力检测口、压力安全阀接口、二氧化碳回液口、平衡口等。一侧有二氧化碳出口，底部带有排污阀。功能是：二氧化碳贮存。

制冷机组采用自动组合式制冷机组。功能：向二氧化碳萃取分离系统提供所需的冷量。

可视化系统包括无线接收器、摄像头、染料釜/染色釜传感器和无线发射单元。电脑直接与无线接收器相连，所述的摄像头有与无线发射单元相配合使用小型有源发射天线系统；无线接收器内装有图像处理装置和信号接收装置；摄像头采集到图像以及传感器得到信号后，通过无线发射单元发射到无线接收器内，通过其内的图像处理装置处理和信号转换装置，再将图像和信号传送到电脑内，因无线接收器与电脑间不需要任何中间的设备，有利于特殊环境的操作。电子监控系统采集的数据实时反馈给机械控制系统。

此外，本装置的仪表控制结构包括：

1)压力测量及控制；包括储罐压力、染色釜入口压力、染色釜出口压力、分离器压力等。

2)温度测量及控制；包括染色釜入口温度、染色釜出口温度、染料釜出口温度、染料釜入口温度、分离器入口温度，分离器出口温度、二氧化碳冷凝温度、乙二醇冷剂温度、热油器温度、热水器温度。其中热油器温度、热水器温度、乙二醇冷剂温度为控制显示温度。

3)流量及液位测量；分别用于监测二氧化碳流量和储罐液位。

4)控制指示装置：主要设备运行状态指示位于仪表盘上方，下方为电源控制及报警指示。

5)安全及联锁装置：本系统有一套高压泵出口压力超压连锁停机安全保护系统。

6)计算机显示控制系统：通过转换开关可选择面板仪表或计算机显示控制，并可方便的保存和打印数据。

本发明带有可视化监控系统的超临界二氧化碳染色装置的工作原理为：

将液态二氧化碳贮存在循环贮罐中，通过二氧化碳高压泵将液态二氧化碳加压至临界压力以上，再通过换热器将高压液态二氧化碳加热至临界点温度以上，使二氧化碳转变成为超临界状态。超临界的二氧化碳进入预先装入染料的染料釜中，与染料充分接触并溶解；带有染料成份的超临界二氧化碳通过装有纺织物的染色釜中，使染料进入纺织物的内部，实现染色过程。完成染色过程的超临界二氧化碳经节流阀减压、换热器加温使二氧化碳溶解能力降低，促使未尽染的染料与二氧化碳分离，染料留在分离器中；二氧化碳则完全气化，通过冷凝器液化成为液态二氧化碳返回贮罐中参与下一次循环。在这期间通过染色釜与染料釜上的可视化装置，可以观察到织物内染与外染工艺结合的整个过程以及染料溶解、流动的过程，实现了超临界染色过程的可视化，使得染料从溶解到上染整个过程中完全处于目测条件下，为掌握超临界CO₂相平衡原理提供了优良的观测条件。

具体实例如下：在染色釜内放入20g涤棉混纺织物，染料釜内2g染料时，通过控制系统设定的温度为110℃，压力为25MPa，流速大于200ml/min，染色时间为2小时。通过油浴加热，加压泵加压，系统内的温度、压力逐渐升高，通过染色釜、染料釜内的传感器、摄像头，将系统的实时数据传递给电脑。通过呈现在显示器上的画面，我们观测染色釜内织物表面染料的附着量，如果附着量过大覆盖在织物表面，影响织物的上染，那么将继续加压，如果压力大于我们系统一开始设定的压力，加压泵将自动停止供压，同样道理温度、流速也可以实现自动控制。当观测的画面显示染料釜与染色釜无剩余染料时，尽管未达到染色时间，也可以将本装置停止。因为根据观测得到染料已全部溶解，上染过程已结束。这样可以节约大量的时间。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。