| 配料系統(tǒng)在納米碳酸鈣的生產工藝中的應用 | 2020-03-06 |
| 摘要：在納米碳酸鈣的配料系統(tǒng)中，氫氧化鈣懸浮液濃度的配比和碳化的好壞直接影響的質量指標，采用PLC配料來提高產品的質量。 一、引言 晶型納米碳酸鈣是一種重要的無機化工產品，由于價格低、原料廣、無毒性，因此在橡膠、塑料、造紙、化工建材、油墨、涂料、密封膠與膠粘劑等行業(yè)得到了廣泛的應用。 近五十年來美國、英國、日本都研制出了超細型納米碳酸鈣。英國在汽車專用塑料用碳酸鈣中占壟斷地位，日本在超細碳酸鈣的研制、生產、應用方面處于地位，而我國從80年代就開始進行納米碳酸鈣的研究，由于納米碳酸鈣的研究于實驗室，產品品種少、產量低、生產工藝及設備落后，所以在我國國內還沒有較大的企業(yè)規(guī)模。 下表是納米碳酸鈣的物理化學指標。 從物理化學指標上看納米碳酸鈣的硬性指標平均粒徑只有30±5nm，而且超細碳酸鈣是高活性，使用物理方法生產納米碳酸鈣晶形顯然是不可行的。在國內外都在研究化學方法制備納米碳酸鈣，而其中碳化法是主要的制備方法。碳化法簡述如下：將精選的石灰石在煅燒爐中煅燒得到氧化鈣，并將氧化鈣經過消化得到懸浮氫氧化鈣料漿，和多級旋液分離除去較大的顆粒和雜質，得到精制氫氧化鈣懸浮液，精制的氫氧化鈣懸浮液再按照需要配比出一定濃度的氫氧化鈣懸浮液，通入二氧化碳并加入適量的添加劑，將氫氧化鈣碳化，碳化結束后得到晶形的碳酸鈣漿液，最后進行脫水、干燥等工序得到納米級的碳酸鈣。 由于納米級碳酸鈣的技術指標要求極其苛刻，在工業(yè)生產中帶來一定的難度，所以工藝設計和精確的控制決定了產品是否達到技術指標，其中濃度配比和碳化方法直接影響了產品的質量。 配料系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)實現納米碳酸鈣生產工藝的配料方式。首期工程投入合成反應車間共三個生產工藝流程，這三個工藝流程相同，每一個流程可以根據需要生產不同系列產品，但其控制和監(jiān)視方式相同。在配料系統(tǒng)中工藝流程控制和監(jiān)視的設備有精漿槽、調漿槽、合成反應器、活化槽四個部分，煅燒窯爐、除雜槽等僅在就地控制箱操作。二、系統(tǒng)設計 1.監(jiān)控對象 從精漿槽到活化槽控制和監(jiān)視的對象由以下的表格給出： 2.硬件及組態(tài)軟件設計 由于工程要求系統(tǒng)掃描周期快，開關量輸出的反應速度快，結合實際運營經驗和考慮配料系統(tǒng)的合理配置，硬件選型確定為德國西門子公司過程控制系統(tǒng)SIMATICS7-300系列的PLC。為了方便后期工程的連接，網絡采用國際標準Profibus網絡，CPU選用CPU315-2DP。西門子S7-300系列PLC的特點是： 配料系統(tǒng)模塊化設計，能夠滿足中小型系統(tǒng)的設計要求；I/O模塊品種多，可以非常好的滿足和適用自動控制任務；配料系統(tǒng)具有多種總線接入方式（MPI、Profibus、TCP/IP），可以很好的方便后期工程的擴展；對比較惡烈的環(huán)境適應能力較強，無風扇工作；當控制任務需要增加時可以自由擴展；具有高速的執(zhí)行時間，系統(tǒng)監(jiān)視時間在1~6000ms可選。 自動配料系統(tǒng)組態(tài)軟件選用WinCC作為監(jiān)視軟件。WinCC是西門子為PLC系統(tǒng)設計的組態(tài)軟件，可以方便的通過SQL和ODBC訪問過程數據，具有多種連接方式（MPI、Profibus、TCP/IP），支持第三方設備，用戶界面友好，C語言編寫腳本。三、數學模型的建立 1.濃度配比 不同濃度的氫氧化鈣懸浮液，對生成碳酸鈣平均粒徑有影響，這直接關系到系列產品的質量。 氫氧化鈣的濃度越低產品的顆粒粒徑越小，但是，濃度低了，要獲得更多的產量，就要增大容器的容積，同時生產動力消耗、生產成本也就高了。因此濃度的控制要依照產品的系列化所決定，根據濃度來生產出具有一定粒徑的納米碳酸鈣。 實際工程中，由于自動配料系統(tǒng)采用濃度作為調配的輸入參數，直接使用濃度來建立數學模型要比使用密度建立數學模型比較困難，所以決定間接的使用密度來控制濃度的調配。濃度計選用阿姆德爾數字濃度計，該濃度計使用γ射線作為測量信號源，有三個輸出參數：密度、濃度、流量，測量精度一般為0.002克/厘米³。在實際信號采集時，可以將密度和濃度一同采集上來，或這僅采集其中之一，密度和濃度是一一對應的關系，二者可以互相轉換，這樣在實現配料控制將變得容易多了。具體配料如下： 操作員站輸入所要配比的濃度PS，根據公式計算出配比密度SG（LSG、SSG是濃度計現場調試獲得的修正系數） 操作員發(fā)調配命令啟動加料泵，加料到1/3高度時判斷料液的在線濃度，如果濃度低于設定濃度值則停止調配并給出警示，如果在線濃度大于給定值，則同步計算加入料液的在線高度h，計算方式如下： 質量平衡法：給定濃度含有氫氧化鈣懸浮液的質量等于加入高濃度氫氧化鈣懸浮液含有氫氧化鈣的質量和補充的水的質量之和。 給定濃度Ca(OH)2懸浮液的質量可以求出（SG－設定濃度計算出的Ca(OH)2懸浮液的密度、H－容器溢流口高度） mSet＝SG×H×A 加入Ca(OH)2料液的質量可以根據在線測量密度（SG1）和最終加入Ca(OH)2的高度（ho）求得 mZX＝SG1×ho×A 補入工藝水的質量 mH2O＝1×(H－h(huán)o)A 根據質量平衡法 mSet＝mZX＋mH2O SG×H×A＝SG1×ho×A＋1×(H－h(huán)o)A 所以求出加入Ca(OH)2料液的計算高度 ho＝[(SG－1)/(SG1－1)]×H 其中影響在線密度的撓動輸入是加入工藝水的質量。由于工藝水調節(jié)閥全開其流量也不大，程序控制中檢測到如果加料泵在運轉，則工藝水調節(jié)閥開50％，濃度計測量的是在線密度，是經過工藝水稀釋的密度，所以在求解ho時，SG1在不斷變化（SG1>SG），ho的值也在不斷變化（ho經過濃度配比的氫氧化鈣懸浮液被送至合成反應器碳化。碳化反應過程是氫氧化鈣吸收CO2形成過飽和碳酸鈣溶液。CO2的通入需要一定的調節(jié)控制，使反應過程中料液的pH值按照特定的曲線下降到設定的pH值。 碳化所用的CO2是在攪拌器高速攪拌下通入，在其它條件不變的前提下，轉速越高，越有利于CO2的反應，碳化生成的碳酸鈣粒徑就會越小。在攪拌器高速攪拌下，CO2的通入量采用了漸近法。 由于Ca(OH)2料液的pH值大于7，碳化反應是通過通入CO2將pH堿性料液降到設定的pH值以標識反應結束。由于物液比較多，容器體積大，在開始反應的時候將大量通入CO2，隨著pH的降低和接近設定，通入CO2的量將按照上面的二元一次方程調節(jié)CO2調節(jié)閥的開度，為了使反應能夠結束，而在反應將要結束時調節(jié)閥的開度逼近5%，當pH等于小于設定值時將CO2調節(jié)閥關閉。 根據CO2調節(jié)閥的開度與pH值的數學模型，可以寫出以下方程（S為反應終值，由操作員設定）： 用梯形圖表求解方程：（DB13.DBD0為在線pH值,B14.DBD4為CO2調節(jié)閥的開度，DB16.DBX6.7為碳化開始標志） a.當在線pH值X＞10(pH)時 四、結束語 納米科技是當今世界各國爭先發(fā)展的科技熱點。但納米技術和材料在中國尚處于起步階段，納米碳酸鈣就是其中代表性的。納米碳酸鈣從實驗室中要產業(yè)化，如果通過合理的工藝設計，選擇高精確度的一次傳感器，建立高效的數學模型，并對影響產品質量的工藝使用配料系統(tǒng)和監(jiān)視，這對產品的質量有很大的提高。 | |
