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| 配料系統(tǒng)在納米碳酸鈣的生產(chǎn)工藝中的應(yīng)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(zhì)量指標(biāo)，采用PLC配料來提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 一、引言 晶型納米碳酸鈣是一種重要的無機(jī)化工產(chǎn)品，由于價(jià)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(yīng)用。 近五十年來美國、英國、日本都研制出了超細(xì)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(xì)碳酸鈣的研制、生產(chǎn)、應(yīng)用方面處于地位，而我國從80年代就開始進(jìn)行納米碳酸鈣的研究，由于納米碳酸鈣的研究于實(shí)驗(yàn)室，產(chǎn)品品種少、產(chǎn)量低、生產(chǎn)工藝及設(shè)備落后，所以在我國國內(nèi)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(xué)指標(biāo)。 從物理化學(xué)指標(biāo)上看納米碳酸鈣的硬性指標(biāo)平均粒徑只有30±5nm，而且超細(xì)碳酸鈣是高活性，使用物理方法生產(chǎn)納米碳酸鈣晶形顯然是不可行的。在國內(nèi)外都在研究化學(xué)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(jīng)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(zhì)，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(jié)束后得到晶形的碳酸鈣漿液，最后進(jìn)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(shù)指標(biāo)要求極其苛刻，在工業(yè)生產(chǎn)中帶來一定的難度，所以工藝設(shè)計(jì)和精確的控制決定了產(chǎn)品是否達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，其中濃度配比和碳化方法直接影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。 配料系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)納米碳酸鈣生產(chǎn)工藝的配料方式。首期工程投入合成反應(yīng)車間共三個(gè)生產(chǎn)工藝流程，這三個(gè)工藝流程相同，每一個(gè)流程可以根據(jù)需要生產(chǎn)不同系列產(chǎn)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(shè)備有精漿槽、調(diào)漿槽、合成反應(yīng)器、活化槽四個(gè)部分，煅燒窯爐、除雜槽等僅在就地控制箱操作。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 由于工程要求系統(tǒng)掃描周期快，開關(guān)量輸出的反應(yīng)速度快，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)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(wǎng)絡(luò)采用國際標(biāo)準(zhǔn)Profibus網(wǎng)絡(luò)，CPU選用CPU315-2DP。西門子S7-300系列PLC的特點(diǎn)是： 配料系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，能夠滿足中小型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wù)；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(kuò)展；對比較惡烈的環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，無風(fēng)扇工作；當(dāng)控制任務(wù)需要增加時(shí)可以自由擴(kuò)展；具有高速的執(zhí)行時(shí)間，系統(tǒng)監(jiān)視時(shí)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(shè)計(jì)的組態(tài)軟件，可以方便的通過SQL和ODBC訪問過程數(shù)據(jù)，具有多種連接方式（MPI、Profibus、TCP/IP），支持第三方設(shè)備，用戶界面友好，C語言編寫腳本。三、數(shù)學(xué)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(guān)系到系列產(chǎn)品的質(zhì)量。 氫氧化鈣的濃度越低產(chǎn)品的顆粒粒徑越小，但是，濃度低了，要獲得更多的產(chǎn)量，就要增大容器的容積，同時(shí)生產(chǎn)動力消耗、生產(chǎn)成本也就高了。因此濃度的控制要依照產(chǎn)品的系列化所決定，根據(jù)濃度來生產(chǎn)出具有一定粒徑的納米碳酸鈣。 實(shí)際工程中，由于自動配料系統(tǒng)采用濃度作為調(diào)配的輸入?yún)?shù)，直接使用濃度來建立數(shù)學(xué)模型要比使用密度建立數(shù)學(xué)模型比較困難，所以決定間接的使用密度來控制濃度的調(diào)配。濃度計(jì)選用阿姆德爾數(shù)字濃度計(jì)，該濃度計(jì)使用γ射線作為測量信號源，有三個(gè)輸出參數(shù)：密度、濃度、流量，測量精度一般為0.002克/厘米³。在實(shí)際信號采集時(shí)，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(yīng)的關(guān)系，二者可以互相轉(zhuǎn)換，這樣在實(shí)現(xiàn)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(jù)公式計(jì)算出配比密度SG（LSG、SSG是濃度計(jì)現(xiàn)場調(diào)試獲得的修正系數(shù)） 操作員發(fā)調(diào)配命令啟動加料泵，加料到1/3高度時(shí)判斷料液的在線濃度，如果濃度低于設(shè)定濃度值則停止調(diào)配并給出警示，如果在線濃度大于給定值，則同步計(jì)算加入料液的在線高度h，計(jì)算方式如下： 質(zhì)量平衡法：給定濃度含有氫氧化鈣懸浮液的質(zhì)量等于加入高濃度氫氧化鈣懸浮液含有氫氧化鈣的質(zhì)量和補(bǔ)充的水的質(zhì)量之和。 給定濃度Ca(OH)2懸浮液的質(zhì)量可以求出（SG－設(shè)定濃度計(jì)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(zhì)量可以根據(jù)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(bǔ)入工藝水的質(zhì)量 mH2O＝1×(H－h(huán)o)A 根據(jù)質(zhì)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(jì)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(zhì)量。由于工藝水調(diào)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(yùn)轉(zhuǎn)，則工藝水調(diào)節(jié)閥開50％，濃度計(jì)測量的是在線密度，是經(jīng)過工藝水稀釋的密度，所以在求解ho時(shí)，SG1在不斷變化（SG1>SG），ho的值也在不斷變化（ho經(jīng)過濃度配比的氫氧化鈣懸浮液被送至合成反應(yīng)器碳化。碳化反應(yīng)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(diào)節(jié)控制，使反應(yīng)過程中料液的pH值按照特定的曲線下降到設(shè)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(zhuǎn)速越高，越有利于CO2的反應(yīng)，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(yīng)是通過通入CO2將pH堿性料液降到設(shè)定的pH值以標(biāo)識反應(yīng)結(jié)束。由于物液比較多，容器體積大，在開始反應(yīng)的時(shí)候?qū)⒋罅客ㄈ隒O2，隨著pH的降低和接近設(shè)定，通入CO2的量將按照上面的二元一次方程調(diào)節(jié)CO2調(diào)節(jié)閥的開度，為了使反應(yīng)能夠結(jié)束，而在反應(yīng)將要結(jié)束時(shí)調(diào)節(jié)閥的開度逼近5%，當(dāng)pH等于小于設(shè)定值時(shí)將CO2調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。 根據(jù)CO2調(diào)節(jié)閥的開度與pH值的數(shù)學(xué)模型，可以寫出以下方程（S為反應(yīng)終值，由操作員設(shè)定）： 用梯形圖表求解方程：（DB13.DBD0為在線pH值,B14.DBD4為CO2調(diào)節(jié)閥的開度，DB16.DBX6.7為碳化開始標(biāo)志） a.當(dāng)在線pH值X＞10(pH)時(shí) 四、結(jié)束語 納米科技是當(dāng)今世界各國爭先發(fā)展的科技熱點(diǎn)。但納米技術(shù)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(shí)驗(yàn)室中要產(chǎn)業(yè)化，如果通過合理的工藝設(shè)計(jì)，選擇高精確度的一次傳感器，建立高效的數(shù)學(xué)模型，并對影響產(chǎn)品質(zhì)量的工藝使用配料系統(tǒng)和監(jiān)視，這對產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的提高。 | |
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