纺织生产线中溶剂计量方法浅析_刘云崇.pdf

88 引言在建成 Lyocell 万吨生产线的实践过程中，项目组研发了一系列工艺技术和专用设备，打通了从溶胀、溶解到纺丝成型的整个工艺流程软件包，为后来千吨试验线的全负荷运行和万吨生产线的建成奠定了基础。溶剂的浓度控制是溶胀、溶解中非常重要的环节，它会直接影响试验结果和纺丝的产品质量。另外，在聚酯工艺的生产中有多个环节需要溶质与溶剂一定比值的供给量，只有达到期望控制才能产出合格产品。实际工程中溶剂的浓度控制还有很多方法，文章介绍了 Lyocell 试验线中摸索出的对溶胀过程中溶剂（NMMO-甲基氧化吗啉）供给这一环节的探究，以及聚酯工程中运用的复杂控制方法研究，解决了实际工程中溶剂的供给控制，为解决工程实际问题提供借鉴和参考。1 在 Lyocell 试验线中溶剂的计量在 Lyocell 试验线的工艺软件包研发的工艺流程中，将溶剂回收后配比好的高浓溶剂经溶剂循环泵周期定量地输送给溶剂储罐，保证一定液位，试验根据需要定时启动溶剂储罐的溶剂输送泵，溶剂经流量计调节阀送到全混机与浆粕进行初步混合溶解（见图 1）。纺织生产线中溶剂计量方法浅析摘要：在化学纤维纺丝方法的熔融纺丝法中或在溶液纺丝法中，控制纺丝溶液的质量是纤维生产中的重要环节，而溶剂的浓度和温度是最重要的需要稳定精准控制的物理量1。在一定的温度要求下，只有保持一定浓度的溶剂才能保证纤维素的溶解达到理想状态，而溶剂的浓度在工艺过程中不恒定，是不断波动的物理量。为了确保溶剂的浓度达到预设的目标值，就需要通过一系列自控手段将其波动值控制在允许范围内。探究 Lyocell 试验线中溶剂计量控制方法，研究聚酯生产过程中保证溶剂与溶质达到一个设定比值的控制方法，把上述方法分别推广应用到到 Lyocell 万吨生产线和聚酯实际工程项目中，使溶剂供给流量控制在合理范围内，保证了纺丝原液达到理想溶解状态，确保了纺丝成品质量。关键词：流量计；计量；恒压技术；干扰；串级控制中图分类号：TQ340.5 文献标志码：A 文章编号：1003-1308（2023）2-3-0088-03刘云崇（中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点试验室，北京 100025）图1 试验线中溶剂的计量 89试验过程中，试验人员反应流量计计量不准影响了试验的后续进行，并从表象上分析原因是溶剂特性受环境温度影响容易结晶，储罐的溶剂还会随着处于高储罐下恒速电机的持续输送，液位逐渐降低，储罐内溶剂重量减少导致输送管道内压力减小直接引起计量不准。为了查明问题原因，试验人员进行了以下三个方面工作：1.1 工艺管道处理和仪表选取溶剂的特性是在一定温度下容易凝结，为了保证溶剂能顺畅流动，管道上采取了保温措施，流量计和调节阀都选用了带保温的夹套。流量计的选取上，根据现场实际管径和工艺要求，用质量流量计替换了原来使用的电磁流量计。这样做的目的是使溶剂的流畅性不受周围环境温度的影响，使计量效果更贴近于工艺要求，测量准确性和精度更高。1.2 控制方法改进在溶剂输送管道的输送泵和质量流量计之间，增加了压力传感器，并使它和输送泵电机连锁控制设置一定量的压力值，通过变频调速调节输送泵电机速度的大小，确保了管道中要求的恒定压力。经过这样的操作后，无论高平台上溶剂储罐里的溶剂量多少，都不会影响进流量计时管道里溶剂的压力值，从而保证流量计里的溶剂稳流稳速恒压。在保证前后管路一定压力的同时保证质量流量计正确使用，并赶走液体中含有的气泡，使之含量低于 5%，避免仪表误差超过 10%。通过前面的恒压控制，保证了流量计实时计量检测溶剂的流量大小，也保证了通过设定不同的流量大小，调节阀调节开度大小控制的稳定，从而保证了不同速度纺丝对溶剂流量大小的供给要求。1.3 抗干扰措施在以上两点改进后，流量计测量结果还是误差很大，远远满足不了质量流量计测量精度到 0.01 的要求。排查了控制中的所有环节，最后问题集中在质量流量计本体上。项目选用的科里奥利质量流量计是直接测量质量流量的流量仪表，它的工作原理是测量在流量管内流体所产生的科里奥利力，从而测得流体的质量流量。在振动的流量管上，流体流动产生的科里奥利力引起流量管两侧产生“扭曲”，这个扭曲量与科里奥利力（与质量流量）以及流量管的刚度成比例，从而求得质量。科里奥利质量流量计具有的特点是:1）测量精度高，稳定性好，不受被测介质物理参数的影响。2）直接测量多参数变量，可测量质量流量、密度、温度等参数。3）可测量液体、气体、浆液及多相流体，无前后直管段要求，可测量双向流量。4）测量范围为 10:150:1。5）流量计内部无可动或可更换部件，无阻碍流体流动的部件，便于维护，使用寿命长 2。以上特点满足工艺的技术使用要求。选用科里奥利质量流量计需注意：1）质量流量计的基本误差通常用量程误差加零点不确定性表征。零点不确定性与范围度有关。在低流量或下限流量时，误差较大，选用时应予以注意。2）同一仪表，测量气体时性能低于测量液体，特别是用于测量低压气体时。3）测量含有固体较多的流体，最好选用单管型质量流量计。4）测量强磨蚀性浆液时，采用单直管型、测量管管壁较厚的质量流量计。5）流量传感器安装应隔离管道振动影响，必要时传感器与管道之间采用柔性管连接。6）多台传感器串联安装时，应拉开传感器的距离，独立设置支撑架。7）流量传感器安装位置必须使测量管内充满液体。8）控制阀安装在流量计的下游。9）测量混相流体流量时，气体混合物中气泡应小且均匀，液固混合物中应含少量固体杂质，液体中含有气体时应将游离气体排出。针对以上注意事项，应逐条排查。质量流量计安装管道在高平台上，高平台上既有桨叶干燥机轴端 30KW 电机的连续转动带动设备震动，又有抽真空泵运转连带的管路震动，同时还有很多异步电机的变频控制集中在一起。这些物理震动和变频器的电气信号干扰看似与质量流量计的安装不关联，但应考虑是否为影响质量流量计计量不够精准的主要原因。设备人员把质量流量计及其相连的管道从高平台处改到了一层地面上，经这一改动后即远离了电磁信号的干扰又避免了高平台震动带来的干扰，再经过连续计量很明显地达到了测量要求。由此，后续无论试验线还是生产线，只要有选用科氏质量流量计的管道，都需要把它们安装在没有电磁干扰并且没有机械震动的平面上，保证其稳定可靠工作。2 聚酯生产线中采用串级变比值控制系统溶质溶剂的流量控制与工艺的物料平衡有关，在工艺流程中经常有各个控制变量内部存在相关控制过程90 某段工艺溶质与溶剂的供给流量需要按照一定的比值。生产过程中，溶质和溶剂如果采用两个单独的闭环控制回路，给予简单的比值放大，那么这两种物料质量流量的比值会受到介质温度、压力、组分变化的影响，难以精确控制在期望值内，无法达到控制要求，综合考虑需要选取自控系统的复杂控制回路比值控制系统。由于两种流量都是扰动频繁，负荷变化大，流量不可控，所以不能选取单闭环比值系统；生产要求两种物料比值能灵活调节，遂不能选取比值恒定的双闭环控制方案；最终采用了串级变比值控制系统，比如聚酯工程中的浆料PTA（对苯二甲酸）和溶剂 BDO（1,4 丁二醇中文名）流量控制，控制框如图 2 所示。整个回路达到的控制效果是：通过对 PTA 浆料（对苯二甲酸）的浆料泵(21P212A/S)出口低聚物（AA酯化物）流量的控制，进一步控制浆料 PTA（对苯二甲酸）和溶剂 BDO（1,4 丁二醇），两种物料成比例地进入第一酯化釜。整个控制过程如下：浆料的流量信号（FT-0232）来自 PTA（对苯二甲酸）浆料泵（21P212A/S）的出口，它作为主回路的流量检测信号与预设的流量给定信号叠加给主控回路（FICA-0232），即主控回路（FICA-0232）输入，主控回路（FICA-0232）的输出作为串级控制副回路控制的给定。这个给定与经除法器（FFIC-0513）控制后输出的反馈信号叠加后，经串级控制副回路比值控制回路（FICA-0513）输出给执行机构气动调节控制阀，从而使控制阀开度的大小不断调节变化。控制阀开度的大小的变化又经过高温浆料 PTA（对苯二甲酸）的塔底流量检测（FT-0513），以此作为除法器（FFIC-0513）的浆料质量流量，经除法器（FFIC-0513）控制与添加的溶剂BDO（1,4 丁二醇）关联，调节控制后的输出作为串级控制副回路的反馈值构成闭环回路，进而控制浆料 PTA（对苯二甲酸）和溶剂 BDO（对苯二甲酸）两种物料成比例的进入第一酯化釜。浆料 PTA/溶剂 BDO 浆料流量检测 FT-0232 的设定值由操作工程师根据需要设定。FFIC-0513 的比值计算说明如下：QBDO 补加=K*Q浆料 QBDO 补加 补加 BDO 的质量流量，kg/h，量程范围：02500。Q浆料 浆料质量流量，kg/h，由FIT-0232 测得。K手动输入校正因子，范围 00.6。K 的初始值现场设定。（注：以上 FT-0232，FICA-0232，FFIC-0513，FT-0513，21P212A/S 是 实际工程中对应的位号）在串级控制系统中，由于主、副两个控制器串联在一起，再加上一个闭合的副回路，因而不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，对于作用于主回路的干扰也能加快调节的进程。在调节过程中，副回路具有先调、快调、粗调的特点；主回路则刚好相反，具有后调、慢调、细调的特点。主、副回路互相配合，与生产初期采用的单回路简单控制系统相比，大大改善了调节过程的品质。系统快速响应时具有很小的超调量，调整时间短很快达到稳态平衡，系统随动性好，对主副回路的温度、压力等影响有很强的抗干扰能力，控制精度高。满足了生产工艺中对流量比值的控制要求，系统运行稳定可靠，保证了整个工程的平稳正常，可靠、高效、高产能。3 结论 溶剂计量的精准不只要求选用适宜的仪表，还要考虑合理的控制要求，兼顾软件硬件的控制措施，采用比值串级控制等复杂自动控制系统的控制方法。以上控制方法在 Lyocell 工程后续的千吨试验线、万吨生产线以及其他不同类型的纺织工程生产线中溶剂的计量，催化剂和添加剂的计量等控制中都得到了推广运用，取得了满意的控制效果，无论是试验还是生产需求都保证了对溶剂的准确计量要求。【参考文献】1赵庆章.Lyocell纤维生产工艺及原理M，北京:中国纺织出版社，2020.2黄步余,范宗海,马睿,等.石油化工自动控制设计手册（第四版）M.北京；化学工业出版社，2020.图 2 串级变比值控制系统