自动化控制在纳米碳酸钙的生产工艺中的应用

一、引言 晶型纳米碳酸钙是一种重要的无机化工产品，由于价格低、原料广、无毒性，因此在橡胶、塑料、造纸、化工建材、油墨、涂料、密封胶与胶粘剂等行业得到了广泛的应用。 近五十年来美国、英国、日本都研制出了超细型纳米碳酸钙。英国在汽车专用塑料用碳酸钙中占垄断地位，日本在超细碳酸钙的研制、生产、应用方面处于国际领先地位，而我国从80年代就开始进行纳米碳酸钙的研究，由于纳米碳酸钙的研究仅限于实验室，产品品种少、产量低、生产工艺及设备落后，所以在我国国内还没有较大的企业规模。 下表是纳米碳酸钙的物理化学指标。 从物理化学指标上看纳米碳酸钙的硬性指标平均粒径只有30±5nm，而且超细碳酸钙是高活性，使用物理方法生产纳米碳酸钙晶形显然是不可行的。在国内外都在研究化学方法制备纳米碳酸钙，而其中碳化法是主要的制备方法。碳化法简述如下：将精选的石灰石在煅烧炉中煅烧得到氧化钙，并将氧化钙经过消化得到悬浮氢氧化钙料浆，和多级旋液分离除去较大的颗粒和杂质，得到精制氢氧化钙悬浮液，精制的氢氧化钙悬浮液再按照需要配比出一定浓度的氢氧化钙悬浮液，通入二氧化碳并加入适量的添加剂，将氢氧化钙碳化，碳化结束后得到晶形的碳酸钙浆液，最后进行脱水、干燥等工序得到纳米级的碳酸钙。 由于纳米级碳酸钙的技术指标要求极其苛刻，在工业生产中带来一定的难度，所以工艺设计和精确的控制决定了产品是否达到技术指标，其中浓度配比和碳化方法直接影响了产品的质量。 河南科力新材料股份有限公司，采用PLC系统实现纳米碳酸钙生产工艺的自动化控制。首期工程投入合成反应车间共三个生产工艺流程，这三个工艺流程完全相同，每一个流程可以根据需要生产不同系列产品，但其控制和监视方式完全相同。在系统中工艺流程控制和监视的设备有精浆槽、调浆槽、合成反应器、活化槽四个部分，煅烧窑炉、除杂槽等仅在就地控制箱操作。 二、系统设计 1.监控对象 从精浆槽到活化槽控制和监视的对象由以下的表格给出： 2.硬件及组态软件设计 由于工程要求系统扫描周期快，开关量输出的反应速度快，结合实际运营经验和考虑系统的合理配置，硬件选型确定为德国西门子公司过程控制系统SIMATIC S7-300系列的PLC。为了方便后期工程的连接，网络采用国际标准Profibus网络， CPU选用CPU315-2DP。西门子S7-300系列PLC的特点是： 模块化设计，能够满足中小型系统的设计要求；I/O模块品种多，可以非常好的满足和适用自动控制任务；具有多种总线接入方式（MPI、Profibus、TCP/IP），可以很好的方便后期工程的扩展；对比较恶烈的环境适应能力较强，无风扇工作；当控制任务需要增加时可以自由扩展；具有高速的执行时间，系统监视时间在1~6000ms可选。 组态软件选用WinCC作为监视软件。WinCC是西门子为PLC系统设计的组态软件，可以方便的通过SQL和ODBC访问过程数据，具有多种连接方式（MPI、Profibus、TCP/IP），支持第三方设备，用户界面友好，C语言编写脚本。 三、数学模型的建立 1. 浓度配比 不同浓度的氢氧化钙悬浮液，对生成碳酸钙平均粒径有影响，这直接关系到系列产品的质量。 从图中可以看出，氢氧化钙的浓度越低产品的颗粒粒径越小，但是，浓度低了，要获得更多的产量，就要增大容器的容积，同时生产动力消耗、生产成本也就高了。因此浓度的控制要依照产品的系列化所决定，根据浓度来生产出具有一定粒径的纳米碳酸钙。 实际工程中，由于在控制中采用浓度作为调配的输入参数，直接使用浓度来建立数学模型要比使用密度建立数学模型比较困难，所以决定间接的使用密度来控制浓度的调配。浓度计选用阿姆德尔数字浓度计，该浓度计使用γ射线作为测量信号源，有三个输出参数：密度、浓度、流量，测量精度一般为0.002克/厘米³。在实际信号采集时，可以将密度和浓度一同采集上来，或这仅采集其中之一，密度和浓度是一一对应的关系，二者可以互相转换，这样在实现配料控制将变得容易多了。具体配料如下： 操作员站输入所要配比的浓度PS，根据公式计算出配比密度SG（ LSG、SSG是浓度计现场调试获得的修正系数） 操作员发调配命令启动加料泵，加料到1/3高度时判断料液的在线浓度，如果浓度低于设定浓度值则停止调配并给出警示，如果在线浓度大于给定值，则同步计算加入料液的在线高度h，计算方式如下： 质量平衡法：给定浓度含有氢氧化钙悬浮液的质量等于加入高浓度氢氧化钙悬浮液含有氢氧化钙的质量和补充的水的质量之和。 给定浓度Ca(OH)2悬浮液的质量可以求出（SG－设定浓度计算出的Ca(OH)2悬浮液的密度、H－容器溢流口高度） mSet＝SG×H×A 加入Ca(OH)2料液的质量可以根据在线测量密度（SG1）和最终加入Ca(OH)2的高度（ho）求得 mZX＝SG1×ho×A 补入工艺水的质量 mH2O＝1×(H－ho)A 根据质量平衡法 mSet＝mZX＋mH2O SG×H×A＝SG1×ho×A＋1×(H－ho)A 所以求出加入Ca(OH)2料液的计算高度 ho＝[(SG－1)/(SG1－1)]×H 其中影响在线密度的挠动输入是加入工艺水的质量。由于工艺水调节阀全开其流量也不大，程序控制中检测到如果加料泵在运转，则工艺水调节阀开50％，浓度计测量的是在线密度，是经过工艺水稀释的密度，所以在求解ho时，SG1在不断变化（SG1>SG），ho的值也在不断变化（ho 碳化所用的CO2是在搅拌器高速搅拌下通入，在其它条件不变的前提下，转速越高，越有利于CO2的反应，碳化生成的碳酸钙粒径就会越小。在搅拌器高速搅拌下，CO2的通入量采用了渐近法。 由于Ca(OH)2料液的pH值大于7，碳化反应是通过通入CO2将pH碱性料液降到设定的pH值以标识反应结束。由于物液比较多，容器体积大，在开始反应的时候将大量通入CO2，随着pH的降低和接近设定，通入CO2的量将按照上面的二元一次方程调节CO2调节阀的开度，为了使反应能够结束，而在反应将要结束时调节阀的开度逼近5%，当pH等于小于设定值时将CO2调节阀完全关闭。 根据CO2调节阀的开度与pH值的数学模型，可以写出以下方程（S为反应终值，由操作员设定）： 用梯形图表求解方程：（DB13.DBD0为在线pH值,B14.DBD4为CO2调节阀的开度，DB16.DBX6.7为碳化开始标志） a.当在线pH值X＞10(pH)时 四、结束语 纳米科技是当今世界各国争先发展的科技热点。但纳米技术和材料在中国尚处于起步阶段，纳米碳酸钙就是其中最有代表性的。纳米碳酸钙从实验室中要产业化，如果通过合理的工艺设计，选择高精确度的一次传感器，建立高效的数学模型，并对影响产品质量的工艺使用自动化控制和监视，这对产品的质量有很大的提高。