丁曉炯

(笙威工程技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司，上海 201399)

0 前言

黏度測(cè)量是很多化學(xué)反應(yīng)，尤其是聚合反應(yīng)過(guò)程中十分重要的指標(biāo)，不同聚合物隨著相對(duì)分子質(zhì)量的變化，黏度相應(yīng)呈現(xiàn)出不同變化規(guī)律，大致都是隨著相對(duì)分子質(zhì)量的增加，黏度也相應(yīng)增加，這也是作為很多過(guò)程監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程的測(cè)量手段和表征方法。因此，許多生產(chǎn)過(guò)程中都需要進(jìn)行黏度的連續(xù)自動(dòng)測(cè)量與控制[1-3]。

在合成樹(shù)脂行業(yè)中，有可能涉及到黏度測(cè)量和控制的情況有很多，有聚合反應(yīng)過(guò)程中的黏度測(cè)量、跟蹤和控制反應(yīng)進(jìn)程；也有稀釋過(guò)程的黏度測(cè)量和調(diào)整、最終成品的黏度測(cè)量，得到符合要求的樹(shù)脂產(chǎn)品；還有使用各種樹(shù)脂聚合物液體和不同濃度和比例的液體等，都有監(jiān)測(cè)黏度的需要。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇和用戶生產(chǎn)手段自動(dòng)化水平的日益提高，對(duì)樹(shù)脂性能穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，尤其是GB 50160—2015《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》采用以后，以往依靠人工現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行黏度測(cè)試的方法，不僅難以達(dá)到對(duì)樹(shù)脂性能穩(wěn)定性的精確控制，而且也無(wú)法滿足新的安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此樹(shù)脂行業(yè)逐步重視、應(yīng)用在線黏度測(cè)量技術(shù)，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有不少企業(yè)嘗試和比較成熟地使用該項(xiàng)技術(shù)。從發(fā)展的角度看，未來(lái)樹(shù)脂行業(yè)應(yīng)用在線黏度檢測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行，就如同今天的DCS控制系統(tǒng)一樣。但是由于物料本身的流變特性、在線測(cè)量時(shí)實(shí)時(shí)條件的變化(溫度、攪拌、流動(dòng)等因素)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果對(duì)比條件的不同，導(dǎo)致了有些企業(yè)感覺(jué)在線黏度測(cè)量技術(shù)不成熟、不好用，這主要是由于對(duì)物料流變特性的不了解、黏度測(cè)量技術(shù)的不理解以及測(cè)量條件變化對(duì)黏度測(cè)量值影響關(guān)系的不掌握而造成的，這些問(wèn)題都可以從流變理論和儀器測(cè)量原理的角度來(lái)得到分析和解決[3-4]。

1 在線黏度測(cè)量和實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

1.1 在線黏度測(cè)量

目前，在線黏度計(jì)的類型很多，根據(jù)測(cè)量原理不同，主要有以下幾種類型：壓差式、注(活)塞式、旋轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式等。

振動(dòng)式的在線黏度測(cè)量起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的黏度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響，測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率，計(jì)算得到黏度，這類在線黏度計(jì)的測(cè)量范圍也很寬，適合于不同的流體測(cè)量，測(cè)量時(shí)的剪切率比較高，一般剪切率約在1 000 s-1。高剪切的測(cè)量條件要求儀器有很高的靈敏度，現(xiàn)在市場(chǎng)上最高靈敏度為SRV的0.01 cP，能適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，根據(jù)流體的流變學(xué)特性模型進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。儀器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)需維護(hù)，是目前在使用較多的在線黏度測(cè)量方法。

各類在線黏度計(jì)的測(cè)量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測(cè)量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件進(jìn)行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[1-2]。

1.2 實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量也有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運(yùn)動(dòng)法。流體法有：毛細(xì)管法、流出杯法(涂4杯等)、斜坡法等；運(yùn)動(dòng)法有：落球法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法等[3-4]。

所有黏度測(cè)量的方法，都有一定的局限性和適用范圍[5-6]。而目前在合成樹(shù)脂行業(yè)，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量最多的是旋轉(zhuǎn)法，包括旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)和旋轉(zhuǎn)流變儀。具體型號(hào)有布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、NDJ79旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、錐板高溫黏度計(jì)等。用于聚合反應(yīng)終點(diǎn)判斷、中間產(chǎn)品過(guò)程監(jiān)測(cè)、最終成品質(zhì)量檢驗(yàn)。

2 在線黏度測(cè)量實(shí)例、實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換實(shí)例

使用SRV 3/4”NPT螺紋型在線黏度計(jì)，根據(jù)稀釋釜的尺寸和投料情況，準(zhǔn)備適合長(zhǎng)度的加長(zhǎng)套管、法蘭和內(nèi)外絲連接頭，從釜頂插入釜中，見(jiàn)圖1。

(a)SRV在線黏度計(jì)系統(tǒng)(b)加長(zhǎng)套管及法蘭安裝

圖1SRV在線黏度計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝

由于沒(méi)有DCS系統(tǒng)，因此使用了VM顯示控制器接收在線黏度、在線溫度信號(hào)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)通過(guò)參數(shù)設(shè)置和內(nèi)置自動(dòng)計(jì)算，顯示指定溫度下的在線黏度和指定溫度下的實(shí)驗(yàn)室黏度。內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為一秒一個(gè)數(shù)據(jù)，用U盤將數(shù)據(jù)導(dǎo)出后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖。

完成安裝后，開(kāi)始進(jìn)行了投料、變溫、恒溫、稀釋等不同的生產(chǎn)條件變化和正常生產(chǎn)，在線黏度計(jì)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量、計(jì)算和記錄。進(jìn)行在線黏度測(cè)量的同時(shí)，由操作工人進(jìn)行樣品采樣并記錄采樣時(shí)的在線黏度和溫度值，樣品送實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試方法用旋轉(zhuǎn)在線黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)量。

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)對(duì)在線黏度、溫度進(jìn)行繪圖，觀察儀器的工作狀態(tài)和結(jié)果。

根據(jù)在線黏度、在線溫度、實(shí)驗(yàn)室黏度，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)尋找和計(jì)算驗(yàn)證[5-6]。

由于涉及工藝保密、這里不做樹(shù)脂、工藝參數(shù)、其他測(cè)試條件的詳細(xì)描述。

2.1 使用過(guò)程、過(guò)程曲線

(1)將已裝好探頭的加長(zhǎng)套管插入稀釋釜，固定后通電開(kāi)攪拌并開(kāi)始測(cè)試，釜內(nèi)已有樹(shù)脂，進(jìn)行保溫一段時(shí)間；注入新樹(shù)脂、攪拌一段時(shí)間；再進(jìn)行降溫測(cè)試、最后排料。在線黏度、溫度過(guò)程曲線1見(jiàn)圖2。

圖2 在線黏度、溫度過(guò)程曲線1

(2)向空釜注入樹(shù)脂、按正常稀釋過(guò)程進(jìn)行，先觀察投料到恒溫的過(guò)程。在線黏度、溫度過(guò)程曲線2見(jiàn)圖3。

圖3 在線黏度、溫度過(guò)程曲線2

(3)向空釜注入樹(shù)脂、按正常稀釋過(guò)程進(jìn)行，分三次注入溶劑，最后排料。在線黏度、溫度過(guò)程曲線3見(jiàn)圖4。

(4)向空釜注入樹(shù)脂、按正常稀釋過(guò)程進(jìn)行，分二次注入溶劑。在線黏度、溫度過(guò)程曲線4見(jiàn)圖5。

圖4 在線黏度、溫度過(guò)程曲線3

圖5 在線黏度、溫度過(guò)程曲線4

2.2 測(cè)試結(jié)果及計(jì)算

根據(jù)所用樹(shù)脂和黏度要求的不同，做了四個(gè)批次的連續(xù)在線黏度和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1中的項(xiàng)目中VT′是根據(jù)實(shí)測(cè)的在線黏度和溫度，得到樹(shù)脂的黏溫關(guān)系，然后通過(guò)計(jì)算到VT′60 ℃的在線黏度，再根據(jù)VT′60 ℃的在線黏度和實(shí)驗(yàn)室黏度得到兩者的轉(zhuǎn)換計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算。這里的黏溫關(guān)系參數(shù)和實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換參數(shù)先以一組(即認(rèn)為所有的牌號(hào)樹(shù)脂都一樣)進(jìn)行計(jì)算。

從表1的計(jì)算結(jié)果可以看到，過(guò)程1和3的計(jì)算結(jié)果偏差相對(duì)較小，過(guò)程2都是負(fù)偏差，過(guò)程3都是正偏差；同時(shí)，可以看到過(guò)程1中有一個(gè)數(shù)據(jù)明顯和其他值不同，因此將該值舍棄，然后按1和3是一類，2、4單獨(dú)是另一類重新進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行重新計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 優(yōu)化前不同過(guò)程的在線溫度、在線黏度、60 ℃在線黏度、實(shí)驗(yàn)室黏度及偏差計(jì)算

3 結(jié)論

3.1 安裝建議

安裝方案一：在新釜設(shè)計(jì)時(shí)，考慮好安裝的位置，一般建議在釜側(cè)壁或底部安裝，可以考慮采用預(yù)留法蘭，一般建議DN40或50，SRV法蘭型在線黏度計(jì)外形見(jiàn)圖6。

安裝方案二：在老釜上安裝，需要尋找現(xiàn)有的預(yù)留法蘭，需要DN50以上的預(yù)留管道，根據(jù)位置進(jìn)行套管加長(zhǎng)，將探頭安裝在套管頂端，另一端焊接固定法蘭，見(jiàn)圖1，套管和法蘭準(zhǔn)備及焊接自行準(zhǔn)備，如果沒(méi)有足夠大的預(yù)留管道、或者插入后會(huì)碰到攪拌，就不能安裝，需要重新開(kāi)口或?qū)ふ覄e的位置。

3.2 使用結(jié)論及建議

(1)根據(jù)測(cè)試結(jié)果看，SRV在線黏度計(jì)安裝在釜上可以連續(xù)、實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度和黏度測(cè)量，黏度的變化能反映出隨溫度、加入樹(shù)脂、加入溶劑的過(guò)程而變化。

圖6 SRV法蘭型在線黏度計(jì)外形

(2)加裝在線黏度計(jì)之后，可以看到黏度的變化過(guò)程曲線，反映出釜內(nèi)的真實(shí)狀態(tài)。

表2 優(yōu)化后不同過(guò)程的在線溫度、在線黏度、60 ℃在線黏度、實(shí)驗(yàn)室黏度及偏差計(jì)算

(3)通過(guò)黏溫轉(zhuǎn)換及和實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)換，可以得到和實(shí)驗(yàn)室黏度很接近的轉(zhuǎn)換結(jié)果，但是，由于物料的不同、流變特性會(huì)相應(yīng)變化，因此需要根據(jù)配方、樹(shù)脂的不同進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，不能用一組數(shù)據(jù)計(jì)算所有的產(chǎn)品，從本例的計(jì)算來(lái)看，如果只用一組參數(shù)，相對(duì)平均偏差為9.79%，而如果根據(jù)所用樹(shù)脂的情況進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置和計(jì)算，相對(duì)平均偏差為1.17%。這一工作需要現(xiàn)場(chǎng)人員將采樣時(shí)的在線黏度、溫度、實(shí)驗(yàn)室黏度記錄好，建議每一批的數(shù)據(jù)量至少3個(gè)以上，最好5個(gè)以上，這樣得到的轉(zhuǎn)換參數(shù)會(huì)更準(zhǔn)確。

(4)目前的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，中間過(guò)程和操作需要嚴(yán)格培訓(xùn)和按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，尤其是恒溫條件的控制需要加強(qiáng)；同時(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)的使用和測(cè)量條件的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，這樣才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量值，千萬(wàn)避免出現(xiàn)“為測(cè)而測(cè)”的現(xiàn)象。

(5)在聚合釜上選用高溫型SRV，最高溫度可以到300 ℃，數(shù)據(jù)處理方式和稀釋過(guò)程類似。

在線黏度測(cè)量和DCS技術(shù)的結(jié)合，應(yīng)該是樹(shù)脂行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，借助于DCS的數(shù)據(jù)處理功能，結(jié)合專家系統(tǒng)和一定的人工智能，可以將在線測(cè)量結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換并找到最佳的控制點(diǎn)和控制區(qū)間，最終實(shí)現(xiàn)批次的反應(yīng)過(guò)程和最終產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定，真正實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，見(jiàn)圖7。

圖7 在線黏度計(jì)的使用