梁金華 鄧國棟 王偉斌 謝 亮 王照軒
南京理工大學(xué)國家特種超細(xì)粉體工程技術(shù)研究中心(江蘇南京,210094)
硝基胍簡稱NQ,為一種白色棒狀或針狀晶體炸藥,是硝化纖維火藥以及固體火箭推進(jìn)劑的重要組分[1],在發(fā)射藥、鈍感炸藥等軍工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2-3]。NQ轉(zhuǎn)晶后的干燥處理過程非常關(guān)鍵。而傳統(tǒng)的NQ箱式干燥生產(chǎn)工藝存在生產(chǎn)過程間斷、人為工序繁瑣、安全性差、效率低下、環(huán)境惡劣等問題。干燥過程中易發(fā)生結(jié)塊,致使管道堵塞;且在分散過程中,容易產(chǎn)生粉塵,不僅污染空氣,且易引發(fā)安全事故。為滿足我國當(dāng)下的工藝生產(chǎn)要求,迫切需要開發(fā)一種安全、高效、連續(xù)的NQ干燥生產(chǎn)工藝來取代傳統(tǒng)NQ干燥方式。
工業(yè)上檢測NQ漿料濃度的方法通常是從其生產(chǎn)線采集樣品,經(jīng)過濾、干燥后,根據(jù)干燥前、后的質(zhì)量差計(jì)算濃度。而近紅外光譜技術(shù)因分析檢測時(shí)間短、操作簡單、無破壞性、準(zhǔn)確度高、成本低等優(yōu)點(diǎn),在化學(xué)分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該方法既可用于定量分析,也可用于定性分析,已被廣泛應(yīng)用于食品、石油、醫(yī)藥、高能材料等領(lǐng)域[4-8]。如Wang等[9]利用近紅外檢測技術(shù)對2,4,6-三硝基甲苯(TNT)爆炸進(jìn)行檢測;Su等[10]采用近紅外光譜法定量檢測高聚物黏結(jié)炸藥中的成分。
而工業(yè)上對管道流體流量的檢測一般通過流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)。其中,直管型質(zhì)量流量計(jì)具有測量范圍廣、量程寬、精度高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中[11]。傳統(tǒng)的質(zhì)量流量計(jì)多為彎管型結(jié)構(gòu),占地面積大,安裝要求高,壓力損失較大;而直管型質(zhì)量流量計(jì)不同于彎管型質(zhì)量流量計(jì),不易積存氣體,安裝、維修、清洗方便,不受外界工業(yè)振動頻率的干擾,具有較高的精度和較好的重復(fù)性[12]。直管型質(zhì)量流量計(jì)在檢測流體質(zhì)量流量的同時(shí),也可實(shí)現(xiàn)對流體的體積流量、密度的測量,適用于NQ漿料的流量檢測。
目前,關(guān)于運(yùn)用近紅外光譜分析技術(shù)與直管型質(zhì)量流量計(jì)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量加料濃度、流量以及干量計(jì)量的文獻(xiàn)相對較少。基于NQ噴霧干燥連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng)進(jìn)行研究,主要分為以下3個(gè)部分:將近紅外光譜分析技術(shù)與偏最小二乘法(PLS)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量NQ加料濃度;利用直管型質(zhì)量流量計(jì),實(shí)現(xiàn)對NQ漿料的在線連續(xù)流量檢測;確定最佳的進(jìn)料壓力范圍,以及對該噴霧干燥加料系統(tǒng)干量計(jì)量檢測精度進(jìn)行研究,以實(shí)現(xiàn)NQ噴霧干燥加料過程的在線連續(xù)檢測。
通過NQ噴霧干燥過程中的連續(xù)計(jì)量加料技術(shù)研究,研制出NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng),使生產(chǎn)過程更加安全化、連續(xù)化、自動化,提高了NQ生產(chǎn)效率。如圖1所示,粗制的NQ以一定的進(jìn)料速度加入到儲存罐中,與水混合均勻后,在漿料泵的作用下輸送至干燥塔干燥;NQ漿料在霧化噴頭作用下分散成小液滴,再經(jīng)塔中熱空氣的作用進(jìn)行干燥。最后,得到含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.3%)極低的細(xì)制NQ產(chǎn)品。在噴霧干燥過程中,NQ質(zhì)量流量的大小會影響到計(jì)量值的準(zhǔn)確性。當(dāng)NQ漿料濃度過高時(shí),會使管道堵塞,影響正常工作;當(dāng)NQ濃度較低時(shí),會使系統(tǒng)整體能耗增加。因此,需要對NQ漿料的質(zhì)量流量與濃度進(jìn)行控制,保證加料過程中NQ漿料的加料濃度、質(zhì)量流量在合理范圍內(nèi)。
圖1 NQ連續(xù)計(jì)量噴霧干燥工藝流程Fig.1 NQ continuous metering spray drying process
NQ加料濃度檢測試驗(yàn)基于某軍工廠的NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料裝置開展研究。試驗(yàn)中所用的NQ由該軍工廠提供。如表1所示,所需的試驗(yàn)儀器可實(shí)現(xiàn)NQ加料濃度的在線檢測。
表1 NQ加料濃度在線檢測試驗(yàn)儀器Tab.1 Online testing instruments for NQ feeding concentration
試驗(yàn)中,對NQ加料濃度進(jìn)行參考分析的方法是干燥法。首先,從管道中采集1 000 mL的NQ漿料樣品并稱重,記M1,然后,將NQ漿料置于離心過濾器中脫水15 min;再將脫水后的NQ置于95℃水浴烘箱中干燥3 h;最后,收集并稱重NQ,記M2。根據(jù)干燥前、后的M1、M2,即可計(jì)算每個(gè)NQ漿料樣品的濃度,以此來判斷近紅外光譜法測定NQ加料濃度的誤差。計(jì)算公式為
式中:w為NQ漿料樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
配置不同濃度的NQ漿料樣品。將NQ漿料置于儲存罐中攪拌10 min后,進(jìn)行連續(xù)噴霧干燥。在攪拌過程中,保持電動攪拌機(jī)以50 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌,使相應(yīng)樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在15%~25%之間,包括所有待測質(zhì)量分?jǐn)?shù)。共制備100個(gè)樣品,其中80個(gè)作為校正集來建立NQ加料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定量模型,其余20個(gè)作為預(yù)測集來評價(jià)模型的性能。NQ漿料樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表2。
表2 NQ漿料加料樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Feeding concentration of NQ slurry samples
試驗(yàn)中,近紅外光譜儀預(yù)熱30 min后,使用積分球漫反射模式采集NQ漿料的近紅外光譜。采集波段為10 000~4 000 cm-1,分辨率是16 cm-1。在噴霧連續(xù)干燥過程中,保持NQ漿料在管道中穩(wěn)定流動。對每個(gè)濃度的NQ樣品重復(fù)掃描5次,剔除差異較大的光譜,取平均光譜進(jìn)行分析、建模。每次用時(shí)約20 s。數(shù)據(jù)建模分析使用軟件The Unscrambler X 10.4處理。NQ漿料樣品的原始近紅外光譜如圖2所示。
蘇母轉(zhuǎn)過身問女兒:婷婷,告訴媽,懷了幾個(gè)月了?蘇婷婷笑笑:媽,你還真當(dāng)回事呀?我根本就沒懷孕,那是騙你們的!蘇母和蘇穆武愣住了:什么?騙我們?蘇婷婷說:你們也不想想,從小你們就教育我要遵守傳統(tǒng)道德,我是那么一個(gè)乖孩子,能不聽你們的話嗎?我和杰克婚前就沒上過床,要懷孕才怪呢?這么低級的謊言你們也信,只能說明太沒智商了!蘇穆武和老伴張口結(jié)舌,面面相覷。蘇婷婷接著說:再說了,我和杰克早商議好了,婚后不要小孩!你們就別琢磨這事了!沒別的事我走了!拜拜!蘇婷婷揚(yáng)長而去。
圖2 NQ漿料樣品的原始近紅外光譜Fig.2 Raw NIR spectrum of NQ slurry samples
近紅外光譜主要是由分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時(shí)產(chǎn)生的,主要反映的是含氫基團(tuán)x—H(如C—H、N—H、O—H)振動的倍頻和合頻吸收。對比分析NQ、NQ漿料近紅外光譜上的吸收峰,建立NQ加料濃度模型,如圖3所示。
圖3 NQ與NQ漿料的原始近紅外光譜Fig.3 Raw NIR spectrum of NQ and NQ slurry
由圖3可知,a是NQ的近紅外光譜,NQ的兩個(gè)主要吸收峰位于6 857~6 426 cm-1和5 119~4 257 cm-1。其中,前者為NQ中N—H的不對稱和對稱拉伸振動的第一泛音區(qū)域;后者為NQ中N—H的拉伸和彎曲振動的組合。圖3中,b為NQ漿料的光譜,其中7 220~6 450 cm-1(峰1#)、5 330~4 665 cm-1(峰2#)和4 665~4 295 cm-1(峰3#)處為3個(gè)主要吸收峰。峰1#與水分子的對稱和不對稱拉伸振動有關(guān);峰2#則與水分子的不對稱拉伸和彎曲振動有關(guān);而峰3#是NQ中N—H的振動組合。由于水具有較強(qiáng)的近紅外吸收性能,且在NQ漿料中占比較大,從而使NQ的化學(xué)特征減弱[13]。但仍可觀察到位于6 857~6 426 cm-1和5 119~4 677 cm-1兩處的光譜間隔。因此,可以對6 857~6 426 cm-1處和5 119~4 257 cm-1處進(jìn)行建模分析。
為提高模型質(zhì)量,在建立NQ加料濃度模型前,需要使用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對NQ漿料樣品的原始近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理[14-15]。表3為不同預(yù)處理方法下的模型性能比較。常用的近紅外光譜預(yù)處理方法包括求導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換[16-17]、多元散射校正、歸一化等。其中,導(dǎo)數(shù)處理后的光譜可有效消除基線和其他背景的干擾;標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換可消除光程變化、表面散射對NIR漫反射光譜的影響;歸一化可校正由微小光程差異引起的光譜變化等。
表3 不同預(yù)處理方法下的模型性能比較Tab.3 Performance comparison of the model under different preprocessing methods
由表3可知:經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)加標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換方法對光譜預(yù)處理后的校正標(biāo)準(zhǔn)偏差最小,為0.206;驗(yàn)證集標(biāo)準(zhǔn)偏差與預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)偏差的比值RPD最大,為14.1。因此,選擇一階導(dǎo)數(shù)加標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換方法對近紅外光譜進(jìn)行預(yù)處理。
圖4是使用預(yù)測集樣本進(jìn)行的外部驗(yàn)證,對所開發(fā)模型的性能進(jìn)行評估,表明近紅外光譜的預(yù)測值與傳統(tǒng)測量值之間具有良好的一致性。通過校正和預(yù)測的決定系數(shù)校正和預(yù)測的均方根誤差(RMSEC、RMSEP)來評估模型預(yù)測的準(zhǔn)確性。由表4可知,校正模型的為0.992 7,預(yù)測模型的為0.987 0,兩者均接近1。校正模型的RMSEC為0.256,預(yù)測模型的RMSEP為0.340,兩者較低,且模型的RPD分別為11.70和8.77。通常情況下,當(dāng)RPD>5時(shí),可認(rèn)為所建立的模型是可靠的。這些結(jié)果表明,近紅外光譜法建立的模型可用于NQ漿料的濃度預(yù)測,且預(yù)測結(jié)果穩(wěn)定可靠。
圖4 NQ加料濃度的校正值與預(yù)測值相關(guān)圖Fig.4 Corrected values and predicted values of NQ feeding concentration
表4 NQ樣品的PLS模型結(jié)果Tab.4 PLS model results of NQ samples
制備20個(gè)加料濃度在建模范圍內(nèi)的NQ漿料樣品,用于進(jìn)一步驗(yàn)證用已建立的近紅外光譜模型測量NQ加料濃度的可行性。在與之前建模分析過程相同的條件下,用近紅外光譜法對每個(gè)樣品進(jìn)行5次光譜采集,以5次測量結(jié)果的平均值作為檢測結(jié)果,如表5所示。近紅外光譜測量值與傳統(tǒng)測量值的平均偏差為0.21%,且每個(gè)樣品的相對偏差均小于0.50%,表明NQ加料濃度的檢測結(jié)果與真實(shí)值很接近,且所建立的加料濃度模型具有較好的重復(fù)性和可靠性,能夠滿足在線測量NQ加料濃度的要求。
表5 近紅外光譜法對NQ加料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檢測結(jié)果Tab.5 Test results of NQ feeding concentration by NIR spectroscopy%
NQ加料流量檢測試驗(yàn)是基于某軍工廠的NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料裝置開展的。試驗(yàn)中,所用的NQ由該軍工廠提供。所需的流量測量儀器如表6所示。
表6 NQ加料流量在線檢測所用儀器Tab.6 Instruments for online detection of NQ feeding flow
圖5為直管型質(zhì)量流量計(jì)的原理。當(dāng)流體流經(jīng)直管型質(zhì)量流量計(jì)時(shí),會在激振器的作用下發(fā)生振動,管中的流體在科氏力的作用下對測量管產(chǎn)生一個(gè)作用力,使得以測量管的中間橫截面的任意兩個(gè)對稱位置處的振動產(chǎn)生相位差。在測量管中心處對稱安裝兩個(gè)拾振器,取兩個(gè)拾振器在測量管受迫振動時(shí)的相位差,即可計(jì)算出流體的質(zhì)量流量計(jì)算公式為
圖5 直管型質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of straight pipe type mass flowmeter
式中:E為測量管的彈性模量;I為測量管的截面慣性矩;ω為測量管振動的圓頻率;f(x)為僅與拾振器位置有關(guān)的參數(shù);β為兩個(gè)拾振器的相位差。
質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)口端的流體介質(zhì)壓力對流量檢測的準(zhǔn)確性有一定的影響[19]。為確定NQ流量檢測過程中最佳的流體壓力范圍,參照圖1,NQ漿料在儲存罐中被混合均勻后,從罐底部放出漿料,打開漿料泵,使NQ漿料經(jīng)直管型質(zhì)量流量計(jì)后輸送至干燥塔,干燥。通過閥門調(diào)節(jié)管道中的流體壓力。待壓力穩(wěn)定后,記錄壓力表對應(yīng)的數(shù)值與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(PLC)上顯示的質(zhì)量流量數(shù)值,并將儀器測量值與實(shí)際流量作對比,確定最佳的NQ進(jìn)料壓力。
在檢測過程中,當(dāng)閥門開到最大時(shí),直管型質(zhì)量流量計(jì)的進(jìn)口端壓力為0.45 MPa。本試驗(yàn)中,分8個(gè)批次進(jìn)行流量檢測試驗(yàn),各批次除管道壓力不同外,其余檢測條件均相同,對應(yīng)進(jìn)口端的壓力分別在0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45 MPa下進(jìn)行,結(jié)果見表7。
表7 不同管道壓力下NQ漿料流量檢測結(jié)果Tab.7 Test results of NQ slurry flow under different pipe pressures
由表7可知,對NQ漿料進(jìn)行流量在線檢測時(shí),當(dāng)管道壓力小于0.40 MPa時(shí),NQ漿料中產(chǎn)生的氣泡影響到直管型質(zhì)量流量計(jì)的檢測精度,使得檢測誤差較大;當(dāng)管道壓力大于0.40 MPa時(shí),流量檢測的相對誤差均小于0.5%,滿足工業(yè)上質(zhì)量流量計(jì)的檢測要求,且在0.40 MPa下流量檢測的誤差為0.37%。所以,可選用直管型質(zhì)量流量計(jì)用于NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng)。為確保系統(tǒng)的精確性、穩(wěn)定性,調(diào)節(jié)管道壓力在0.40~0.45 MPa范圍內(nèi),以減少管道壓力帶來的誤差。
在NQ噴霧干燥連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng)中,NQ漿料經(jīng)直管型質(zhì)量流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)信號與近紅外光譜儀的光譜數(shù)據(jù)信號經(jīng)PLC處理后,可得到NQ漿料的瞬時(shí)質(zhì)量流量Qm與NQ漿料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cm,然后將計(jì)算NQ干量的公式編程到PLC中,利用PLC對Qm、Cm進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析,即可得到此系統(tǒng)中的NQ漿料中NQ的瞬時(shí)干量MS。瞬時(shí)干量計(jì)算公式為
式中:Qm(kg/min)、Cm(%)為實(shí)際測量值。MS為測量的NQ瞬時(shí)干量,kg/min。
再對時(shí)間進(jìn)行積分,可計(jì)算相應(yīng)t時(shí)間段內(nèi)NQ的累計(jì)干量ML(kg),計(jì)算公式為
最后,將計(jì)量結(jié)果顯示于電腦界面上。
為驗(yàn)證NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng)對不同濃度的NQ漿料在線連續(xù)干量計(jì)量的準(zhǔn)確性,對不同濃度的NQ漿料進(jìn)行干量計(jì)量試驗(yàn)。稱取100 kg水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.6%的NQ原料,則其NQ的實(shí)際干量為78.4 kg??刂乒艿缐毫υ?.40~0.45 MPa范圍內(nèi),分6個(gè)批次進(jìn)行干量計(jì)量試驗(yàn),各批次漿料對應(yīng)的NQ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、21%、22%、23%、24%、25%,記錄各批次的檢測干量,并與實(shí)際干量進(jìn)行對比分析,結(jié)果見表8。
表8 不同加料濃度時(shí)NQ漿料的干量計(jì)量結(jié)果Tab.8 Dry mass measurement results of NQ slurry with different feeding concentrations
為驗(yàn)證NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng)在干量計(jì)量過程中的準(zhǔn)確性,稱取200 kg的NQ原材料,配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為22%的NQ漿料,調(diào)節(jié)管道壓力在0.40~0.45 MPa范圍內(nèi),分10個(gè)批次進(jìn)行計(jì)量檢測。各批次經(jīng)t時(shí)間段后,取出計(jì)量系統(tǒng)內(nèi)的NQ漿料,進(jìn)行離心脫水、干燥、稱重,并對干燥后的NQ測定水分含量,即可得到相應(yīng)批次t時(shí)間段計(jì)量系統(tǒng)中NQ的實(shí)際干量;將測定的NQ干量與實(shí)際干量進(jìn)行對比分析。各批次對應(yīng)的時(shí)間段分別為10、20、30、40、50、60、90、120、150、180 min,結(jié)果見表9。
表9 不同時(shí)間段NQ漿料的干量計(jì)量結(jié)果Tab.9 Dry mass measurement results of NQ slurry in different time periods
由表8、表9可知,該試驗(yàn)條件下,通過NQ在線連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)對不同濃度的NQ漿料進(jìn)行在線連續(xù)干量計(jì)量,以及對22%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NQ漿料開始計(jì)量試驗(yàn)后的10個(gè)時(shí)間段內(nèi)的干量計(jì)量結(jié)果進(jìn)行分析,其干量計(jì)量的相對誤差結(jié)果均不大于1.00%,滿足計(jì)量檢測精度的要求。表明所設(shè)計(jì)的NQ在線連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)NQ干量的精確計(jì)量。
綜上,所設(shè)計(jì)的NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng),通過PLC數(shù)據(jù)處理器可實(shí)現(xiàn)對近紅外光譜儀、直管型質(zhì)量流量計(jì)的數(shù)據(jù)信號處理,將處理結(jié)果顯示于電腦界面上。通過一系列試驗(yàn),表明所設(shè)計(jì)的NQ噴霧干燥加料系統(tǒng)能夠在線連續(xù)地實(shí)現(xiàn)NQ漿料濃度、流量以及干量計(jì)量的檢測,可應(yīng)用于NQ噴霧干燥加料工藝。
1)在NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料過程中,以近紅外光譜法快速測定NQ加料濃度。對NQ樣品的原始近紅外光譜進(jìn)行一階導(dǎo)數(shù)加標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換處理?;? 857~6 426 cm-1和5 119~4 257 cm-1兩個(gè)光譜范圍,采用PLS方法建立NQ加料濃度的定量模型,模型預(yù)測偏差RMSEP為0.340,RPD為8.77。用建立好的加料濃度模型對預(yù)測集樣本進(jìn)行濃度預(yù)測,近紅外測量值與傳統(tǒng)測量值的平均偏差為0.21%。表明所建立的模型具有良好的預(yù)測性能,可用于定量分析。
2)針對NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料,選用直管型質(zhì)量流量計(jì)測量NQ漿料的質(zhì)量流量,研究了管道壓力對流量檢測的影響。通過閥門調(diào)節(jié)管道壓力,當(dāng)管道壓力在0.40~0.45 MPa范圍內(nèi),流量檢測誤差小于0.50%,能滿足質(zhì)量流量計(jì)的檢測要求。
3)對NQ噴霧干燥在線連續(xù)計(jì)量加料系統(tǒng)在不同情況下的干量計(jì)量精度進(jìn)行試驗(yàn)研究,6組不同濃度的NQ漿料瞬時(shí)干量計(jì)量誤差以及22%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NQ漿料在10個(gè)時(shí)間段的累計(jì)干量計(jì)量相對誤差均不大于1.00%,表明該NQ噴霧干燥干量在線連續(xù)計(jì)量系統(tǒng)可準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)NQ在線精確干量計(jì)量。