CN111716680B - 聚合物改性装置的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及聚合物改性工艺的安全控制技术领域，公开了一种聚合物改性装置的控制方法。一种聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，所述聚合物改性装置包括挤出单元、驱动单元、加热单元、脱挥单元、控制单元以及警报结构，挤出单元包括机筒以及设置于机筒内部的螺杆，控制方法包括：向机筒内部分别加入原料和塑化剂的步骤；加热单元对机筒内部加热的步骤；驱动单元驱动螺杆转动的步骤；脱挥单元向机筒内部引风进行脱挥的步骤，其中，当脱挥单元的脱挥风量小于预设风量时，控制单元控制警报结构发出警报。在本发明的聚合物改性装置的控制方法中，能够有效预防事故，使得整个聚合物改性工艺过程安全有效。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物改性工艺的安全控制技术领域，具体地涉及在聚合物物理改性过程中控制温度、流量、风速等参数的聚合物改性装置的控制方法。
背景技术
作为聚合物改性装置，常用的有螺杆挤出机，其中最常用的是双螺杆挤出机。双螺杆挤出机一般由传动装置、加料装置、料筒、螺杆组成，与造粒***等配套使用，广泛用于挤出制品的加工成型。上世纪90年代开始，螺杆挤出得到了迅猛发展，将改性和成型过程合为一体，大量应用于聚合物的接枝、交联、嵌段等改性反应。
其中，双螺杆挤出技术可以用于聚乙烯醇热塑加工性能的改性，通过丙三醇、乙二醇、水、与聚乙烯醇有互补结构的聚合物以及其它塑化剂与聚乙烯醇共混挤出进行热塑改性。在加工过程中，往往存在着聚乙烯醇原料的粉尘燃爆风险，加热挤出过程中塑化剂和原料中带有的低沸点成分挥发或分解造成的可燃气体燃爆风险，加热过程中反应热失控风险。目前，尚无研究对此加工过程中存在的风险进行分析，更无***的、有针对性的安全控制技术。
本发明针对聚乙烯醇双螺杆挤出改性技术，提供温度控制、点火能控制、着火温度控制等***的安全控制方案，能够保障该工艺过程的安全平稳长周期运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提供温度控制、点火能控制、着火温度控制等***的安全控制方案，能够保障聚合物改性工艺过程的安全平稳长周期运行。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种聚合物改性装置的控制方法，其中，所述聚合物改性装置包括挤出单元、驱动单元、加热单元、脱挥单元、控制单元以及警报结构，所述挤出单元包括机筒以及设置于所述机筒内部的螺杆，所述控制方法包括：向所述机筒内部分别加入原料和塑化剂的步骤；所述加热单元对所述机筒内部加热的步骤；所述驱动单元驱动所述螺杆转动的步骤；所述脱挥单元向所述机筒内部引风进行脱挥的步骤，其中，当所述脱挥单元的脱挥风量小于预设风量时，所述控制单元控制所述警报结构发出警报。
优选地，所述预设风量Xmin通过以下公式(1)计算获得：
其中，mk为第k种可燃组分的生成速率(g/h)，Mk为第k种可燃组分的分子质量，Nk为第k种可燃组分的***极限。
优选地，当所述脱挥单元的脱挥风量小于所述预设风量Xmin的0.75倍时，所述聚合物改性装置停车。
优选地，在所述脱挥单元向所述机筒内部引风进行脱挥的步骤中，检测所述脱挥单元处的可燃气体浓度，当所述可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值Nmix超过10％时，所述控制单元控制所述警报结构发出警报，其中，所述可燃气体***下限浓度值Nmix通过以下公式(2)计算获得：
其中，mk为第k种可燃组分的生成速率(g/h)，Mk为第k种可燃组分的分子质量，Nk为第k种可燃组分的***极限。
优选地，当所述可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值Nmix超过50％时，所述聚合物改性装置停车。
优选地，在所述加热单元对所述机筒内部加热的步骤中，检测所述机筒内部的温度，当所述检测温度比预设温度大于20℃时，所述控制单元控制所述警报结构发出警报。
优选地，当所述警报时间超过5分钟或者所述检测温度比预设温度大于50℃时，所述控制单元控制所述脱挥单元增大脱挥风量的同时，控制所述加热单元关闭。
优选地，其特征在于，所述预设温度为150℃至230℃。
优选地，所述控制方法还包括在向机筒内部加入原料之前，消除所述原料中的静电的步骤。
优选地，所述静电能量控制在300mJ以下。
在本发明的聚合物改性装置的控制方法中，当脱挥单元的脱挥风量小于预设风量时，控制单元控制警报结构发出警报，以能够及时获取脱挥风量不足信息，从而有效预防事故，避免非计划停车，使得整个聚合物改性工艺过程安全有效。本发明的其他优点将在下面详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的优选实施方式的聚合物改性装置的结构示意图；
图2是本发明提供的优选实施方式的聚合物改性装置的脱挥单元的结构示意图；
图3是本发明提供的优选实施方式的聚合物改性装置的加料斗的结构示意图；
图4是本发明提供的优选实施方式的聚合物改性装置的电路连接示意图。
附图标记说明
11粉料仓 12加料斗
13塑化剂进料罐 14机筒
15螺杆 2脱挥管
21常压脱挥管 22真空脱挥管
23风量仪 31温度检测仪
32温度警报器 41流量计
42流量警报器 5静电消除结构
61磁性吸附件 62磁性过滤件
7引风机 8控制单元
具体实施方式
以下，参照附图，详细说明本发明的优选实施方式如下。另外，在说明本发明时，在判断出针对相关的公知功能或结构的说明可能会不必要地混淆本发明的主旨的情况下，将省略对其的具体说明。
本发明提供一种聚合物改性装置的控制方法。为了充分说明本发明的控制方法的优点，本发明首先说明一种聚合物改性装置的例子(如图1至图3所示)，然后再说明本发明的控制方法。但本发明的控制方法可以应用于上述例子之外的聚合物改性装置中。
所述聚合物改性装置包括挤出单元、驱动单元、加热单元、脱挥单元、控制单元以及警报结构。
挤出单元是聚合物改性装置的核心结构，用于挤出成型目标产物(聚合物)。挤出单元包括粉料仓11、加料斗12、塑化剂进料罐13、机筒14以及螺杆15。粉料仓11与加料斗12连接，持续向加料斗12提供原料。加料斗12和塑化剂进料罐13分别与机筒14连接，以向所述机筒14内部分别加入要改性的原料(例如，聚乙烯醇粉料)和塑化剂。机筒14内部设置有螺杆15，用于搅动机筒14内的反应物料(原料和塑化剂的熔融混合物)。另外，沿着物料移动方向，机筒14内部可以大体分为加料段、熔融共混段以及挤出段，在加料段物料，原料和塑化剂分别被加入，在熔融共混段，原料和塑化剂彼此混合熔融，在挤出段，挤出成型目标产物。
加热单元是用于对机筒14加热的结构，可以是设置于机筒14下方的锅炉结构，从而对机筒14进行加热，但更优选地，加热单元是设置在机筒14外壁上的电加热结构。本发明对加热单元的具体结构不做具体限制，只要能够对机筒14内部提供热量，满足聚合物改性工艺的温度条件即可。
驱动单元作为驱动螺杆15转动的结构，优选为电机，但不限于此。
脱挥单元用于去除反应物料中的低沸点成分。在聚合物改性工艺中，存在一些低沸点成分，如果不及时脱除，浓度过高，则会成为燃爆物质，引发***事故。为了对反应物料中的低沸点成分进行脱挥操作，脱挥单元包括设置在螺杆15附近的脱挥管2和与脱挥管2连接的引风机7，通过脱挥管2和引风机7，抽取机筒14内部的空气，以脱除反应物料中的低沸点成分。在本发明中，低沸点成分为如水、甲醇和醋酸甲酯等，但不同工艺有所不同。
控制单元8分别与加热单元、驱动单元、引风机、风量仪、可燃气体检测仪、温度检测仪、流量计以及警报结构电性连接。也即是说，所有电控的结构均可以与控制单元8连接并由控制单元8所控制。
警报结构可以是一个，也可以是多个，例如，针对温度参数和流量参数可以分别设置单独的温度警报器32和流量警报器42。警报结构可以通过声音、光或其他途径提供危险信息，并且警报结构为多个时，彼此之间可以采用相同或不同的警报模式，对此本发明不做特殊限制。
针对聚合物改性装置中存在的多种安全隐患，例如，热挤出过程中塑化剂和原料中带有的低沸点成分挥发或分解造成的可燃气体燃爆风险、加热过程中反应热失控风险、塑化剂含量过低导致的成品率下降、原料粉尘的燃爆风险等，本发明提供了如下控制方法。
本发明的聚合物改性装置的控制方法包括如下步骤：
1、向机筒内部分别加入原料和塑化剂；
2、加热单元对所述机筒内部加热；
3、驱动单元驱动螺杆转动；
4、脱挥单元向机筒内部引风进行脱挥。
在上述脱挥单元的脱挥过程中，脱挥单元(具体由引风机7提供脱挥风量)的脱挥风量大小非常重要，如果上述脱挥风量太小，则无法及时去除低沸点成分，低沸点成分含量升高，在高温环境下很可能会引发***事故。为此，在本发明中，在脱挥管2处设置有风量仪23，用于检测脱挥单元的脱挥风量。在此基础上，当脱挥单元的脱挥风量小于预设风量时，控制单元8控制警报结构发出警报，获得警报时，可以及时采取措施，以防止安全事故的发生。
更具体地，上述脱挥风量应大于可燃气体***下限所对应的风量，越是接近可燃气体***下限所对应的风量，可燃气体***的可能性越高，为了确保可燃气体不发生***，优选地，脱挥单元的最小风量优选设定为可燃气体***下限所对应的风量的两倍(以下，又称为预设风量Xmin)以上，所述最小风量Xmin可以通过以下公式(1)计算获得：
其中，mk为第k种可燃组分的生成速率(g/h)，Mk为第k种可燃组分的分子质量，Nk为第k种可燃组分的***极限。
当风量仪23的检测值小于预设风量Xmin时，可以通过警报结构(将在下面详细说明)发出警报，当风量仪23的检测值小于预设风量的0.75倍时，可以使聚合物改性装置停车，从而避免安全事故的发生。当然，上述控制条件仅为优选实施方式，可以根据实际工况进行调节，本发明不限定于。
在本发明中，通过脱挥管2处设置的风量仪23，能够检测实际脱挥风量，从而能够及时获取脱挥风量信息，基于该信息，可以有效预防事故，避免非计划停车，使得整个聚合物改性工艺过程安全有效。
在本发明中，除了通过脱挥风量来判断安全隐患之外，还可以通过直接检测可燃气体浓度来判断聚合物改性装置的安全性。即，优选地，在所述脱挥单元向所述机筒内部引风进行脱挥的步骤中，检测所述脱挥单元处的可燃气体浓度。具体通过在脱挥管2处设置可燃气体检测仪来检测脱挥管2处的可燃气体浓度。根据可燃气体检测仪的检测值，判断可燃气体浓度是否在安全值范围，如果为危险值，则可以采取一些防范措施。
具体地，可燃气体浓度应小于可燃气体***下限浓度值Nmix，可燃气体***下限浓度值Nmix通过以下公式(2)计算获得：
其中，mk为第k种可燃组分的生成速率(g/h)，Mk为第k种可燃组分的分子质量，Nk为第k种可燃组分的***极限。
当可燃气体检测仪的检测到的可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值Nmix超过10％时，可以通过警报结构(将在下面详细说明)发出警报，当可燃气体检测仪的检测到的可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值Nmix超过50％时，所述聚合物改性装置可以停车处理，由此能够有效预防***事故的发生。当然，上述控制条件仅为优选实施方式，可以根据实际工况进行调节，本发明不限定于。
在本发明中，为了提高脱挥效率，脱挥管2可以设置有多个，多个脱挥管2，多个脱挥管2并联连接于引风机7。多个脱挥管2优选设置在机筒14内的熔融共混段上，且多个脱挥管2等距间隔设置。另外，脱挥过程可以在常压状态下进行，但在聚乙烯醇的改性工艺中，反应物质为胶液状，对其进行脱挥的过程中，随着甲醇的不断脱除，胶液黏度越来越大，挥发分脱除时，需要克服更大的来自于胶液的吸附力。针对于此，多个脱挥管可以包括常压脱挥管21和/或真空脱挥管22，在本发明中，优选地，如图2所示，沿物料移动方向(在图2中为从右到左)上依次设置有常压脱挥管21和真空脱挥管22，由此对反应物质进行常压脱挥和真空脱挥，大大提高了脱挥效率。其中，常压脱挥管21的形状为漏斗状，以大面积常压脱挥，真空脱挥管22的形状为直筒状。以集中进行真空脱挥。在物料的移动方向上结合布置常压脱挥管21和真空脱挥管22，能够对反应物料进行两次脱挥，而且第二次脱挥为真空脱挥，可大大降低低沸点成分的含量，大幅减少消除***隐患。
另外，脱挥过程不仅与脱挥风量有关，温度也是影响脱挥过程的主要因素。从而优选地，在所述加热单元对所述机筒内部加热的步骤中，检测所述机筒内部的温度。具体实现方法为：如图1所示，机筒14内部沿物料移动方向可以间隔设置有多个温度检测仪31，用于检测机筒内的温度。
根据反应过程的温度特性，机筒内部沿物料移动方向又可以分为升温段、恒温段以及保温段，在每个温度段上均设置温度检测仪31，以全面检测聚合物改性装置的反应温度。由于反应温度高于工艺温度上限值时，不仅目标产物的成品率会下降，且脱挥效率也会下降。考虑到这些，当温度检测仪31的检测值比预设温度(工艺温度上限值)大于20℃时，可以通过警报结构(将在下面详细说明)发出警报，当警报时间超过5分钟或者温度检测仪31的检测值比预设温度大于50℃时，可以关闭所述加热单元，从而停止对反应物料的加热，同时增大引风机的脱挥风量，切断热源的同时，通过脱挥风来降热。
在本发明的聚合物改性装置中，上述预设温度优选为150℃至230℃之间，更优选为180℃至210℃之间，但本发明不限于此，根据塑化剂成分和原料性质来决定上述反应温度。
除了物料的反应温度之外，塑化剂的加入量也是关系到目标产物的成品率的因素，其应保持在一定值以上。加入塑化剂的目的是降低物料的熔融温度。如果塑化剂流量过低，导致本应该是液态的物料变成硬度较高的物料,在运作过程中会损坏设备导致停车。为了避免这种现象的发生，塑化剂进料罐13上设置有流量计41，该流量计41用于检测塑化剂的流量，当流量计41的检测值低于联锁值10％时，可以通过警报结构(将在下面详细说明)发出警报的同时，可以切断电源，使聚合物改性装置停车。上述联锁值可以根据塑化剂成分和原料性质来决定。
另外，在粉料仓内的粉料中会存在静电，为了防止发生静电火花，所述控制方法还包括在向机筒内部加入原料之前，消除所述原料中的静电的步骤。具体实现方法为：在粉料仓11的料仓口处或外部设置有静电消除结构5。当粉料仓11的料仓口处设置静电消除结构5时，静电消除结构5可以是静电消除棒，但作为更优选的实施方式，静电消除结构5为设置于粉料仓11的外部的离子风静电消除器，离子风静电消除器的消除静电效果非常优异。静电消除结构可与粉料表面积累的电荷快速中和，消除和减少料仓部分的静电危害。其中，需要注意的是，当消除静电的静电能量过高时，可能会点燃粉料，从而造成原料的损失和污染，为了防止粉料点燃，静电能量优选控制在300mJ以下。
另外，如图1所示，加料斗12的形状为漏斗形，其材料优选采用不锈钢材料。并且，加料斗12可以包括上料部和下料部，本发明为了防止金属杂物随原料一起进入机筒14内部而造成螺杆13损坏，上料部的内壁上设置有磁性吸附件61，该磁性吸附件61优选为钕铁硼磁铁片。进一步优选地，还可以在下料部中设置有磁性过滤件62，该磁性过滤件62优选为磁力架。从上至下设置两级金属去除结构，可以去除原料中的绝大部分金属。
如图4所示，作为本发明的优选实施方式的聚合物改性装置的控制方法，控制单元的控制过程如下：当风量仪的检测值小于预设风量时，使警报结构发出警报，当风量仪的检测值小于预设风量的0.75倍时，使聚合物改性装置停车；当可燃气体检测仪检测的可燃气体浓度比可燃气体***下限浓度值Nmix超过10％时，使警报结构发出警报，当可燃气体检测仪的检测到的可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值Nmix超过50％时，使聚合物改性装置停车；当温度检测仪的检测值比预设温度大于20℃时，使警报结构发出警报，当警报时间超过5分钟或者温度检测仪的检测值比预设温度大于50℃时，关闭加热单元，同时增大引风机的脱挥风量。
以下，通过实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明并不仅限于下述实施例。
实施例1
聚合物改性装置包括挤出单元、加热单元、驱动单元、脱挥单元、控制单元以及警报结构。挤出单元包括粉料仓11、加料斗12、塑化剂进料罐13、机筒14以及螺杆15，在所述塑化剂进料罐13上设置有流量计41和流量警报器42；加热单元对机筒加热；驱动单元为电机，电机的输出轴与螺杆15连接；脱挥单元包括沿物料移动方向依次布置的常压脱挥管21和真空脱挥管22以及与常压脱挥管21和真空脱挥管22连接的引风机7；控制单元分别与挤出单元、加热单元、驱动单元、脱挥单元的所有电控结构以及流量计41和流量警报器42电连接。
当聚乙烯醇原料中甲醇含量占0.9％，醋酸甲酯占0.4％，水占1.2％时，甲醇的***下限为5.9％，醋酸甲酯的***下限为2.8％，单位时间聚乙烯醇原料的处理量为100kg/h，常压脱除60％的低沸点气体，真空脱除40％的低沸点气体。则常压脱挥风量需要大于7.08m3/h，真空脱挥风量需要大于4.72m3/h。
当常压脱挥风量降至7.08m3/h以下或真空脱挥风量降至4.72m3/h以下时，警报结构发出报警，继续降低至5.31m3/h和3.54m3/h以下时，立刻调节引风机风量至报警值以上。如引风机故障，立刻停止螺杆挤出机进料，降低温度。
实施例2
聚合物改性装置包括挤出单元、加热单元、驱动单元、脱挥单元、控制单元以及报警结构。挤出单元包括粉料仓11、加料斗12、塑化剂进料罐13、机筒14以及螺杆15，在所述机筒14内部沿物料移动方向均匀间隔设置有多个温度检测仪31和温度警报器32；加热单元对机筒加热；驱动单元为电机，电机的输出轴与螺杆15连接；脱挥单元包括沿物料移动方向依次布置的常压脱挥管21和真空脱挥管22以及与常压脱挥管21和真空脱挥管22连接的引风机7；控制单元分别与挤出单元、加热单元、驱动单元、脱挥单元的所有电控结构以及多个温度检测仪31和温度警报器32电连接。
在此基础上，预设温度(工艺温度上限值)设定为180℃。
当温度检测仪31显示为200℃时，温度警报器32发出警报，当温度警报器32报警时间超过5分钟或者温度检测仪31显示为230℃时，增大引风机的脱挥风量的同时，关闭加热单元。
在本发明的聚合物改性装置的控制方法中，综合控制脱挥风量、可燃气体浓度、反应温度、塑化剂流量等参数，可以有效预防事故，避免非计划停车，使得整个聚合物改性工艺过程安全有效。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，所述聚合物改性装置包括挤出单元、驱动单元、加热单元、脱挥单元、控制单元以及警报结构，所述挤出单元包括机筒以及设置于所述机筒内部的螺杆，所述控制方法包括：
向所述机筒内部分别加入原料和塑化剂的步骤；
所述加热单元对所述机筒内部加热的步骤；
在所述加热单元对所述机筒内部加热的步骤中，检测所述机筒内部的温度，当该检测温度比预设温度大于20℃时，所述控制单元控制所述警报结构发出警报，所述驱动单元驱动所述螺杆转动的步骤；
所述脱挥单元向所述机筒内部引风进行脱挥的步骤，
其中，当所述脱挥单元的脱挥风量小于预设风量时，所述控制单元控制所述警报结构发出警报；所述脱挥单元包括沿物料移动方向依次布置的常压脱挥管和真空脱挥管；
所述预设风量(Xmin)通过以下公式(1)计算获得：
其中，mk为第k种可燃组分的生成速率(g/h)，Mk为第k种可燃组分的分子质量，Nk为第k种可燃组分的***极限；
另外，在所述脱挥单元向所述机筒内部引风进行脱挥的步骤中，检测所述脱挥单元处的可燃气体浓度，当所述可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值(Nmix)超过10％时，所述控制单元控制所述警报结构发出警报，
其中，所述可燃气体***下限浓度值(Nmix)通过以下公式(2)计算获得：
其中，mk为第k种可燃组分的生成速率(g/h)，Mk为第k种可燃组分的分子质量，Nk为第k种可燃组分的***极限。
2.根据权利要求1所述的聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，当所述脱挥单元的脱挥风量小于所述预设风量(Xmin)的0.75倍时，所述聚合物改性装置停车。
3.根据权利要求1所述的聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，当所述可燃气体浓度值比可燃气体***下限浓度值(Nmix)超过50％时，所述聚合物改性装置停车。
4.根据权利要求1所述的聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，当所述警报时间超过5分钟或者所述检测温度比预设温度大于50℃时，所述控制单元控制所述脱挥单元增大脱挥风量的同时，控制所述加热单元关闭。
5.根据权利要求1或4所述的聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，所述预设温度为150℃至230℃。
6.根据权利要求1所述的聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括在向机筒内部加入原料之前，消除所述原料中的静电的步骤。
7.根据权利要求6所述的聚合物改性装置的控制方法，其特征在于，所述静电能量控制在300mJ以下。
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