連續(xù)化生產(chǎn)工藝中配料方法的研究與應(yīng)用
摘要：本文對(duì)間歇式配料工藝和連續(xù)配料工藝在不同的生產(chǎn)方式中的應(yīng)用進(jìn)行了定性分析，并針對(duì)某些生產(chǎn)過(guò)程中的配料方法列舉了幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例。
關(guān)鍵詞：配料 混合 間歇式配料 連續(xù)式配料 隨動(dòng)配料 稱重
1 引言
在化工、醫(yī)藥、冶金、建材、糧食、飼料等行業(yè)中，許多生產(chǎn)過(guò)程都有配料工藝的存在。原料配料工藝是一個(gè)非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，配料的準(zhǔn)確、混合的均勻、工作的穩(wěn)定是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的先決條件，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)品的定位有很大的影響。傳統(tǒng)的配料方式大都采用手工方式。隨著工業(yè)化的進(jìn)程加快，生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度的提高和生產(chǎn)規(guī)模的增大，這種手工方式逐步被淘汰。更為重要的一個(gè)原因就是為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須克服人為因素造成的操作誤差。因此在連續(xù)化生產(chǎn)過(guò)程中，由計(jì)算機(jī)稱重系統(tǒng)構(gòu)成的配料系統(tǒng)有了非常廣泛和成功的應(yīng)用。
配料工藝實(shí)質(zhì)上是有兩部分組成：配料過(guò)程和混合過(guò)程。因此衡量一個(gè)完整的配料工藝效果的如何，不僅僅取決于一個(gè)方面，應(yīng)該是兩個(gè)方面的綜合效果。
連續(xù)化生產(chǎn)工藝中自動(dòng)配料方法有兩種方式，間歇批量配料方式和在線連續(xù)化配料方式。這兩種方式各有特點(diǎn)，適用于不同的生產(chǎn)工藝中。
2 連續(xù)化生產(chǎn)工藝中間歇式批量配料方法及其特點(diǎn)
目前國(guó)際上流行的或者說(shuō)工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的都是間歇式批量配料方法。這種方法是將各種不同成分的物料，采用靜態(tài)稱重容器單獨(dú)的分別稱量，分時(shí)送入一個(gè)混合容器中采用機(jī)械攪拌方式進(jìn)行一定時(shí)間的均化混合。所以這種方法也稱為階梯時(shí)差配料工藝。因?yàn)檫@種方法是采用靜態(tài)稱重，是非連續(xù)的。在稱重期間被稱物料和承載容器之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以其稱量精度能達(dá)到比較高的水平，這就是間歇式配料的最大優(yōu)點(diǎn)。但配料工藝性能如何，是由配比和混合兩個(gè)因素決定的。配比精確只解決了其中的一個(gè)問(wèn)題，在混合和其他方面，間歇配料仍有不足之處：
a． 配料工藝中的儲(chǔ)存、稱重、混合的容量是整個(gè)生產(chǎn)線的瓶頸；
b．生產(chǎn)工藝不連續(xù)，容易造成批次誤差，批次的均一性不是很好；
c．混合時(shí)間比較長(zhǎng)，生產(chǎn)效率比較低；
d．在幾種固態(tài)物料的配比中，若物料的比重、料徑不一致的情況下，需要尋找一個(gè)適宜的混合時(shí)間以確保其均勻度。否則時(shí)間越長(zhǎng)，越容易產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，尤其是在后續(xù)工藝是氣力輸送的情況下，分層離析現(xiàn)象更為明顯；
ｅ．在多種固態(tài)物料的混配中，幾種物料的比例相差不大時(shí)，還比較容易混合均勻；若幾種物料的比例相差懸殊時(shí)（例：甲物料是乙物料的萬(wàn)分之幾），就可能無(wú)法達(dá)到混合均勻或要達(dá)到混合均勻就必須加大混合時(shí)間；
ｆ．在液固相物料配料過(guò)程中，若液相比例不是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固相比例時(shí)，更無(wú)法達(dá)到混合均勻；
ｇ．尤其是不適用于具有快速化學(xué)反應(yīng)特性的固態(tài)物料的配料，因?yàn)槲锪鲜欠謺r(shí)進(jìn)入混合機(jī)中，在兩種物料的界面和非界面處，反應(yīng)效果不一致；
ｈ．使用費(fèi)用高（基建和設(shè)備費(fèi)用都比較高）；
ｉ．運(yùn)行費(fèi)用高，由于此系統(tǒng)構(gòu)成比較龐大，相關(guān)輔助設(shè)備和輸送設(shè)備比較多，動(dòng)力消耗大，維護(hù)費(fèi)用高，造成生產(chǎn)成本高。
3 在線連續(xù)化配料方法
在20世紀(jì)50年代，美國(guó)和德國(guó)曾經(jīng)在連續(xù)化配料工藝上做了很多工作，但由于當(dāng)時(shí)傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)沒有達(dá)到目前的水平，在配料過(guò)程中，配料速度和精度有時(shí)很難控制，達(dá)不到要求，所以這種配料的方式應(yīng)用很少，只有在配料精度要求相對(duì)比較低，生產(chǎn)量相對(duì)比較大，配方品種相對(duì)比較少的場(chǎng)合下，有少量的應(yīng)用。20世紀(jì)60年代以后，隨著社會(huì)需求的改變，生產(chǎn)量比較少的，但更為精確的配料要求，使這種連續(xù)配料稱重系統(tǒng)被間歇式稱重配料系統(tǒng)逐步取代了。
雖然目前各種形式的間歇配料方式在配料工藝中占了統(tǒng)治地位。但從許多生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，它并不是很合理和又不是很經(jīng)濟(jì)的，尤其是在生產(chǎn)規(guī)模比較大的工廠，上述的不足尤為明顯。因?yàn)殚g歇配料系統(tǒng)無(wú)法做得很龐大，尤其是混合系統(tǒng)受空間、動(dòng)力、形狀、結(jié)構(gòu)等因素影響，更無(wú)法做得很大，所以有時(shí)會(huì)采用幾套比較小的間歇式配料系統(tǒng)來(lái)滿足一條生產(chǎn)線生產(chǎn)不同產(chǎn)品的需求，這就給其他的配料方法的研發(fā)提供了機(jī)遇。而近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，國(guó)外的許多公司都在連續(xù)化配料方法上做了大量的研發(fā)工作。
連續(xù)化配料方法具有工作效率高，混合設(shè)備容量、體積比較小，混合效果好，配料均一性比較高，投資比較小，運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)。在散狀物料處理的大工業(yè)中，使用的越來(lái)越多。這種配料工藝也有幾種不同的方法。
3．1 定量控制的配料工藝（圖1）
采用多臺(tái)流量控制器并聯(lián)使用。流量控制器本身是由流量檢測(cè)單元、流量計(jì)算單元和流量控制單元組成的一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)執(zhí)行回路。每臺(tái)流量控制器根據(jù)工藝設(shè)定流量，自動(dòng)控制其瞬時(shí)流量。多臺(tái)流量控制器同時(shí)工作，控制各自物料以一個(gè)恒定的流量和流速進(jìn)入一個(gè)連續(xù)式混合機(jī)械中，進(jìn)行邊混合邊輸送，從而達(dá)到物料配比目的。這種方法比較適合于幾種物料比例比較接近，物料流量相差不大的生產(chǎn)工藝中。其混合系統(tǒng)體積比較小，同時(shí)具有輸送功能。
3．2 隨動(dòng)比例配料工藝（圖2）
隨動(dòng)配料工藝采用一臺(tái)流量檢測(cè)器和多臺(tái)流量控制器構(gòu)成。在有些工業(yè)生產(chǎn)中，某些物料流量是在自然狀態(tài)下的時(shí)變系統(tǒng)，受許多外界因素影響，是無(wú)法定量控制的。隨動(dòng)配料工藝是用流量檢測(cè)器對(duì)具有時(shí)變特性的物料流量在線進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，并做為主流量，其它可控制的流量做為輔流量。主流量控制器將時(shí)變流量信號(hào)通過(guò)特定接口同時(shí)傳輸?shù)蕉嗯_(tái)輔流量控制器上，每臺(tái)輔流量控制器根據(jù)瞬時(shí)主流量和設(shè)定的配比參數(shù)計(jì)算出此種物料的當(dāng)前瞬時(shí)投入量，并控制其伺服投加系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)投加。主輔多種物料以一個(gè)恒定的比例進(jìn)入一個(gè)連續(xù)式混合機(jī)械中進(jìn)行邊混合邊輸送，構(gòu)成隨動(dòng)投加系統(tǒng)。
這種方法比較適用于幾種物料比例相差比較懸殊的配比工藝，同時(shí)某個(gè)流量又無(wú)法進(jìn)行定量控制的時(shí)變系統(tǒng)中。
3．3 定量—比例配料方法（圖3）
這種方法和第二種方法相似，但主流量是采用一臺(tái)流量控制器而非流量檢測(cè)器，此流量控制器的主流量無(wú)需工藝人員設(shè)定，而是主控制器采用模糊控制理論通過(guò)多參量傳感器組進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)工藝變化情況完成自動(dòng)設(shè)定。輔流量控制器根據(jù)主流量控制器的瞬時(shí)流量和配比參數(shù)，自動(dòng)控制伺服系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)投加到輸送混合機(jī)中。
這種方法與第二種方法適用范圍基本一致，但控制精度要高得多，同時(shí)成本也比較高，僅在一些特定的、要求非常高的工業(yè)生產(chǎn)中有應(yīng)用。
4 連續(xù)式流量檢測(cè)方法和連續(xù)式混合方法
連續(xù)式流量檢測(cè)，實(shí)質(zhì)上是檢測(cè)輸送過(guò)程中物料的瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間的積分。這種稱量方法實(shí)質(zhì)上是“衡器”的概念在連續(xù)稱重技術(shù)中被擴(kuò)展了。
4．1 連續(xù)物料流量測(cè)量方法
4．1．1 皮帶稱
皮帶稱是一種很好的連續(xù)式測(cè)量固態(tài)散狀物料的設(shè)備，其精度比較高，應(yīng)用很方便。其弱點(diǎn)是開放式，粉塵泄露比較嚴(yán)重；粉塵的附著、皮帶的張緊度、皮帶的平整度，對(duì)其測(cè)量精度影響比較大；維護(hù)工作量比較大。
4．1．2 沖板流量計(jì)
沖板流量計(jì)是發(fā)源于20世紀(jì)70年代的一種新的連續(xù)式測(cè)量方法。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)動(dòng)力（依靠物料的重力作用），密封性好，維護(hù)工作量小。其缺點(diǎn)是對(duì)使用環(huán)境要求比較苛刻。物料的來(lái)料高度和角度，環(huán)境振動(dòng)，流量計(jì)出口風(fēng)力對(duì)其測(cè)量精度都有比較大的影響。
4．1．3 螺旋輸送配料秤
螺旋輸送配料秤實(shí)際上是一種懸掛式螺旋稱重器，它是皮帶稱演化而來(lái)的。其密封性比較好，工作比較平穩(wěn)；但精度沒有皮帶秤高，粉塵附著、環(huán)境振動(dòng)、來(lái)料高度和角度對(duì)其測(cè)量精度影響比較大，特別不適用于小流量測(cè)量。
4．1．4 差分配料秤（或稱失重秤）
這種方法具有前幾種方法無(wú)法比擬的測(cè)量精度，它是以靜態(tài)方式測(cè)量物料重量，動(dòng)態(tài)方式輸送的一種配料稱。但其成本比較高。
4．2 連續(xù)式配料系統(tǒng)的混合方式
4．2．1 機(jī)械式混合
機(jī)械式連續(xù)混合方法很多，有螺旋混合機(jī)、螺帶混合機(jī)、漿葉混合機(jī)、犁刀混合機(jī)等，還有將多種方式綜合在一體的混合機(jī)械。
4．2．2 旋轉(zhuǎn)混合
采用多方向旋轉(zhuǎn)的密封容器進(jìn)行混合。
4．2．3 振動(dòng)混合
采用振動(dòng)原理進(jìn)行混合
4．2．4 離心混合
采用離心原理，根據(jù)不同的物料用不同的離心速度，邊旋轉(zhuǎn)邊混合。
4．2．5 氣流混合
這種方式通常用于固液相物料配料的包覆工藝、霧化工藝、催化工藝中。
根據(jù)不同工藝要求采用不同的混合方法，許多工業(yè)應(yīng)用中同時(shí)采用兩種或多種混合方式進(jìn)行多級(jí)混合以達(dá)到混合均勻的效果。
5 連續(xù)式配料工藝在工業(yè)中的應(yīng)用
天津市大澤科技法發(fā)展有限公司是一個(gè)專業(yè)化的流體控制工程公司，主要從事固態(tài)粉狀物料、顆粒物料、液態(tài)物料在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的在線流量檢測(cè)及控制方法的研究及相關(guān)機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)。下面就我們近年來(lái)在實(shí)際應(yīng)用中的一些實(shí)例做一下介紹和說(shuō)明。
5．1 定量控制連續(xù)式配料
a.在面粉生產(chǎn)線的配麥工藝
在許多生產(chǎn)專用高品質(zhì)、高等級(jí)的面粉廠中，根據(jù)所生產(chǎn)的面粉品質(zhì)和用途的不同，需要使用不同的原料。為了合理使用小麥，用不同類型的小麥混合加工出符合要求的面粉，在配麥工藝上我們采用多臺(tái)“DZ-MP型質(zhì)量流量控制器”在一條輸送螺旋上一字排開，每臺(tái)流量控制器根據(jù)工藝人員的設(shè)定流量，自動(dòng)控制其瞬時(shí)流量進(jìn)入螺旋混合機(jī)中，邊輸送邊混合。構(gòu)成了一個(gè)完整的定量控制的連續(xù)式配料系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中若出現(xiàn)某一臺(tái)無(wú)料或堵塞等工藝故障和設(shè)備本身的機(jī)械故障，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)控制系統(tǒng)中的其他質(zhì)量流量控制器同時(shí)關(guān)機(jī)，停止配料。這種方法的應(yīng)用已成功地在國(guó)內(nèi)200多條小麥加工生產(chǎn)線中使用。
b.在精制米廠的配米工藝
在許多生產(chǎn)小包裝精制大米的工廠中，需要根據(jù)原料大米的品質(zhì)和市場(chǎng)的需求進(jìn)行配米。其工作原理和模式與小麥搭配工藝是很相似的，混合部分采用皮帶輸送機(jī)和旋轉(zhuǎn)離心混合機(jī)，已成功地應(yīng)用在國(guó)內(nèi)近100條大米生產(chǎn)線中。
5．2隨動(dòng)配料工藝
a.在面粉生產(chǎn)中有時(shí)需要投加各種微量元素或食品添加劑到面粉中，投加量的比例是面粉的千分之幾至萬(wàn)分之幾，這是一種典型的小比例大流量配料工藝。采用間歇式配料方式，混合的均勻度的指標(biāo)變異系數(shù)CV%大多超過(guò)了中國(guó)“公眾營(yíng)養(yǎng)與發(fā)展中心”規(guī)定的要求CV%<10%的標(biāo)準(zhǔn)（經(jīng)武漢工業(yè)學(xué)院和國(guó)家飼料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)定），最大的能夠達(dá)到47%。另一方面，采用這種方式進(jìn)行微量元素的投加也是很不經(jīng)濟(jì)的和效率比較低的。因此目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)面粉廠在生產(chǎn)中不采用這種辦法，而是采用在生產(chǎn)線的集粉螺旋輸送機(jī)上放置若干臺(tái)微量干粉投加機(jī)，進(jìn)行定量投加。這實(shí)際上是一種比較原始的連續(xù)配料方式。由于面粉生產(chǎn)過(guò)程中受到諸多因素影響，使面粉流量并不是完全恒定的，而干粉投加機(jī)卻是定量的投加，這樣就會(huì)造成配料比例或稱為投加比例產(chǎn)生波動(dòng)性的變化，造成投加過(guò)量或欠量。我們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)難題，專門開發(fā)了DZTC隨動(dòng)投加系統(tǒng)，使微量元素的投加量隨著面粉流量變化而變化，有效地解決面粉生產(chǎn)中的這個(gè)問(wèn)題，并已成功地在國(guó)內(nèi)100多條面粉生產(chǎn)線中應(yīng)用。此系統(tǒng)已通過(guò)國(guó)家“公眾營(yíng)養(yǎng)與發(fā)展中心”和“中國(guó)糧油學(xué)會(huì)”的專家鑒定，做為生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化面粉的推廣產(chǎn)品，其變異系數(shù)CV%經(jīng)武漢工業(yè)學(xué)院測(cè)試在4.3%-7.8%之間。在面粉生產(chǎn)中采用這種隨動(dòng)技術(shù)進(jìn)行配料，在全球是唯一的。
b.在膨化硝酸銨炸藥連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用
天津市大澤科技發(fā)展有限公司受南京理工大學(xué)委托，采用沖板流量計(jì)、差分配料稱、精密定量螺旋輸送機(jī)、高精密計(jì)量泵，根據(jù)隨動(dòng)控制原理、應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，開發(fā)研制的“隨動(dòng)定量配料系統(tǒng)”在青海海西東諾化工有限公司取得了極大的成功，并通過(guò)了“青海省經(jīng)委”和“國(guó)防科工委民爆服務(wù)中心”的鑒定，被認(rèn)為“該系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)和集成在粉狀工業(yè)炸藥領(lǐng)域居國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先水平”。
c.在建筑材料方面的應(yīng)用
天津市大澤科技發(fā)展有限公司為天津市新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)某公司設(shè)計(jì)開發(fā)的全自動(dòng)粉體制備系統(tǒng)，其整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程是連續(xù)的。各種配料的投加采用隨動(dòng)控制方式完成，混合部分由自行設(shè)計(jì)的微混機(jī)完成，它利用顆粒流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中互相交換位置獲得均勻的方法來(lái)達(dá)到混合均勻的目的。目前該系統(tǒng)配比準(zhǔn)確一致、混合均勻、質(zhì)量穩(wěn)定。生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品主要用于國(guó)防工業(yè)，年產(chǎn)量已逾萬(wàn)噸。
d.在農(nóng)業(yè)化肥生產(chǎn)中的應(yīng)用
某種高效的肥料，在國(guó)外已開始應(yīng)用，在我國(guó)是首次生產(chǎn)。其成分比較復(fù)雜，需經(jīng)過(guò)多到配料工藝。天津市大澤科技發(fā)展有限公司采用連續(xù)配料和間歇配料技術(shù)在前后不同工藝中組合應(yīng)用，為某外資企業(yè)研制成功配料生產(chǎn)線的全部生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)。此生產(chǎn)線已投入正常生產(chǎn)。
f.在水處理行業(yè)中的應(yīng)用
在污水處理廠中，污泥脫水工藝和中水處理工藝都需要投加絮凝劑。在污泥脫水中的絮凝劑是聚丙烯酰胺，這是一種高分子固態(tài)絮凝劑，它投入污泥前必須先溶解一段時(shí)間（俗稱熟化時(shí)間），但這種物料熟化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又會(huì)水解，投入水中后效果極差。天津市大澤科技發(fā)展有限公司開發(fā)出“連續(xù)式隨動(dòng)投藥溶解投加系統(tǒng)”，此產(chǎn)品第一級(jí)采用隨動(dòng)配料技術(shù)，聚丙烯酰胺與水溶液以恒定比例混合后采用連續(xù)式熟化混合機(jī)構(gòu)進(jìn)行混合，最后投加部分根據(jù)污泥流量進(jìn)行隨動(dòng)投加。這種方式既節(jié)約了絮凝劑的使用量，又使整個(gè)設(shè)備的體積大為減小。此系統(tǒng)已成功地應(yīng)用在秦皇島污水處理廠。
隨著社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，工業(yè)化水平進(jìn)一步提高，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步規(guī)范，特別是中國(guó)加入WTO以后，各個(gè)行業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。但目前我國(guó)很多工業(yè)生產(chǎn)中配料方法大都仍沿用國(guó)外20世紀(jì)90年代初的技術(shù)和方法。隨著企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，現(xiàn)有的這些方法有些已不能適應(yīng)現(xiàn)在的生產(chǎn)需要。這就要求我們進(jìn)一步努力，設(shè)計(jì)開發(fā)出適合不同規(guī)模、產(chǎn)品定位不同的各種高性能價(jià)格比的專用配料設(shè)備，以幫助企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
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