離心機在聚酯裝置的應用
一、引言
我公司國產化的聚酯（PET）裝置由中國紡織工業設計院設計，采用國內開發的以醋酸銻為催化劑、二氧化鈦（TiO2 ）為消光劑、精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇(EG)為原料的直接酯化、連續縮聚的五釜流程工藝路線，生產纖維級半消光聚酯切片。
二氧化鈦粉末與乙二醇溶液混合經研磨機研磨后仍會有大的粒子，如不除去會影響產品中凝聚粒子的質量指標，過多將導致超標；另外，除去大顆粒粒子，還可以延長二氧化鈦溶液過濾器濾芯的使用壽命，降低生產成本。所以在消光劑配制系統中使用了離心機，通過離心機的離心分離作用將TiO２懸濁液中的大顆粒粒子分離出去。經過實際考察和多方論證，最終選用性價比較高的國產LW350HQ型臥式離心機。下面介紹一下此離心機在裝置中的應用情況。
二、 消光劑配制工藝流程：
1、TiO2懸浮液的配制：袋裝TiO２粉末與乙二醇溶液在配制罐22－TA01中按一定比例混合攪拌一段時間后，使懸浮液以一定的速度進入TiO２研磨機22-M02中進行第一次研磨，研磨物進入消光劑循環槽22-TA02，第二次啟動研磨機，研磨后懸浮液進入稀釋槽22-TA03。再向22－TA03中加入定量的稀釋用乙二醇溶液達到規定的濃度，混合攪拌一段時間。
2、稀釋懸浮液的離心：檢查和確認完離心機的狀態后，在現場啟動離心機22－G01,當離心機達到分散所需的轉速時自動打開進料閥XV-22002,然后自動啟動供料泵22－P01，隨后四通閥XV-22003自動切換到離心位A，經分離后的懸浮液進入消光劑中間槽22－TA04,而離心分離下的
圖1 消光劑配制工藝流程圖
TiO2濾餅進入配制槽22-TA01中重復利用。在帶切斷閥的流量計FQIV-22022上設定好下一批乙二醇量，這些EG經離心機加入TiO2配制罐中，以清洗離心機，當TiO2供料泵22-P01入口管線出現流量低報或22－TA04液位出現高報時，供料泵自動停止，該批料輸送完畢。四通閥自動切換到沖洗位B，離心機沖洗開始，速度自動減到剝離濾餅速度，沖洗用乙二醇閥XV-22003自動打開，經過一定時間的沖洗，濾餅連同乙二醇一起進入配制罐22－TA01可供下一批繼續使用，離心機自動停止。
3、懸浮液輸送及供給過程：在中間槽內的懸浮液按要求至少要存放２小時以上以便脫活性，取樣合格后，懸浮液在氮氣壓力作用下經過濾器過濾后進入消光劑供料槽22－TA05中，供料槽中的TiO2懸浮液由計量泵連續定量地送入第二酯化釜。
工藝流程圖如圖1所示。其中第2步流程就是通過離心機系統來實現的。
三、離心機系統介紹：
本離心機系統由離心機設備本體和控制系統兩部分組成。主要技術參數如下：轉鼓直徑356mm，轉速3200rpm以下無級可調，差轉速2—32r/min無級可調，分離因數2040，液層深度45.5—54.5mm可調，生產率5—14m3/h，主電機功率18.5kw。
1、 離心機設備本體
LW350HQ離心機主要由差速器、螺旋推料器、轉鼓、機罩、機座、主電機等組成。離心機設備本體示意圖如圖2所示。懸浮液經進料管進入主轉鼓，在高速旋轉產生的離心力作用下，固相顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉鼓作相對運動的螺旋葉片不斷地將沉積在轉鼓內壁上的固料刮下排入排污口，分離后的清液經液層調節板開口流出轉鼓到排液口。螺旋與轉鼓之間的相對運動是由差速器來實現的。差速器的外殼與轉鼓相連接，輸出軸與轉鼓相連接，輸入軸與渦流制動器相連接。電機帶動轉鼓旋轉的同時也帶動了差速器外殼的旋轉，差速器的輸入軸在電渦流制動器控制下，驅動差速器的輸出軸旋轉，并按一定比例將扭矩傳遞給螺旋，使轉鼓和螺旋之間產生一個差速，從而實現了離心機對物料的連續分離過程。
圖2 離心機本體示意圖
1、 主電機 2、進料口 3、轉鼓 4、螺旋推料器 5、機殼 6、轉鼓測速齒輪 7、差速器
8、轉臂測速齒輪 9、電渦流制動器 10、轉臂測速傳感器 11、轉鼓測速傳感器 12、排液口
13、排污口
2、離心機控制系統
離心機的運行是通過控制系統來實現的，為了實現正常的離心分離，對離心機的轉速、差轉速等工藝參數進行連續實時的測量、顯示、控制，以及在不正常情況下避免產生人身、設備事故而設計的必要的聯鎖保護措施。
①本離心機控制系統根據工藝要求和設備管理要求，由現場操作屏、控制柜兩部分組成（不包括裝在離心機上的控制設備）。現場操作屏安裝在離心機現場，安裝有所用的操作旋鈕、按鈕及指示燈、差轉速控制儀表、蜂鳴器、轉速顯示和主電機電流顯示等。控制柜設在馬達控制中心（MCC室），柜內裝有交流變頻器、程控穩流穩壓電源，可編程控制器（PLC）、直流電源、繼電器、信號隔離轉換器等。
②本離心機控制系統的主要控制部分是PLC、變頻器和差轉速的定值控制。
PLC選用性價比和擴展性較好的OMRON C200H機型，程序按照配制系統離心分離與EG沖洗的工藝流程編制，能夠滿足工藝要求，并且將有關信號送入集散控制系統（DCS），便于工業過程管理。由于使用了PLC內部的保持繼電器區來存儲數據，這個數據區的數據即使電源故障時數據也能保持。所以在運行過程中，在發生掉電事故、緊急停車、過載、變頻器報警等異常故障時，現場的數據將保存起來，待電源恢復、故障排除后，從發生中斷時的數據繼續運行，保證了工藝流程的連續性和穩定性。本工藝流程是時序性很強的步進流程，涉及到步進關系的計時器，并未直接使用PLC內部的計時器，而是使用了PLC系統內部時鐘脈沖觸發計數器進行計數來計時的，從而保證了時序關系的精確性。程序編制了自動和手動兩種控制方式，在自動無法實現時，可在現場通過控鈕、旋鈕進行手動控制。
由交流變頻器來控制主電機，實現轉鼓轉速的無級調節。變頻器選用富士FRN18.5G11S-4CX型變頻器。變頻器的各項參數根據實際情況設置完成后，在運行中是通過PLC進行自動控制的。控制信號有離心機正轉、反轉、離心頻率、沖洗頻率、加減速時間這幾個數字量，通過對這幾個量的控制來控制主電機根據工藝流程進行轉速、轉向的變化。離心時正轉且達到離心速度，沖洗時進行4次正反轉沖洗，并且控制在沖洗速度。
差轉速的定值控制采用電渦流制動器和Honeywell通用數字器UDC1500來實現。差轉速控制信號流向圖如圖5所示。PR為數字轉速表，通過兩個測速探頭將轉鼓與轉壁的差速線性地轉換為4-20mA信號，本系統在輸出20mA時對應的差轉速設為32轉/分。U是UDC1500型小型通用數字控制器，它是一種帶微處理器的面板嵌入式PID調節器，差速信號在控制器U內與設定值比較得到偏差，對偏差按預置的PID參數運算，輸出4-20A直流電流去控制程控穩壓穩流電源T的輸出電流，使其在0-3A之間變化，此電流再向電渦流制動器ECB提供勵磁電流。勵磁電流通過電渦流制動器的勵磁繞組時由于電渦流作用使差速器的輸入軸受到制動作用，并且在一定轉速范圍內制動力矩與勵磁電流成正比，此制動力矩使誤差朝著減小的方向變化，使差轉速穩定在設定值附進。本離心機控制系統的差轉速部分是獨立于PLC的單獨控制部分，實際應用中只要控制電源投用，此控制部分就按照差轉速設定值起控制作用。在差速很小時由UDC1500送到PLC一個同步故障信號，所以在PLC程序中檢測同步故障信號是在程序已運行、控制電源投用且轉速升到分離速度以后再檢測此信號。
圖3 差轉速控制信號流向圖
③由于整個配制系統除了離心分離機外，還需要一系列的配套設備，有進料電磁閥XV22002,沖洗電磁閥XV22005,四通閥XV22003,流量開關FL22001,FL22021,壓力開關PH22031和供料泵22－P01,這些設備的運行必須按照某特定程序進行，為了使整個配制系統能協調運行，這些設備的信號也需要參于程序控制，這些附加功能也并入本離心機控制系統中。電動電磁閥XV22002和XV22005由PLC直接控制開關，四通閥XV22003閥體是一入三出的結構，由帶兩個電磁閥的氣缸驅動，A電磁閥得電使C與A 相通為離心狀態，B電磁閥得電使C與B相通為沖洗狀態，都不得電時C與D相通，兩個電磁閥也由PLC控制。由于現場的防爆要求，檢測四通閥閥位的接近開關，包括流量開關FL22001和FL22021、壓力開關PH22031等本安儀表，這些儀表的信號先進入中央控制室經安全柵轉換為無源觸點信號再送入PLC，同時也送入DCS系統。為了與整個聚酯裝置所有的電機操作一致，即在中控室和現場都能啟停，供料泵22－P01并不是由PLC直接控制啟停，而是由PLC送出一個啟停信號進入DCS系統，由DCS系統的邏輯點將信號送入MCC去啟停此泵，再由DCS將此泵的運行狀態送到PLC。22－TA04液位高報信號LH22004也是由DCS系統的邏輯點送到PLC。另外，PLC將主電機的運行狀態、工作狀態以及一個總故障狀態送入DCS。變頻器通過信號轉換器將主電機電流信號也送入DCS，這些信號再結合配套設備的信號在DCS操作站流程圖畫面中實時顯示，使中央控制室操作人員能夠及時了解離心機系統的運行情況。
五、結束語
為了實現TiO2懸浮液的離心分離，通過離心機本體和相應的配套設備，由控制系統自動控制，二者密切配合實現了物料的自動分離。本離心機系統自裝置投產運行以來，運行穩定，滿足生產工藝操作要求，保證了聚酯裝置連續正常運行。
我公司國產化的聚酯（PET）裝置由中國紡織工業設計院設計，采用國內開發的以醋酸銻為催化劑、二氧化鈦（TiO2 ）為消光劑、精對苯二甲酸（PTA）和乙二醇(EG)為原料的直接酯化、連續縮聚的五釜流程工藝路線，生產纖維級半消光聚酯切片。
二氧化鈦粉末與乙二醇溶液混合經研磨機研磨后仍會有大的粒子，如不除去會影響產品中凝聚粒子的質量指標，過多將導致超標；另外，除去大顆粒粒子，還可以延長二氧化鈦溶液過濾器濾芯的使用壽命，降低生產成本。所以在消光劑配制系統中使用了離心機，通過離心機的離心分離作用將TiO２懸濁液中的大顆粒粒子分離出去。經過實際考察和多方論證，最終選用性價比較高的國產LW350HQ型臥式離心機。下面介紹一下此離心機在裝置中的應用情況。
二、 消光劑配制工藝流程：
1、TiO2懸浮液的配制：袋裝TiO２粉末與乙二醇溶液在配制罐22－TA01中按一定比例混合攪拌一段時間后，使懸浮液以一定的速度進入TiO２研磨機22-M02中進行第一次研磨，研磨物進入消光劑循環槽22-TA02，第二次啟動研磨機，研磨后懸浮液進入稀釋槽22-TA03。再向22－TA03中加入定量的稀釋用乙二醇溶液達到規定的濃度，混合攪拌一段時間。
2、稀釋懸浮液的離心：檢查和確認完離心機的狀態后，在現場啟動離心機22－G01,當離心機達到分散所需的轉速時自動打開進料閥XV-22002,然后自動啟動供料泵22－P01，隨后四通閥XV-22003自動切換到離心位A，經分離后的懸浮液進入消光劑中間槽22－TA04,而離心分離下的
圖1 消光劑配制工藝流程圖
TiO2濾餅進入配制槽22-TA01中重復利用。在帶切斷閥的流量計FQIV-22022上設定好下一批乙二醇量，這些EG經離心機加入TiO2配制罐中，以清洗離心機，當TiO2供料泵22-P01入口管線出現流量低報或22－TA04液位出現高報時，供料泵自動停止，該批料輸送完畢。四通閥自動切換到沖洗位B，離心機沖洗開始，速度自動減到剝離濾餅速度，沖洗用乙二醇閥XV-22003自動打開，經過一定時間的沖洗，濾餅連同乙二醇一起進入配制罐22－TA01可供下一批繼續使用，離心機自動停止。
3、懸浮液輸送及供給過程：在中間槽內的懸浮液按要求至少要存放２小時以上以便脫活性，取樣合格后，懸浮液在氮氣壓力作用下經過濾器過濾后進入消光劑供料槽22－TA05中，供料槽中的TiO2懸浮液由計量泵連續定量地送入第二酯化釜。
工藝流程圖如圖1所示。其中第2步流程就是通過離心機系統來實現的。
三、離心機系統介紹：
本離心機系統由離心機設備本體和控制系統兩部分組成。主要技術參數如下：轉鼓直徑356mm，轉速3200rpm以下無級可調，差轉速2—32r/min無級可調，分離因數2040，液層深度45.5—54.5mm可調，生產率5—14m3/h，主電機功率18.5kw。
1、 離心機設備本體
LW350HQ離心機主要由差速器、螺旋推料器、轉鼓、機罩、機座、主電機等組成。離心機設備本體示意圖如圖2所示。懸浮液經進料管進入主轉鼓，在高速旋轉產生的離心力作用下，固相顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉鼓作相對運動的螺旋葉片不斷地將沉積在轉鼓內壁上的固料刮下排入排污口，分離后的清液經液層調節板開口流出轉鼓到排液口。螺旋與轉鼓之間的相對運動是由差速器來實現的。差速器的外殼與轉鼓相連接，輸出軸與轉鼓相連接，輸入軸與渦流制動器相連接。電機帶動轉鼓旋轉的同時也帶動了差速器外殼的旋轉，差速器的輸入軸在電渦流制動器控制下，驅動差速器的輸出軸旋轉，并按一定比例將扭矩傳遞給螺旋，使轉鼓和螺旋之間產生一個差速，從而實現了離心機對物料的連續分離過程。
圖2 離心機本體示意圖
1、 主電機 2、進料口 3、轉鼓 4、螺旋推料器 5、機殼 6、轉鼓測速齒輪 7、差速器
8、轉臂測速齒輪 9、電渦流制動器 10、轉臂測速傳感器 11、轉鼓測速傳感器 12、排液口
13、排污口
2、離心機控制系統
離心機的運行是通過控制系統來實現的，為了實現正常的離心分離，對離心機的轉速、差轉速等工藝參數進行連續實時的測量、顯示、控制，以及在不正常情況下避免產生人身、設備事故而設計的必要的聯鎖保護措施。
①本離心機控制系統根據工藝要求和設備管理要求，由現場操作屏、控制柜兩部分組成（不包括裝在離心機上的控制設備）。現場操作屏安裝在離心機現場，安裝有所用的操作旋鈕、按鈕及指示燈、差轉速控制儀表、蜂鳴器、轉速顯示和主電機電流顯示等。控制柜設在馬達控制中心（MCC室），柜內裝有交流變頻器、程控穩流穩壓電源，可編程控制器（PLC）、直流電源、繼電器、信號隔離轉換器等。
②本離心機控制系統的主要控制部分是PLC、變頻器和差轉速的定值控制。
PLC選用性價比和擴展性較好的OMRON C200H機型，程序按照配制系統離心分離與EG沖洗的工藝流程編制，能夠滿足工藝要求，并且將有關信號送入集散控制系統（DCS），便于工業過程管理。由于使用了PLC內部的保持繼電器區來存儲數據，這個數據區的數據即使電源故障時數據也能保持。所以在運行過程中，在發生掉電事故、緊急停車、過載、變頻器報警等異常故障時，現場的數據將保存起來，待電源恢復、故障排除后，從發生中斷時的數據繼續運行，保證了工藝流程的連續性和穩定性。本工藝流程是時序性很強的步進流程，涉及到步進關系的計時器，并未直接使用PLC內部的計時器，而是使用了PLC系統內部時鐘脈沖觸發計數器進行計數來計時的，從而保證了時序關系的精確性。程序編制了自動和手動兩種控制方式，在自動無法實現時，可在現場通過控鈕、旋鈕進行手動控制。
由交流變頻器來控制主電機，實現轉鼓轉速的無級調節。變頻器選用富士FRN18.5G11S-4CX型變頻器。變頻器的各項參數根據實際情況設置完成后，在運行中是通過PLC進行自動控制的。控制信號有離心機正轉、反轉、離心頻率、沖洗頻率、加減速時間這幾個數字量，通過對這幾個量的控制來控制主電機根據工藝流程進行轉速、轉向的變化。離心時正轉且達到離心速度，沖洗時進行4次正反轉沖洗，并且控制在沖洗速度。
差轉速的定值控制采用電渦流制動器和Honeywell通用數字器UDC1500來實現。差轉速控制信號流向圖如圖5所示。PR為數字轉速表，通過兩個測速探頭將轉鼓與轉壁的差速線性地轉換為4-20mA信號，本系統在輸出20mA時對應的差轉速設為32轉/分。U是UDC1500型小型通用數字控制器，它是一種帶微處理器的面板嵌入式PID調節器，差速信號在控制器U內與設定值比較得到偏差，對偏差按預置的PID參數運算，輸出4-20A直流電流去控制程控穩壓穩流電源T的輸出電流，使其在0-3A之間變化，此電流再向電渦流制動器ECB提供勵磁電流。勵磁電流通過電渦流制動器的勵磁繞組時由于電渦流作用使差速器的輸入軸受到制動作用，并且在一定轉速范圍內制動力矩與勵磁電流成正比，此制動力矩使誤差朝著減小的方向變化，使差轉速穩定在設定值附進。本離心機控制系統的差轉速部分是獨立于PLC的單獨控制部分，實際應用中只要控制電源投用，此控制部分就按照差轉速設定值起控制作用。在差速很小時由UDC1500送到PLC一個同步故障信號，所以在PLC程序中檢測同步故障信號是在程序已運行、控制電源投用且轉速升到分離速度以后再檢測此信號。
圖3 差轉速控制信號流向圖
③由于整個配制系統除了離心分離機外，還需要一系列的配套設備，有進料電磁閥XV22002,沖洗電磁閥XV22005,四通閥XV22003,流量開關FL22001,FL22021,壓力開關PH22031和供料泵22－P01,這些設備的運行必須按照某特定程序進行，為了使整個配制系統能協調運行，這些設備的信號也需要參于程序控制，這些附加功能也并入本離心機控制系統中。電動電磁閥XV22002和XV22005由PLC直接控制開關，四通閥XV22003閥體是一入三出的結構，由帶兩個電磁閥的氣缸驅動，A電磁閥得電使C與A 相通為離心狀態，B電磁閥得電使C與B相通為沖洗狀態，都不得電時C與D相通，兩個電磁閥也由PLC控制。由于現場的防爆要求，檢測四通閥閥位的接近開關，包括流量開關FL22001和FL22021、壓力開關PH22031等本安儀表，這些儀表的信號先進入中央控制室經安全柵轉換為無源觸點信號再送入PLC，同時也送入DCS系統。為了與整個聚酯裝置所有的電機操作一致，即在中控室和現場都能啟停，供料泵22－P01并不是由PLC直接控制啟停，而是由PLC送出一個啟停信號進入DCS系統，由DCS系統的邏輯點將信號送入MCC去啟停此泵，再由DCS將此泵的運行狀態送到PLC。22－TA04液位高報信號LH22004也是由DCS系統的邏輯點送到PLC。另外，PLC將主電機的運行狀態、工作狀態以及一個總故障狀態送入DCS。變頻器通過信號轉換器將主電機電流信號也送入DCS，這些信號再結合配套設備的信號在DCS操作站流程圖畫面中實時顯示，使中央控制室操作人員能夠及時了解離心機系統的運行情況。
五、結束語
為了實現TiO2懸浮液的離心分離，通過離心機本體和相應的配套設備，由控制系統自動控制，二者密切配合實現了物料的自動分離。本離心機系統自裝置投產運行以來，運行穩定，滿足生產工藝操作要求，保證了聚酯裝置連續正常運行。
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