連續化生產工藝中配料方法的研究與應用
摘要：本文對間歇式配料工藝和連續配料工藝在不同的生產方式中的應用進行了定性分析，并針對某些生產過程中的配料方法列舉了幾個實際應用的實例。
關鍵詞：配料 混合 間歇式配料 連續式配料 隨動配料 稱重
1 引言
在化工、醫藥、冶金、建材、糧食、飼料等行業中，許多生產過程都有配料工藝的存在。原料配料工藝是一個非常重要的生產環節，配料的準確、混合的均勻、工作的穩定是生產優質產品的先決條件，對產品的質量和產品的定位有很大的影響。傳統的配料方式大都采用手工方式。隨著工業化的進程加快，生產過程自動化程度的提高和生產規模的增大，這種手工方式逐步被淘汰。更為重要的一個原因就是為了提高產品質量，必須克服人為因素造成的操作誤差。因此在連續化生產過程中，由計算機稱重系統構成的配料系統有了非常廣泛和成功的應用。
配料工藝實質上是有兩部分組成：配料過程和混合過程。因此衡量一個完整的配料工藝效果的如何，不僅僅取決于一個方面，應該是兩個方面的綜合效果。
連續化生產工藝中自動配料方法有兩種方式，間歇批量配料方式和在線連續化配料方式。這兩種方式各有特點，適用于不同的生產工藝中。
2 連續化生產工藝中間歇式批量配料方法及其特點
目前國際上流行的或者說工業生產中大量應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，采用靜態稱重容器單獨的分別稱量，分時送入一個混合容器中采用機械攪拌方式進行一定時間的均化混合。所以這種方法也稱為階梯時差配料工藝。因為這種方法是采用靜態稱重，是非連續的。在稱重期間被稱物料和承載容器之間沒有相對運動，所以其稱量精度能達到比較高的水平，這就是間歇式配料的最大優點。但配料工藝性能如何，是由配比和混合兩個因素決定的。配比精確只解決了其中的一個問題，在混合和其他方面，間歇配料仍有不足之處：
a． 配料工藝中的儲存、稱重、混合的容量是整個生產線的瓶頸；
b．生產工藝不連續，容易造成批次誤差，批次的均一性不是很好；
c．混合時間比較長，生產效率比較低；
d．在幾種固態物料的配比中，若物料的比重、料徑不一致的情況下，需要尋找一個適宜的混合時間以確保其均勻度。否則時間越長，越容易產生分層離析現象，尤其是在后續工藝是氣力輸送的情況下，分層離析現象更為明顯；
ｅ．在多種固態物料的混配中，幾種物料的比例相差不大時，還比較容易混合均勻；若幾種物料的比例相差懸殊時（例：甲物料是乙物料的萬分之幾），就可能無法達到混合均勻或要達到混合均勻就必須加大混合時間；
ｆ．在液固相物料配料過程中，若液相比例不是遠遠大于固相比例時，更無法達到混合均勻；
ｇ．尤其是不適用于具有快速化學反應特性的固態物料的配料，因為物料是分時進入混合機中，在兩種物料的界面和非界面處，反應效果不一致；
ｈ．使用費用高（基建和設備費用都比較高）；
ｉ．運行費用高，由于此系統構成比較龐大，相關輔助設備和輸送設備比較多，動力消耗大，維護費用高，造成生產成本高。
3 在線連續化配料方法
在20世紀50年代，美國和德國曾經在連續化配料工藝上做了很多工作，但由于當時傳感器技術、電子技術、計算機技術沒有達到目前的水平，在配料過程中，配料速度和精度有時很難控制，達不到要求，所以這種配料的方式應用很少，只有在配料精度要求相對比較低，生產量相對比較大，配方品種相對比較少的場合下，有少量的應用。20世紀60年代以后，隨著社會需求的改變，生產量比較少的，但更為精確的配料要求，使這種連續配料稱重系統被間歇式稱重配料系統逐步取代了。
雖然目前各種形式的間歇配料方式在配料工藝中占了統治地位。但從許多生產過程來看，它并不是很合理和又不是很經濟的，尤其是在生產規模比較大的工廠，上述的不足尤為明顯。因為間歇配料系統無法做得很龐大，尤其是混合系統受空間、動力、形狀、結構等因素影響，更無法做得很大，所以有時會采用幾套比較小的間歇式配料系統來滿足一條生產線生產不同產品的需求，這就給其他的配料方法的研發提供了機遇。而近年來由于計算機技術、電子技術、傳感器技術的飛速發展和市場需求的不斷擴大，國外的許多公司都在連續化配料方法上做了大量的研發工作。
連續化配料方法具有工作效率高，混合設備容量、體積比較小，混合效果好，配料均一性比較高，投資比較小，運行費用低等特點。在散狀物料處理的大工業中，使用的越來越多。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）
采用多臺流量控制器并聯使用。流量控制器本身是由流量檢測單元、流量計算單元和流量控制單元組成的一個完整的閉環調節執行回路。每臺流量控制器根據工藝設定流量，自動控制其瞬時流量。多臺流量控制器同時工作，控制各自物料以一個恒定的流量和流速進入一個連續式混合機械中，進行邊混合邊輸送，從而達到物料配比目的。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工藝中。其混合系統體積比較小，同時具有輸送功能。
3．2 隨動比例配料工藝（圖2）
隨動配料工藝采用一臺流量檢測器和多臺流量控制器構成。在有些工業生產中，某些物料流量是在自然狀態下的時變系統，受許多外界因素影響，是無法定量控制的。隨動配料工藝是用流量檢測器對具有時變特性的物料流量在線進行連續檢測，并做為主流量，其它可控制的流量做為輔流量。主流量控制器將時變流量信號通過特定接口同時傳輸到多臺輔流量控制器上，每臺輔流量控制器根據瞬時主流量和設定的配比參數計算出此種物料的當前瞬時投入量，并控制其伺服投加系統進行連續投加。主輔多種物料以一個恒定的比例進入一個連續式混合機械中進行邊混合邊輸送，構成隨動投加系統。
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，同時某個流量又無法進行定量控制的時變系統中。
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流量控制器而非流量檢測器，此流量控制器的主流量無需工藝人員設定，而是主控制器采用模糊控制理論通過多參量傳感器組進行自動檢測工藝變化情況完成自動設定。輔流量控制器根據主流量控制器的瞬時流量和配比參數，自動控制伺服系統進行連續投加到輸送混合機中。
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，同時成本也比較高，僅在一些特定的、要求非常高的工業生產中有應用。
4 連續式流量檢測方法和連續式混合方法
連續式流量檢測，實質上是檢測輸送過程中物料的瞬時流量對時間的積分。這種稱量方法實質上是“衡器”的概念在連續稱重技術中被擴展了。
4．1 連續物料流量測量方法
4．1．1 皮帶稱
皮帶稱是一種很好的連續式測量固態散狀物料的設備，其精度比較高，應用很方便。其弱點是開放式，粉塵泄露比較嚴重；粉塵的附著、皮帶的張緊度、皮帶的平整度，對其測量精度影響比較大；維護工作量比較大。
4．1．2 沖板流量計
沖板流量計是發源于20世紀70年代的一種新的連續式測量方法。其優點是無動力（依靠物料的重力作用），密封性好，維護工作量小。其缺點是對使用環境要求比較苛刻。物料的來料高度和角度，環境振動，流量計出口風力對其測量精度都有比較大的影響。
4．1．3 螺旋輸送配料秤
螺旋輸送配料秤實際上是一種懸掛式螺旋稱重器，它是皮帶稱演化而來的。其密封性比較好，工作比較平穩；但精度沒有皮帶秤高，粉塵附著、環境振動、來料高度和角度對其測量精度影響比較大，特別不適用于小流量測量。
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法比擬的測量精度，它是以靜態方式測量物料重量，動態方式輸送的一種配料稱。但其成本比較高。
4．2 連續式配料系統的混合方式
4．2．1 機械式混合
機械式連續混合方法很多，有螺旋混合機、螺帶混合機、漿葉混合機、犁刀混合機等，還有將多種方式綜合在一體的混合機械。
4．2．2 旋轉混合
采用多方向旋轉的密封容器進行混合。
4．2．3 振動混合
采用振動原理進行混合
4．2．4 離心混合
采用離心原理，根據不同的物料用不同的離心速度，邊旋轉邊混合。
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。
根據不同工藝要求采用不同的混合方法，許多工業應用中同時采用兩種或多種混合方式進行多級混合以達到混合均勻的效果。
5 連續式配料工藝在工業中的應用
天津市大澤科技法發展有限公司是一個專業化的流體控制工程公司，主要從事固態粉狀物料、顆粒物料、液態物料在工業生產過程中的在線流量檢測及控制方法的研究及相關機電一體化產品的開發和生產。下面就我們近年來在實際應用中的一些實例做一下介紹和說明。
5．1 定量控制連續式配料
a.在面粉生產線的配麥工藝
在許多生產專用高品質、高等級的面粉廠中，根據所生產的面粉品質和用途的不同，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“DZ-MP型質量流量控制器”在一條輸送螺旋上一字排開，每臺流量控制器根據工藝人員的設定流量，自動控制其瞬時流量進入螺旋混合機中，邊輸送邊混合。構成了一個完整的定量控制的連續式配料系統。在這個系統中若出現某一臺無料或堵塞等工藝故障和設備本身的機械故障，系統發出報警信號，同時控制系統中的其他質量流量控制器同時關機，停止配料。這種方法的應用已成功地在國內200多條小麥加工生產線中使用。
b.在精制米廠的配米工藝
在許多生產小包裝精制大米的工廠中，需要根據原料大米的品質和市場的需求進行配米。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和旋轉離心混合機，已成功地應用在國內近100條大米生產線中。
5．2隨動配料工藝
a.在面粉生產中有時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變異系數CV%大多超過了中國“公眾營養與發展中心”規定的要求CV%<10%的標準（經武漢工業學院和國家飼料質量監督檢驗中心測定），最大的能夠達到47%。另一方面，采用這種方式進行微量元素的投加也是很不經濟的和效率比較低的。因此目前國內大多數面粉廠在生產中不采用這種辦法，而是采用在生產線的集粉螺旋輸送機上放置若干臺微量干粉投加機，進行定量投加。這實際上是一種比較原始的連續配料方式。由于面粉生產過程中受到諸多因素影響，使面粉流量并不是完全恒定的，而干粉投加機卻是定量的投加，這樣就會造成配料比例或稱為投加比例產生波動性的變化，造成投加過量或欠量。我們為了解決這個難題，專門開發了DZTC隨動投加系統，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中的這個問題，并已成功地在國內100多條面粉生產線中應用。此系統已通過國家“公眾營養與發展中心”和“中國糧油學會”的專家鑒定，做為生產營養強化面粉的推廣產品，其變異系數CV%經武漢工業學院測試在4.3%-7.8%之間。在面粉生產中采用這種隨動技術進行配料，在全球是唯一的。
b.在膨化硝酸銨炸藥連續生產系統中的應用
天津市大澤科技發展有限公司受南京理工大學委托，采用沖板流量計、差分配料稱、精密定量螺旋輸送機、高精密計量泵，根據隨動控制原理、應用計算機控制技術，開發研制的“隨動定量配料系統”在青海海西東諾化工有限公司取得了極大的成功，并通過了“青海省經委”和“國防科工委民爆服務中心”的鑒定，被認為“該系統的原理、結構和集成在粉狀工業炸藥領域居國內外領先水平”。
c.在建筑材料方面的應用
天津市大澤科技發展有限公司為天津市新技術產業園區某公司設計開發的全自動粉體制備系統，其整個生產過程是連續的。各種配料的投加采用隨動控制方式完成，混合部分由自行設計的微混機完成，它利用顆粒流在運動過程中互相交換位置獲得均勻的方法來達到混合均勻的目的。目前該系統配比準確一致、混合均勻、質量穩定。生產出來的產品主要用于國防工業，年產量已逾萬噸。
d.在農業化肥生產中的應用
某種高效的肥料，在國外已開始應用，在我國是首次生產。其成分比較復雜，需經過多到配料工藝。天津市大澤科技發展有限公司采用連續配料和間歇配料技術在前后不同工藝中組合應用，為某外資企業研制成功配料生產線的全部生產過程自動化控制系統。此生產線已投入正常生產。
f.在水處理行業中的應用
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絮凝劑，它投入污泥前必須先溶解一段時間（俗稱熟化時間），但這種物料熟化時間過長又會水解，投入水中后效果極差。天津市大澤科技發展有限公司開發出“連續式隨動投藥溶解投加系統”，此產品第一級采用隨動配料技術，聚丙烯酰胺與水溶液以恒定比例混合后采用連續式熟化混合機構進行混合，最后投加部分根據污泥流量進行隨動投加。這種方式既節約了絮凝劑的使用量，又使整個設備的體積大為減小。此系統已成功地應用在秦皇島污水處理廠。
隨著社會進一步發展，工業化水平進一步提高，市場經濟進一步規范，特別是中國加入WTO以后，各個行業面臨的競爭更加激烈。但目前我國很多工業生產中配料方法大都仍沿用國外20世紀90年代初的技術和方法。隨著企業的生產規模越來越大，對產品質量的要求越來越高，現有的這些方法有些已不能適應現在的生產需要。這就要求我們進一步努力，設計開發出適合不同規模、產品定位不同的各種高性能價格比的專用配料設備，以幫助企業提高市場競爭力。
參考文獻
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