關(guān)鍵詞: 在線粘度檢測;聚合反應(yīng);反應(yīng)終點(diǎn)控制
聚酯聚合反應(yīng)的粘度與聚酯的分子量有非常密切的關(guān)系,可以通過控制聚合反應(yīng)過程中粘度的變化來控制聚合物的分子量。然而,聚合反應(yīng)過程中粘度是處于一直變化中的,且粘度受到溫度、壓力、攪拌等各種因素的影響。因此,需要選擇合適的粘度計(jì)進(jìn)行測量,來達(dá)到最佳的產(chǎn)品質(zhì)量控制。早期,聚合物生產(chǎn)商家采用毛細(xì)管粘度計(jì)、旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)及布氏粘度計(jì)等實(shí)驗(yàn)室型粘度計(jì)控制和測量聚合物的粘度和分子大小,非常消耗人力和時(shí)間,不能適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)化進(jìn)程。
粘度是由流體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)之間的引力形成內(nèi)摩擦,從而在外部表現(xiàn)為抵抗流體流動的能力,因此它間接地反映了流體分子結(jié)構(gòu)及其分布狀態(tài)。流體分為牛頓流體和非牛頓流體,其中最為理想的流動形態(tài)是牛頓流體,如圖 1 所示。面積為 A、相對距離為 dx 的兩個液體平面以速度差,dv 相對移動時(shí), 它們之間將產(chǎn)生抵抗內(nèi)部流動的趨勢和阻力即剪應(yīng)力,牛頓流體的剪應(yīng)力 F = F / A 與剪變率 S = dv / dx 之間是線性關(guān)系: F / S , 即為牛頓流體的粘度, 在溫度、壓力等相同條件下,其粘度不受剪切應(yīng)力的影響,如圖 2 所示。但是化工行業(yè)的大部分流體為非牛頓體,且多為剪切變稀流體,如圖 3。非牛頓流體由結(jié)構(gòu)和分子量互不相同的分子組合而成,因此剪切速率的變化將影響其測定值,這就給粘度的測定帶來一定困難。
聚合反應(yīng)常通過加熱或者加催化劑的方法來進(jìn)行反應(yīng),在聚合反應(yīng)接近終點(diǎn)的時(shí)候反應(yīng)速度迅速,需要進(jìn)行精確控制(聚合反應(yīng)見圖 4)。國內(nèi)很多聚酯生產(chǎn)廠家都遇到聚合反應(yīng)時(shí)間控制不好的問題,以前常采用參考攪拌機(jī)電流,或采樣到實(shí)驗(yàn)室檢測的辦法,攪拌電流大小需要有經(jīng)驗(yàn)的工人師傅,而且只能做為大致參考,并不能做到精細(xì)控制,實(shí)驗(yàn)室采樣檢測時(shí)間相對滯后,常常不能夠及時(shí)停止反應(yīng)終點(diǎn),因而造成產(chǎn)品不合格批次的產(chǎn)生,給工廠造成了很多可以避免的損失。前幾年國內(nèi)行業(yè)龍頭企業(yè)采用了 Hydramotion 海默生XL振動式在線粘度計(jì)連續(xù)的在線粘度監(jiān)測方法,淘汰了傳統(tǒng)的離線實(shí)驗(yàn)室粘度檢測方法后,現(xiàn)在可以正確判斷聚合反應(yīng)的正確粘度和溫度參數(shù),有效的控制了不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生。其公司采用的在線粘度計(jì)安裝方式是反應(yīng)釜壁直接安裝,安裝在反應(yīng)釜接近釜底位置(見圖 5),操作人員通過電子顯示器觀察到反應(yīng)過程中粘度隨時(shí)間變化的曲線,及時(shí)控制反應(yīng)進(jìn)程(見圖 6)。
圖 5.某公司在線粘度計(jì)安裝的現(xiàn)場圖片
以前,大部分聚合物生產(chǎn)廠家都使用實(shí)驗(yàn)室粘度計(jì)來進(jìn)行物質(zhì)粘度的測量,也沒有比較 好的在線檢測方法來表征反應(yīng)釜內(nèi)聚合物分子量的粘度值。聚合反應(yīng)周期一般為 12‐24 小時(shí), 通常反應(yīng)開始時(shí)每 2‐4h 取樣一次,臨近反應(yīng)終點(diǎn)時(shí)取樣次數(shù)增加。各個取樣點(diǎn)的樣品被送到分析室化驗(yàn),技術(shù)員用臺式旋轉(zhuǎn)式粘度計(jì)測量粘度,記錄測量結(jié)果,當(dāng)在允許誤差范圍內(nèi) 得到 3 個相差不大的粘度讀數(shù)時(shí),停止反應(yīng),清理反應(yīng)釜,準(zhǔn)備下一次間歇反應(yīng)。通常傳統(tǒng)方法從取樣到報(bào)告出來的滯后期為 2h,因此,實(shí)際的反應(yīng)終點(diǎn)至少延后 2h。另外,離線控制方法具有主觀性,取決于經(jīng)驗(yàn)和何時(shí)取樣的判斷,而且收集樣品時(shí)需要非常小心。
隨著科技的發(fā)展和工業(yè)化的進(jìn)程,實(shí)驗(yàn)室型檢測方法已經(jīng)不能夠滿足人們對產(chǎn)品越來越高的要求,需要在線粘度計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)粘度。操作人員可以觀察到真實(shí)的聚合反應(yīng)周期它甚至可在產(chǎn)品超過控制規(guī)格之前,發(fā)出停止反應(yīng)的警報(bào),可以避免次品產(chǎn)生,進(jìn)而提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短生產(chǎn)周期,提高了批次聚合反應(yīng)的工藝水平。經(jīng)過多家聚合物生產(chǎn)使用,在線粘度計(jì)可以提高 10%~20%的生產(chǎn)周期,降低 50%以上的產(chǎn)品質(zhì)量測定時(shí)間,幾乎不會出現(xiàn)不合格產(chǎn)品,提高了整個生產(chǎn)效率。
傳統(tǒng)檢測方法的主要缺點(diǎn)是從取樣至檢測粘度有時(shí)間滯后,在線測量粘度就消除了這一缺點(diǎn),可時(shí)時(shí)連續(xù)測量粘度,基本消除了產(chǎn)生次品的可能。在線粘度計(jì)與離線粘度計(jì)的良好相關(guān)性見圖 7。采用在線粘度計(jì),廠家可依據(jù)試樣粘度測量結(jié)果,檢驗(yàn)其他間歇式反應(yīng)的特點(diǎn),例如各反應(yīng)釜間的重復(fù)性、質(zhì)量控制和工藝條件。實(shí)際上,在線粘度計(jì)測量的重復(fù)性相當(dāng)高,可運(yùn)行 5~6 個產(chǎn)品間歇反應(yīng),可以預(yù)示每個反應(yīng)釜在某個時(shí)間的粘度讀數(shù),從而可進(jìn)行相應(yīng)的工藝調(diào)整。
Hydramotion XL 振動式在線粘度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單,測量準(zhǔn)確,沒有任何活動件,不會結(jié)垢,清洗方便。工作時(shí),探針在等頻功率下振動,振幅根據(jù)流體粘度的不同而有所變化。處理器將捕捉到振幅改變,將信號處理成可以識別的粘度信號,顯示在顯示屏上,操作者可以連續(xù)的觀察反應(yīng)進(jìn)程狀況。