CN101333293A - 羟基聚硅氧烷连续化制备系统 - Google Patents

Abstract

一种羟基聚硅氧烷连续化制备系统，包括原料槽、恒温箱、催化剂和水槽、预反应罐、平推罐和控制器，在恒温箱内连接加热装置和原料热电偶，在与平推罐出口连接的管道上安装粘度测量仪，控制器包括初始化模块，用于根据工艺条件确定原料螺杆泵的流量、催化剂螺杆泵的流量；启动模块，用于当原料热电偶检测的温度达到工作温度后，启动控制器，根据工艺要求确定第一变频器输出频率和第二变频器输出频率，启动第一驱动电机和第二驱动电机；变频器频率调整模块：根据粘度反馈信号，基于工艺特点，保持第一变频器和第二变频器的输出频率比值恒定的条件下，调整第一变频器和第二变频器的输出频率。本发明控制性能好、生产效率高、产品稳定性强。

Description

羟基聚硅氧烷连续化制备系统

技术领域

本发明涉及羟基聚硅氧烷连续化制备系统。

背景技术

羟基聚硅氧烷的工业化生产可以追溯至上个世纪50年代美国道康宁公司使用的碱催化二步间歇法。此后的相当长时间，世界上都一直沿用这种工艺进行生产。

二步间歇法的合成原理，是以环硅氧烷为单体、强碱为引发剂，先聚合成高分子量的聚硅氧烷，然后进一步水解成合适分子量的羟基聚硅氧烷。该法所制备的产品质量不稳定，即：在同样物料配比及工艺的情况下，反应体系转化率、产物粘度及分子量的波动范围达到20～50％以上，严重时甚至可达100％。另外，二步间歇法还存在生产控制困难、能耗大等问题。

羟基聚硅氧烷，作为工业原料中间体，下游使用厂家对其粘度及分子量等质量指标的稳定性有极其严格的要求，为了解决这个问题，羟基聚硅氧烷生产企业往往采用将不同粘度产品进行混拼，以达到外观及粘度的均一性，但这种处理方法必然导致产品分子量分布显著变宽，从而恶化了下游产品的物理、机械等性能。

由于间歇法生产存在上述固有的弊端，国外有机硅大公司，如美国的GE公司、日本的东丽公司等，在上世纪80年代以后采用了碱催化连续工艺生产羟基聚硅氧烷，规模达20000吨/年。其工艺特点为：以通用的环硅氧烷(D4或DMC)为单体，四甲基氢氧化铵或氢氧化钾作催化剂，水为链封端剂，在加压的反应条件下，采用静态混合器为反应器，连续开环聚合制取。若能配置精确的控制系统，此法所得产品的分子量及粘度可十分均一，分子量分布符合理想的高斯分布状态，性能优异，满足了市场对该产品的高端需求。但其技术核心尤其是控制方法，国外一直严格保密。

此外，世界各国近年来还相继开发出诸如缩聚法、扩链法等羟基聚硅氧烷制备工艺，但这些工艺终因反应条件苛刻或采用的原料特殊化，至今未能实现工业化大生产。

目前国内仍以二步间歇法来制备羟基聚硅氧烷，其他课题组和企业也尚无开展羟基聚硅氧烷连续化生产的研究。

发明内容

为了克服已有羟基聚硅氧烷制备系统的控制性能差、生产效率低、产品稳定性差的不足，本发明提供一种控制性能好、生产效率高、产品稳定性强的羟基聚硅氧烷连续化制备系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种羟基聚硅氧烷连续化制备系统，包括原料槽、恒温箱、催化剂和水槽、预反应罐和平推罐，所述原料槽连接恒温箱，所述恒温箱、催化剂和水槽连接预反应罐，所述预反应罐连接平推罐，所述羟基聚硅氧烷连续化制备系统还包括用于实现连续化制备的控制器，在所述恒温箱与预反应罐之间设有原料螺杆泵，在所述催化剂和水槽与预反应罐之间设有催化剂螺杆泵，所述原料螺杆泵连接第一驱动电机，所述第一驱动电机连接第一变频器，所述催化剂螺杆泵连接第二驱动电机，所述第二驱动电机连接第二变频器，所述第一变频器和第二变频器连接控制器；在所述恒温箱内连接加热装置和原料热电偶，所述加热装置和原料热电偶均连接所述恒温箱自带温控器，在所述平推罐的入口设有入口热电偶，在所述平推罐的出口设有出口热电偶，所述入口热电偶和出口热电偶连接控制器；在与所述平推罐出口连接的管道上安装粘度测量仪，所述粘度测量仪连接控制器，所述控制器包括：初始化模块，用于根据工艺条件确定原料螺杆泵的流量和催化剂螺杆泵的流量；启动模块，用于当原料热电偶检测的温度达到工作温度后，启动控制器，根据工艺要求确定第一变频器输出频率和第二变频器输出频率，启动第一驱动电机和第二驱动电机；变频器频率调整模块：根据粘度反馈信号，基于工艺特点，保持第一变频器和第二变频器的输出频率比值恒定的条件下，调整第一变频器和第二变频器的输出频率，使产品粘度稳定在设定值。

作为优选的一种方案：所述平推罐设有热油循环夹套，所述平推罐夹套加热油浴箱中的热油腔出口与热油循环夹套下端入口连接，所述热油循环夹套的上端出口与热油腔入口连通，所述热油腔与热油循环夹套下端入口之间设有油泵，所述平推罐夹套加热油浴箱内连接加热装置、冷却装置和热电偶，所述加热装置、冷却装置和原料热电偶均连接所述控制器，所示冷却装置在所述平推罐夹套加热油浴箱中的部分为多层螺旋形密封冷却盘管，所述冷却装置连接平推罐夹套冷却水箱，在所述平推罐夹套冷却水箱与冷却装置之间的水管上设有水泵，在所述初始化模块中，确定平推罐的出口温度、入口温度、所述平推罐夹套加热油浴箱的工作温度和限定最高温度和所述平推罐夹套冷却水箱报警温度，所述启动模块中，启动油泵；所述控制器还包括：

平推罐温度调节模块，用于当出口热电偶检测的温度达到出口温度时，关断油泵；平推罐夹套加热油浴箱温度调节模块，用于当所述平推罐夹套加热油浴箱温度未达到工作温度时，通过控制器控制交流调压模块输出连续变化的电压信号控制加热装置；

平推罐夹套冷却水箱温度调节模块，用于当检测平推罐夹套加热油浴箱的温度超过限定最高温度时，启动冷却装置。

所述羟基聚硅氧烷连续化制备系统还包括报警装置，所述控制器还包括报警模块，用于当第一变频器、第二变频器故障、工作电源异常、水温超过所述平推罐夹套冷却水箱报警温度时输出报警信号，所述报警模块连接报警装置

本发明的技术构思为：实际控制任务由PLC完成，基于PLC的羟基聚硅氧烷连续化生产工艺流程为：原料单体(DMC)经过恒温箱预热达到指定温度，再控制原料螺杆泵确定流量，另外一个螺杆泵控制催化剂、水的混合流量一起进入一个CSTR(即“预反应罐”)进行预反应，充分混匀后的反应物进入平推流静态混合器(即“平推罐”)，以平推流的流动形态进行聚合反应，平推罐夹套中用导热硅油(这里用甲基硅油)加热。根据实测粘度查工艺模型(在工业生产中大量测量数据建立的表格)，确定工艺配比、反应时间和聚合反应温度。然而改变温度和改变工艺配比有相当严重的滞后性，为有效且实时抑制波动，可以选择工艺配比和温度不变，改变反应时间，即通过同比例改变改单体、催化剂与水混合液体的流量，从而在保证配比恒定的情况下，改变反应时间，控制产品质量稳定。

本发明的有益效果主要表现在：控制性能好、生产效率高、产品稳定性强。

附图说明

图1是羟基聚硅氧烷连续化制备过程的工艺流程示意图。

图2是羟基聚硅氧烷连续化制备系统的控制原理框图。

图3是羟基聚硅氧烷连续化制备系统的平推罐温度控制原理框图。

图4是羟基聚硅氧烷连续化制备系统的螺杆泵调速控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1、图2、图3、图4，一种羟基聚硅氧烷连续化制备系统，包括原料槽1、恒温箱、催化剂和水槽2、预反应罐3和平推罐4，所述原料槽1连接恒温箱，所述恒温箱、催化剂和水槽2连接预反应罐3，所述预反应罐3连接平推罐4，所述羟基聚硅氧烷连续化制备系统还包括用于实现连续化制备的控制器，在所述恒温箱与预反应罐3之间设有原料螺杆泵P1，在所述催化剂和水槽2与预反应罐3之间设有催化剂螺杆泵P2，所述原料螺杆泵P1连接第一驱动电机，所述第一驱动电机连接第一变频器，所述催化剂螺杆泵P2连接第二驱动电机，所述第二驱动电机连接第二变频器，所述第一变频器和第二变频器连接控制器；在所述恒温箱内连接加热装置和原料热电偶，所述加热装置和原料热电偶均连接所述恒温箱自带温控器，在所述平推罐的入口设有入口热电偶，在所述平推罐的出口设有出口热电偶，所述入口热电偶和出口热电偶连接控制器；在与所述平推罐出口连接的管道上安装粘度测量仪，所述粘度测量仪连接控制器，所述控制器包括：初始化模块，用于根据工艺条件确定原料螺杆泵的流量、催化剂螺杆泵的流量；启动模块，用于当原料热电偶检测的温度达到工作温度后，启动控制器，根据工艺要求确定第一变频器输出频率和第二变频器输出频率，启动第一驱动电机和第二驱动电机；变频器频率调整模块：根据粘度反馈信号，基于工艺特点，保持第一变频器和第二变频器的输出频率比值恒定的条件下，调整第一变频器和第二变频器的输出频率，使产品粘度稳定在设定值。

所述平推罐设有热油循环夹套，所述平推罐夹套加热油浴箱中的热油腔出口与热油循环夹套下端入口连接，所述热油循环夹套的上端出口与热油腔入口连通，所述热油腔与热油循环夹套下端入口之间设有油泵，所述平推罐夹套加热油浴箱内连接加热装置、冷却装置和热电偶，所述加热装置、冷却装置和原料热电偶均连接所述控制器，所示冷却装置在所述平推罐夹套加热油浴箱中的部分为多层螺旋形密封冷却盘管，所述冷却装置连接平推罐夹套冷却水箱，在所述平推罐夹套冷却水箱与冷却装置之间的水管上设有水泵，所述冷却装置由所述平推罐夹套冷却水箱利用水泵经水腔出口连接所述多层螺旋形密封冷却盘管将冷却水打入所述平推罐夹套加热油浴箱内循环，所述多层螺旋形密封冷却盘管与水腔入口相连。在所述初始化模块中，确定平推罐的出口温度、入口温度、所述平推罐夹套加热油浴箱的工作温度和限定最高温度、所述平推罐夹套冷却水箱，所述启动模块中，启动油泵；所述控制器还包括：

平推罐温度调节模块，用于当出口热电偶检测的温度达到出口温度时，关断油泵。平推罐夹套加热油浴箱温度调节模块，用于当所述平推罐夹套加热油浴箱温度未达到工作温度时，通过控制器控制交流调压模块输出连续变化的电压信号控制加热装置；

平推罐夹套冷却水箱温度调节模块，用于当检测平推罐夹套加热油浴箱的温度超过限定最高温度时，启动冷却装置。

所述羟基聚硅氧烷连续化制备系统还包括报警装置，所述控制器还包括报警模块，用于当第一变频器、第二变频器故障、工作电源异常、水温超过所述平推罐夹套冷却水箱报警温度时输出报警信号，所述报警模块连接报警装置。

本实施例中，基于PLC的羟基聚硅氧烷连续化生产控制系统主要由PLC(控制器)、变频调速模块(变频器、三相异步电动机、泵)、温度控制模块、粘度检测模块和PC机等构成。控制温度不变，根据粘度反馈值，确定单体和催化剂、水的流量。变频调速系统自动控制泵的转速达到在不断变化着的工艺流程所需泵出量。

系统主要由以下单元组成：

采用西门子CPU224-XPCN作为控制器，完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换。

变频调速系统由变频器、三相异步电动机、流量泵(单螺杆泵)。按照控制要求，实时且精确改变泵出量。

温度控制模块，采用热电偶测量平推罐、平推罐夹套加热油浴箱、平推罐夹套冷却水箱的温度，全隔离单相交流调压模块控制平推罐夹套加热油浴箱的加热，达到温度控制要求。用于当检测平推罐夹套加热油浴箱的温度超过限定最高温度时，启动冷却装置。

粘度测量模块，将成品粘度通过串口发送到PLC中。

报警装置：闪光报警器。当变频器故障、工作电源异常、水温超过所述平推罐夹套冷却水箱报警温度时输出报警信号。

PC机，既可以作为上位机，又可以编写软件。

控制器：PLC是整个控制系统的核心，通过程序实现对变频器、温度、粘度等各种运行数据的采集和控制，实时监控系统中各种运行参数以及报警信号处理等。采用西门子CPU224-XPCN(自带两个通讯口，2个模拟量输入，1个模拟量输出模块)作为控制器。

对单螺杆泵的操作分手动和自动模式。手动模式时，可用按钮1SB1、1SB2、2SB1、2SB2控制两个泵的启动和停止，通过变频器的界面设定频率值；自动运行时，螺杆泵在PLC程序控制下运行。

考虑控制两个变频器的频率、单相调压模块的输出量，检测平推罐夹套加热油浴箱温度、平推罐夹套冷却水箱水箱温度、平推罐出口温度、平推罐入口温度信号，所以共4路模拟量输入、3路模拟量输出，选用西门子EM-232模拟量扩展模块和EM-231热电偶(EM231-TC)模块。EM-232带两个模拟量输出模块。

温度控制模块(以下简称温控模块)：前期理论研究表明，反应温度会影响成品的品质。在连续化生产过程中，要求控制50升油箱带平推流静态反应器(即“平推罐”)(1m)直立加热，提供反应物反应温度。参照图3，温控模块由带热油循环夹套的平推流(静态混合器)、平推罐夹套加热油浴箱5、平推罐夹套冷却水箱6、全隔离单相调压模块7、油泵、水泵、继电器和热电偶组成。油泵将平推罐夹套加热油浴箱5中的热油打入到平推流夹套下端入口，从上端出口流回平推罐夹套加热油浴箱5内；平推罐夹套加热油浴箱5的冷却盘管连接水泵，当平推罐夹套加热油浴箱5需要降温时，启动水泵，水泵将水箱6中的冷水打进冷却盘管，经冷却盘管的冷水带走油温，又回到水箱内，起到降温的效果；单相交流调压模块7控制平推罐夹套加热油浴箱5加热棒加热，热电偶检测出平推罐出、入口温度，平推罐夹套加热油浴箱5温度，平推罐夹套冷却水箱6温度，将这些模拟信号送到PLC中，由PLC确定控制调压模块输出量。如果当水箱6的温度达到平推罐夹套冷却水箱报警温度(本项目中设定为80摄氏度)时，报警系统启动，提示人员换水。

由于控温范围在0℃～200℃，故选用K型热电偶。设置四个热电偶接在EM231热电偶模块上，分别用于测量加热平推罐夹套加热油浴箱5温度、平推罐夹套冷却水箱6温度、平推罐出/入口温度。

采用隔离单相交流调压模块控制平推罐夹套加热油浴箱5的平滑加热。

变频调速部分由变频器、单螺杆泵组成。通过变频器调节异步电机的转速，从而改变螺杆泵的出口流量。PLC根据工艺要求确定泵的工作频率，输出频率信号给变频器，因而自动控制泵的转速达到在不断变化着的工艺流程所需泵出量。泵P1控制单体的流量，泵P2控制水和催化剂的流量。调速采用粘度反馈，采用P控制同比例改变第一变频器和第二变频器的频率，由此根据图4，改变泵P1和泵P2的输出流量，从而达到改变反应时间的目的。

螺杆泵：由于单体要预热到90摄氏度，项目研究中发现螺杆泵的定子橡胶会和高温单体逐渐起溶胀反应，故泵的转速不能过高，所以在软件中要做限幅处理。

变频器：三菱FR-540。

变频器可以工作在“PU操作模式”、“外部操作模式”、“组合操作模式”、“通讯操作模式”。本实施例选择“外部操作模式”，频率设定信号输入为4-20mA。

粘度测量模块：仪器配备有RS232通讯口，使用PC/PPI电缆将S7-200CPU与其连接。

选择自由口模式来控制S7-200的串行通讯口。用户程序通过使用接收中断、发送中断、发送指令和接收指令来控制通讯口的操作。

报警模块及PC机：当第一变频器故障或第二变频器故障，闪光报警器(控制柜面板上)动作，同时变频器和电机停止工作。

PC机可作上位机，使用组态软件用文字/图形动态地显示PLC中的开关量的状态和数字量的数值。画面的生成是可视化的，完全不需要用户编程，还可以对系统的运行过程进行监示，对报警进行显示。

Claims (3)

1、一种羟基聚硅氧烷连续化制备系统，包括原料槽、恒温箱、催化剂和水槽、预反应罐和平推罐，所述原料槽连接恒温箱，所述恒温箱、催化剂和水槽连接预反应罐，所述预反应罐连接平推罐，其特征在于：所述羟基聚硅氧烷连续化制备系统还包括用于实现连续化制备的控制器，在所述恒温箱与预反应罐之间设有原料螺杆泵，在所述催化剂和水槽与预反应罐之间设有催化剂螺杆泵，所述原料螺杆泵连接第一驱动电机，所述第一驱动电机连接第一变频器，所述催化剂螺杆泵连接第二驱动电机，所述第二驱动电机连接第二变频器，所述第一变频器和第二变频器连接控制器；在所述恒温箱内连接加热装置和原料热电偶，所述加热装置和原料热电偶均连接所述恒温箱自带温控器，在所述平推罐的入口设有入口热电偶，在所述平推罐的出口设有出口热电偶，所述入口热电偶和出口热电偶连接控制器；在与所述平推罐出口连接的管道上安装粘度测量仪，所述粘度测量仪连接控制器，所述控制器包括：

初始化模块，用于根据工艺条件确定原料螺杆泵的流量、催化剂螺杆泵的流量；启动模块，用于当原料热电偶检测的温度达到工作温度后，启动控制器，根据工艺要求确定第一变频器输出频率和第二变频器输出频率，启动第一驱动电机和第二驱动电机；

变频器频率调整模块：根据粘度反馈信号，基于工艺特点，保持第一变频器和第二变频器的输出频率比值恒定的条件下，调整第一变频器和第二变频器的输出频率，使产品粘度稳定在设定值。

2、如权利要求1所述的羟基聚硅氧烷连续化制备系统，其特征在于：所述平推罐设有热油循环夹套，平推罐夹套加热油浴箱中的热油腔出口与热油循环夹套下端入口连接，所述热油循环夹套的上端出口与热油腔入口连通，所述热油腔与热油循环夹套下端入口之间设有油泵，所述平推罐夹套加热油浴箱内连接加热装置、冷却装置和热电偶，所述加热装置、冷却装置和原料热电偶均连接所述控制器，所示冷却装置在所述平推罐夹套加热油浴箱中的部分为多层螺旋形密封冷却盘管，所述冷却装置连接平推罐夹套冷却水箱，在所述平推罐夹套冷却水箱与冷却装置之间的水管上设有水泵，在所述初始化模块中，确定平推罐的出口温度、入口温度、所述平推罐夹套加热油浴箱的工作温度和限定最高温度、所述平推罐夹套冷却水箱报警温度，所述启动模块中，启动油泵；所述控制器还包括：

平推罐温度调节模块，用于当出口热电偶检测的温度达到出口温度时，关断油泵。平推罐夹套加热油浴箱温度调节模块，用于当所述平推罐夹套加热油浴箱温度未达到工作温度时，通过控制器控制交流调压模块输出连续变化的电压信号控制加热装置；

平推罐夹套冷却水箱温度调节模块：用于当检测平推罐夹套加热油浴箱的温度超过限定最高温度时，启动冷却装置。

3、如权利要求1或2所述的羟基聚硅氧烷连续化制备系统，其特征在于：所述羟基聚硅氧烷连续化制备系统还包括报警装置，所述控制器还包括报警模块，用于当第一变频器、第二变频器故障、工作电源异常、水温超过所述平推罐夹套冷却水箱报警温度时输出报警信号，所述报警模块连接报警装置。

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