连续化生产工艺中配料方法的研究与应用
摘要：本文对间歇式配料工艺和连续配料工艺在不同的生产方式中的应用进行了定性分析，并针对某些生产过程中的配料方法列举了几个实际应用的实例。
关键词：配料 混合 间歇式配料 连续式配料 随动配料 称重
1 引言
在化工、医药、冶金、建材、粮食、饲料等行业中，许多生产过程都有配料工艺的存在。原料配料工艺是一个非常重要的生产环节，配料的准确、混合的均匀、工作的稳定是生产优质产品的先决条件，对产品的质量和产品的定位有很大的影响。传统的配料方式大都采用手工方式。随着工业化的进程加快，生产过程自动化程度的提高和生产规模的增大，这种手工方式逐步被淘汰。更为重要的一个原因就是为了提高产品质量，必须克服人为因素造成的操作误差。因此在连续化生产过程中，由计算机称重系统构成的配料系统有了非常广泛和成功的应用。
配料工艺实质上是有两部分组成：配料过程和混合过程。因此衡量一个完整的配料工艺效果的如何，不仅仅取决于一个方面，应该是两个方面的综合效果。
连续化生产工艺中自动配料方法有两种方式，间歇批量配料方式和在线连续化配料方式。这两种方式各有特点，适用于不同的生产工艺中。
2 连续化生产工艺中间歇式批量配料方法及其特点
目前国际上流行的或者说工业生产中大量应用的都是间歇式批量配料方法。这种方法是将各种不同成分的物料，采用静态称重容器单独的分别称量，分时送入一个混合容器中采用机械搅拌方式进行一定时间的均化混合。所以这种方法也称为阶梯时差配料工艺。因为这种方法是采用静态称重，是非连续的。在称重期间被称物料和承载容器之间没有相对运动，所以其称量精度能达到比较高的水平，这就是间歇式配料的最大优点。但配料工艺性能如何，是由配比和混合两个因素决定的。配比精确只解决了其中的一个问题，在混合和其他方面，间歇配料仍有不足之处：
a． 配料工艺中的储存、称重、混合的容量是整个生产线的瓶颈；
b．生产工艺不连续，容易造成批次误差，批次的均一性不是很好；
c．混合时间比较长，生产效率比较低；
d．在几种固态物料的配比中，若物料的比重、料径不一致的情况下，需要寻找一个适宜的混合时间以确保其均匀度。否则时间越长，越容易产生分层离析现象，尤其是在后续工艺是气力输送的情况下，分层离析现象更为明显；
ｅ．在多种固态物料的混配中，几种物料的比例相差不大时，还比较容易混合均匀；若几种物料的比例相差悬殊时（例：甲物料是乙物料的万分之几），就可能无法达到混合均匀或要达到混合均匀就必须加大混合时间；
ｆ．在液固相物料配料过程中，若液相比例不是远远大于固相比例时，更无法达到混合均匀；
ｇ．尤其是不适用于具有快速化学反应特性的固态物料的配料，因为物料是分时进入混合机中，在两种物料的界面和非界面处，反应效果不一致；
ｈ．使用费用高（基建和设备费用都比较高）；
ｉ．运行费用高，由于此系统构成比较庞大，相关辅助设备和输送设备比较多，动力消耗大，维护费用高，造成生产成本高。
3 在线连续化配料方法
在20世纪50年代，美国和德国曾经在连续化配料工艺上做了很多工作，但由于当时传感器技术、电子技术、计算机技术没有达到目前的水平，在配料过程中，配料速度和精度有时很难控制，达不到要求，所以这种配料的方式应用很少，只有在配料精度要求相对比较低，生产量相对比较大，配方品种相对比较少的场合下，有少量的应用。20世纪60年代以后，随着社会需求的改变，生产量比较少的，但更为精确的配料要求，使这种连续配料称重系统被间歇式称重配料系统逐步取代了。
虽然目前各种形式的间歇配料方式在配料工艺中占了统治地位。但从许多生产过程来看，它并不是很合理和又不是很经济的，尤其是在生产规模比较大的工厂，上述的不足尤为明显。因为间歇配料系统无法做得很庞大，尤其是混合系统受空间、动力、形状、结构等因素影响，更无法做得很大，所以有时会采用几套比较小的间歇式配料系统来满足一条生产线生产不同产品的需求，这就给其他的配料方法的研发提供了机遇。而近年来由于计算机技术、电子技术、传感器技术的飞速发展和市场需求的不断扩大，国外的许多公司都在连续化配料方法上做了大量的研发工作。
连续化配料方法具有工作效率高，混合设备容量、体积比较小，混合效果好，配料均一性比较高，投资比较小，运行费用低等特点。在散状物料处理的大工业中，使用的越来越多。这种配料工艺也有几种不同的方法。
3．1 定量控制的配料工艺（图1）
采用多台流量控制器并联使用。流量控制器本身是由流量检测单元、流量计算单元和流量控制单元组成的一个完整的闭环调节执行回路。每台流量控制器根据工艺设定流量，自动控制其瞬时流量。多台流量控制器同时工作，控制各自物料以一个恒定的流量和流速进入一个连续式混合机械中，进行边混合边输送，从而达到物料配比目的。这种方法比较适合于几种物料比例比较接近，物料流量相差不大的生产工艺中。其混合系统体积比较小，同时具有输送功能。
3．2 随动比例配料工艺（图2）
随动配料工艺采用一台流量检测器和多台流量控制器构成。在有些工业生产中，某些物料流量是在自然状态下的时变系统，受许多外界因素影响，是无法定量控制的。随动配料工艺是用流量检测器对具有时变特性的物料流量在线进行连续检测，并做为主流量，其它可控制的流量做为辅流量。主流量控制器将时变流量信号通过特定接口同时传输到多台辅流量控制器上，每台辅流量控制器根据瞬时主流量和设定的配比参数计算出此种物料的当前瞬时投入量，并控制其伺服投加系统进行连续投加。主辅多种物料以一个恒定的比例进入一个连续式混合机械中进行边混合边输送，构成随动投加系统。
这种方法比较适用于几种物料比例相差比较悬殊的配比工艺，同时某个流量又无法进行定量控制的时变系统中。
3．3 定量—比例配料方法（图3）
这种方法和第二种方法相似，但主流量是采用一台流量控制器而非流量检测器，此流量控制器的主流量无需工艺人员设定，而是主控制器采用模糊控制理论通过多参量传感器组进行自动检测工艺变化情况完成自动设定。辅流量控制器根据主流量控制器的瞬时流量和配比参数，自动控制伺服系统进行连续投加到输送混合机中。
这种方法与第二种方法适用范围基本一致，但控制精度要高得多，同时成本也比较高，仅在一些特定的、要求非常高的工业生产中有应用。
4 连续式流量检测方法和连续式混合方法
连续式流量检测，实质上是检测输送过程中物料的瞬时流量对时间的积分。这种称量方法实质上是“衡器”的概念在连续称重技术中被扩展了。
4．1 连续物料流量测量方法
4．1．1 皮带称
皮带称是一种很好的连续式测量固态散状物料的设备，其精度比较高，应用很方便。其弱点是开放式，粉尘泄露比较严重；粉尘的附着、皮带的张紧度、皮带的平整度，对其测量精度影响比较大；维护工作量比较大。
4．1．2 冲板流量计
冲板流量计是发源于20世纪70年代的一种新的连续式测量方法。其优点是无动力（依靠物料的重力作用），密封性好，维护工作量小。其缺点是对使用环境要求比较苛刻。物料的来料高度和角度，环境振动，流量计出口风力对其测量精度都有比较大的影响。
4．1．3 螺旋输送配料秤
螺旋输送配料秤实际上是一种悬挂式螺旋称重器，它是皮带称演化而来的。其密封性比较好，工作比较平稳；但精度没有皮带秤高，粉尘附着、环境振动、来料高度和角度对其测量精度影响比较大，特别不适用于小流量测量。
4．1．4 差分配料秤（或称失重秤）
这种方法具有前几种方法无法比拟的测量精度，它是以静态方式测量物料重量，动态方式输送的一种配料称。但其成本比较高。
4．2 连续式配料系统的混合方式
4．2．1 机械式混合
机械式连续混合方法很多，有螺旋混合机、螺带混合机、浆叶混合机、犁刀混合机等，还有将多种方式综合在一体的混合机械。
4．2．2 旋转混合
采用多方向旋转的密封容器进行混合。
4．2．3 振动混合
采用振动原理进行混合
4．2．4 离心混合
采用离心原理，根据不同的物料用不同的离心速度，边旋转边混合。
4．2．5 气流混合
这种方式通常用于固液相物料配料的包覆工艺、雾化工艺、催化工艺中。
根据不同工艺要求采用不同的混合方法，许多工业应用中同时采用两种或多种混合方式进行多级混合以达到混合均匀的效果。
5 连续式配料工艺在工业中的应用
天津市大泽科技法发展有限公司是一个专业化的流体控制工程公司，主要从事固态粉状物料、颗粒物料、液态物料在工业生产过程中的在线流量检测及控制方法的研究及相关机电一体化产品的开发和生产。下面就我们近年来在实际应用中的一些实例做一下介绍和说明。
5．1 定量控制连续式配料
a.在面粉生产线的配麦工艺
在许多生产专用高品质、高等级的面粉厂中，根据所生产的面粉品质和用途的不同，需要使用不同的原料。为了合理使用小麦，用不同类型的小麦混合加工出符合要求的面粉，在配麦工艺上我们采用多台“DZ-MP型质量流量控制器”在一条输送螺旋上一字排开，每台流量控制器根据工艺人员的设定流量，自动控制其瞬时流量进入螺旋混合机中，边输送边混合。构成了一个完整的定量控制的连续式配料系统。在这个系统中若出现某一台无料或堵塞等工艺故障和设备本身的机械故障，系统发出报警信号，同时控制系统中的其他质量流量控制器同时关机，停止配料。这种方法的应用已成功地在国内200多条小麦加工生产线中使用。
b.在精制米厂的配米工艺
在许多生产小包装精制大米的工厂中，需要根据原料大米的品质和市场的需求进行配米。其工作原理和模式与小麦搭配工艺是很相似的，混合部分采用皮带输送机和旋转离心混合机，已成功地应用在国内近100条大米生产线中。
5．2随动配料工艺
a.在面粉生产中有时需要投加各种微量元素或食品添加剂到面粉中，投加量的比例是面粉的千分之几至万分之几，这是一种典型的小比例大流量配料工艺。采用间歇式配料方式，混合的均匀度的指标变异系数CV%大多超过了中国“公众营养与发展中心”规定的要求CV%<10%的标准（经武汉工业学院和国家饲料质量监督检验中心测定），最大的能够达到47%。另一方面，采用这种方式进行微量元素的投加也是很不经济的和效率比较低的。因此目前国内大多数面粉厂在生产中不采用这种办法，而是采用在生产线的集粉螺旋输送机上放置若干台微量干粉投加机，进行定量投加。这实际上是一种比较原始的连续配料方式。由于面粉生产过程中受到诸多因素影响，使面粉流量并不是完全恒定的，而干粉投加机却是定量的投加，这样就会造成配料比例或称为投加比例产生波动性的变化，造成投加过量或欠量。我们为了解决这个难题，专门开发了DZTC随动投加系统，使微量元素的投加量随着面粉流量变化而变化，有效地解决面粉生产中的这个问题，并已成功地在国内100多条面粉生产线中应用。此系统已通过国家“公众营养与发展中心”和“中国粮油学会”的专家鉴定，做为生产营养强化面粉的推广产品，其变异系数CV%经武汉工业学院测试在4.3%-7.8%之间。在面粉生产中采用这种随动技术进行配料，在全球是唯一的。
b.在膨化硝酸铵炸药连续生产系统中的应用
天津市大泽科技发展有限公司受南京理工大学委托，采用冲板流量计、差分配料称、精密定量螺旋输送机、高精密计量泵，根据随动控制原理、应用计算机控制技术，开发研制的“随动定量配料系统”在青海海西东诺化工有限公司取得了极大的成功，并通过了“青海省经委”和“国防科工委民爆服务中心”的鉴定，被认为“该系统的原理、结构和集成在粉状工业炸药领域居国内外领先水平”。
c.在建筑材料方面的应用
天津市大泽科技发展有限公司为天津市新技术产业园区某公司设计开发的全自动粉体制备系统，其整个生产过程是连续的。各种配料的投加采用随动控制方式完成，混合部分由自行设计的微混机完成，它利用颗粒流在运动过程中互相交换位置获得均匀的方法来达到混合均匀的目的。目前该系统配比准确一致、混合均匀、质量稳定。生产出来的产品主要用于国防工业，年产量已逾万吨。
d.在农业化肥生产中的应用
某种高效的肥料，在国外已开始应用，在我国是首次生产。其成分比较复杂，需经过多到配料工艺。天津市大泽科技发展有限公司采用连续配料和间歇配料技术在前后不同工艺中组合应用，为某外资企业研制成功配料生产线的全部生产过程自动化控制系统。此生产线已投入正常生产。
f.在水处理行业中的应用
在污水处理厂中，污泥脱水工艺和中水处理工艺都需要投加絮凝剂。在污泥脱水中的絮凝剂是聚丙烯酰胺，这是一种高分子固态絮凝剂，它投入污泥前必须先溶解一段时间（俗称熟化时间），但这种物料熟化时间过长又会水解，投入水中后效果极差。天津市大泽科技发展有限公司开发出“连续式随动投药溶解投加系统”，此产品第一级采用随动配料技术，聚丙烯酰胺与水溶液以恒定比例混合后采用连续式熟化混合机构进行混合，最后投加部分根据污泥流量进行随动投加。这种方式既节约了絮凝剂的使用量，又使整个设备的体积大为减小。此系统已成功地应用在秦皇岛污水处理厂。
随着社会进一步发展，工业化水平进一步提高，市场经济进一步规范，特别是中国加入WTO以后，各个行业面临的竞争更加激烈。但目前我国很多工业生产中配料方法大都仍沿用国外20世纪90年代初的技术和方法。随着企业的生产规模越来越大，对产品质量的要求越来越高，现有的这些方法有些已不能适应现在的生产需要。这就要求我们进一步努力，设计开发出适合不同规模、产品定位不同的各种高性能价格比的专用配料设备，以帮助企业提高市场竞争力。
参考文献
[1]联邦德国技术物理研究院．《称重技术手册》
[2]施汉谦，宋文敏．《电子秤技术》．北京：中国计量出版社．1991
[3]菲利普公司．《工业称重装备和系统》
[4]刘植桢，郭木河，何克忠．《计算机控制》．北京：清华大学出版社．1981
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