离心机在聚酯装置的应用
一、引言
我公司国产化的聚酯（PET）装置由中国纺织工业设计院设计，采用国内开发的以醋酸锑为催化剂、二氧化钛（TiO2 ）为消光剂、精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇(EG)为原料的直接酯化、连续缩聚的五釜流程工艺路线，生产纤维级半消光聚酯切片。
二氧化钛粉末与乙二醇溶液混合经研磨机研磨后仍会有大的粒子，如不除去会影响产品中凝聚粒子的质量指标，过多将导致超标；另外，除去大颗粒粒子，还可以延长二氧化钛溶液过滤器滤芯的使用寿命，降低生产成本。所以在消光剂配制系统中使用了离心机，通过离心机的离心分离作用将TiO２悬浊液中的大颗粒粒子分离出去。经过实际考察和多方论证，最终选用性价比较高的国产LW350HQ型卧式离心机。下面介绍一下此离心机在装置中的应用情况。
二、 消光剂配制工艺流程：
1、TiO2悬浮液的配制：袋装TiO２粉末与乙二醇溶液在配制罐22－TA01中按一定比例混合搅拌一段时间后，使悬浮液以一定的速度进入TiO２研磨机22-M02中进行第一次研磨，研磨物进入消光剂循环槽22-TA02，第二次启动研磨机，研磨后悬浮液进入稀释槽22-TA03。再向22－TA03中加入定量的稀释用乙二醇溶液达到规定的浓度，混合搅拌一段时间。
2、稀释悬浮液的离心：检查和确认完离心机的状态后，在现场启动离心机22－G01,当离心机达到分散所需的转速时自动打开进料阀XV-22002,然后自动启动供料泵22－P01，随后四通阀XV-22003自动切换到离心位A，经分离后的悬浮液进入消光剂中间槽22－TA04,而离心分离下的
图1 消光剂配制工艺流程图
TiO2滤饼进入配制槽22-TA01中重复利用。在带切断阀的流量计FQIV-22022上设定好下一批乙二醇量，这些EG经离心机加入TiO2配制罐中，以清洗离心机，当TiO2供料泵22-P01入口管线出现流量低报或22－TA04液位出现高报时，供料泵自动停止，该批料输送完毕。四通阀自动切换到冲洗位B，离心机冲洗开始，速度自动减到剥离滤饼速度，冲洗用乙二醇阀XV-22003自动打开，经过一定时间的冲洗，滤饼连同乙二醇一起进入配制罐22－TA01可供下一批继续使用，离心机自动停止。
3、悬浮液输送及供给过程：在中间槽内的悬浮液按要求至少要存放２小时以上以便脱活性，取样合格后，悬浮液在氮气压力作用下经过滤器过滤后进入消光剂供料槽22－TA05中，供料槽中的TiO2悬浮液由计量泵连续定量地送入第二酯化釜。
工艺流程图如图1所示。其中第2步流程就是通过离心机系统来实现的。
三、离心机系统介绍：
本离心机系统由离心机设备本体和控制系统两部分组成。主要技术参数如下：转鼓直径356mm，转速3200rpm以下无级可调，差转速2—32r/min无级可调，分离因数2040，液层深度45.5—54.5mm可调，生产率5—14m3/h，主电机功率18.5kw。
1、 离心机设备本体
LW350HQ离心机主要由差速器、螺旋推料器、转鼓、机罩、机座、主电机等组成。离心机设备本体示意图如图2所示。悬浮液经进料管进入主转鼓，在高速旋转产生的离心力作用下，固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将沉积在转鼓内壁上的固料刮下排入排污口，分离后的清液经液层调节板开口流出转鼓到排液口。螺旋与转鼓之间的相对运动是由差速器来实现的。差速器的外壳与转鼓相连接，输出轴与转鼓相连接，输入轴与涡流制动器相连接。电机带动转鼓旋转的同时也带动了差速器外壳的旋转，差速器的输入轴在电涡流制动器控制下，驱动差速器的输出轴旋转，并按一定比例将扭矩传递给螺旋，使转鼓和螺旋之间产生一个差速，从而实现了离心机对物料的连续分离过程。
图2 离心机本体示意图
1、 主电机 2、进料口 3、转鼓 4、螺旋推料器 5、机壳 6、转鼓测速齿轮 7、差速器
8、转臂测速齿轮 9、电涡流制动器 10、转臂测速传感器 11、转鼓测速传感器 12、排液口
13、排污口
2、离心机控制系统
离心机的运行是通过控制系统来实现的，为了实现正常的离心分离，对离心机的转速、差转速等工艺参数进行连续实时的测量、显示、控制，以及在不正常情况下避免产生人身、设备事故而设计的必要的联锁保护措施。
①本离心机控制系统根据工艺要求和设备管理要求，由现场操作屏、控制柜两部分组成（不包括装在离心机上的控制设备）。现场操作屏安装在离心机现场，安装有所用的操作旋钮、按钮及指示灯、差转速控制仪表、蜂鸣器、转速显示和主电机电流显示等。控制柜设在马达控制中心（MCC室），柜内装有交流变频器、程控稳流稳压电源，可编程控制器（PLC）、直流电源、继电器、信号隔离转换器等。
②本离心机控制系统的主要控制部分是PLC、变频器和差转速的定值控制。
PLC选用性价比和扩展性较好的OMRON C200H机型，程序按照配制系统离心分离与EG冲洗的工艺流程编制，能够满足工艺要求，并且将有关信号送入集散控制系统（DCS），便于工业过程管理。由于使用了PLC内部的保持继电器区来存储数据，这个数据区的数据即使电源故障时数据也能保持。所以在运行过程中，在发生掉电事故、紧急停车、过载、变频器报警等异常故障时，现场的数据将保存起来，待电源恢复、故障排除后，从发生中断时的数据继续运行，保证了工艺流程的连续性和稳定性。本工艺流程是时序性很强的步进流程，涉及到步进关系的计时器，并未直接使用PLC内部的计时器，而是使用了PLC系统内部时钟脉冲触发计数器进行计数来计时的，从而保证了时序关系的精确性。程序编制了自动和手动两种控制方式，在自动无法实现时，可在现场通过控钮、旋钮进行手动控制。
由交流变频器来控制主电机，实现转鼓转速的无级调节。变频器选用富士FRN18.5G11S-4CX型变频器。变频器的各项参数根据实际情况设置完成后，在运行中是通过PLC进行自动控制的。控制信号有离心机正转、反转、离心频率、冲洗频率、加减速时间这几个数字量，通过对这几个量的控制来控制主电机根据工艺流程进行转速、转向的变化。离心时正转且达到离心速度，冲洗时进行4次正反转冲洗，并且控制在冲洗速度。
差转速的定值控制采用电涡流制动器和Honeywell通用数字器UDC1500来实现。差转速控制信号流向图如图5所示。PR为数字转速表，通过两个测速探头将转鼓与转壁的差速线性地转换为4-20mA信号，本系统在输出20mA时对应的差转速设为32转/分。U是UDC1500型小型通用数字控制器，它是一种带微处理器的面板嵌入式PID调节器，差速信号在控制器U内与设定值比较得到偏差，对偏差按预置的PID参数运算，输出4-20A直流电流去控制程控稳压稳流电源T的输出电流，使其在0-3A之间变化，此电流再向电涡流制动器ECB提供励磁电流。励磁电流通过电涡流制动器的励磁绕组时由于电涡流作用使差速器的输入轴受到制动作用，并且在一定转速范围内制动力矩与励磁电流成正比，此制动力矩使误差朝着减小的方向变化，使差转速稳定在设定值附进。本离心机控制系统的差转速部分是独立于PLC的单独控制部分，实际应用中只要控制电源投用，此控制部分就按照差转速设定值起控制作用。在差速很小时由UDC1500送到PLC一个同步故障信号，所以在PLC程序中检测同步故障信号是在程序已运行、控制电源投用且转速升到分离速度以后再检测此信号。
图3 差转速控制信号流向图
③由于整个配制系统除了离心分离机外，还需要一系列的配套设备，有进料电磁阀XV22002,冲洗电磁阀XV22005,四通阀XV22003,流量开关FL22001,FL22021,压力开关PH22031和供料泵22－P01,这些设备的运行必须按照某特定程序进行，为了使整个配制系统能协调运行，这些设备的信号也需要参于程序控制，这些附加功能也并入本离心机控制系统中。电动电磁阀XV22002和XV22005由PLC直接控制开关，四通阀XV22003阀体是一入三出的结构，由带两个电磁阀的气缸驱动，A电磁阀得电使C与A 相通为离心状态，B电磁阀得电使C与B相通为冲洗状态，都不得电时C与D相通，两个电磁阀也由PLC控制。由于现场的防爆要求，检测四通阀阀位的接近开关，包括流量开关FL22001和FL22021、压力开关PH22031等本安仪表，这些仪表的信号先进入中央控制室经安全栅转换为无源触点信号再送入PLC，同时也送入DCS系统。为了与整个聚酯装置所有的电机操作一致，即在中控室和现场都能启停，供料泵22－P01并不是由PLC直接控制启停，而是由PLC送出一个启停信号进入DCS系统，由DCS系统的逻辑点将信号送入MCC去启停此泵，再由DCS将此泵的运行状态送到PLC。22－TA04液位高报信号LH22004也是由DCS系统的逻辑点送到PLC。另外，PLC将主电机的运行状态、工作状态以及一个总故障状态送入DCS。变频器通过信号转换器将主电机电流信号也送入DCS，这些信号再结合配套设备的信号在DCS操作站流程图画面中实时显示，使中央控制室操作人员能够及时了解离心机系统的运行情况。
五、结束语
为了实现TiO2悬浮液的离心分离，通过离心机本体和相应的配套设备，由控制系统自动控制，二者密切配合实现了物料的自动分离。本离心机系统自装置投产运行以来，运行稳定，满足生产工艺操作要求，保证了聚酯装置连续正常运行。
我公司国产化的聚酯（PET）装置由中国纺织工业设计院设计，采用国内开发的以醋酸锑为催化剂、二氧化钛（TiO2 ）为消光剂、精对苯二甲酸（PTA）和乙二醇(EG)为原料的直接酯化、连续缩聚的五釜流程工艺路线，生产纤维级半消光聚酯切片。
二氧化钛粉末与乙二醇溶液混合经研磨机研磨后仍会有大的粒子，如不除去会影响产品中凝聚粒子的质量指标，过多将导致超标；另外，除去大颗粒粒子，还可以延长二氧化钛溶液过滤器滤芯的使用寿命，降低生产成本。所以在消光剂配制系统中使用了离心机，通过离心机的离心分离作用将TiO２悬浊液中的大颗粒粒子分离出去。经过实际考察和多方论证，最终选用性价比较高的国产LW350HQ型卧式离心机。下面介绍一下此离心机在装置中的应用情况。
二、 消光剂配制工艺流程：
1、TiO2悬浮液的配制：袋装TiO２粉末与乙二醇溶液在配制罐22－TA01中按一定比例混合搅拌一段时间后，使悬浮液以一定的速度进入TiO２研磨机22-M02中进行第一次研磨，研磨物进入消光剂循环槽22-TA02，第二次启动研磨机，研磨后悬浮液进入稀释槽22-TA03。再向22－TA03中加入定量的稀释用乙二醇溶液达到规定的浓度，混合搅拌一段时间。
2、稀释悬浮液的离心：检查和确认完离心机的状态后，在现场启动离心机22－G01,当离心机达到分散所需的转速时自动打开进料阀XV-22002,然后自动启动供料泵22－P01，随后四通阀XV-22003自动切换到离心位A，经分离后的悬浮液进入消光剂中间槽22－TA04,而离心分离下的
图1 消光剂配制工艺流程图
TiO2滤饼进入配制槽22-TA01中重复利用。在带切断阀的流量计FQIV-22022上设定好下一批乙二醇量，这些EG经离心机加入TiO2配制罐中，以清洗离心机，当TiO2供料泵22-P01入口管线出现流量低报或22－TA04液位出现高报时，供料泵自动停止，该批料输送完毕。四通阀自动切换到冲洗位B，离心机冲洗开始，速度自动减到剥离滤饼速度，冲洗用乙二醇阀XV-22003自动打开，经过一定时间的冲洗，滤饼连同乙二醇一起进入配制罐22－TA01可供下一批继续使用，离心机自动停止。
3、悬浮液输送及供给过程：在中间槽内的悬浮液按要求至少要存放２小时以上以便脱活性，取样合格后，悬浮液在氮气压力作用下经过滤器过滤后进入消光剂供料槽22－TA05中，供料槽中的TiO2悬浮液由计量泵连续定量地送入第二酯化釜。
工艺流程图如图1所示。其中第2步流程就是通过离心机系统来实现的。
三、离心机系统介绍：
本离心机系统由离心机设备本体和控制系统两部分组成。主要技术参数如下：转鼓直径356mm，转速3200rpm以下无级可调，差转速2—32r/min无级可调，分离因数2040，液层深度45.5—54.5mm可调，生产率5—14m3/h，主电机功率18.5kw。
1、 离心机设备本体
LW350HQ离心机主要由差速器、螺旋推料器、转鼓、机罩、机座、主电机等组成。离心机设备本体示意图如图2所示。悬浮液经进料管进入主转鼓，在高速旋转产生的离心力作用下，固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将沉积在转鼓内壁上的固料刮下排入排污口，分离后的清液经液层调节板开口流出转鼓到排液口。螺旋与转鼓之间的相对运动是由差速器来实现的。差速器的外壳与转鼓相连接，输出轴与转鼓相连接，输入轴与涡流制动器相连接。电机带动转鼓旋转的同时也带动了差速器外壳的旋转，差速器的输入轴在电涡流制动器控制下，驱动差速器的输出轴旋转，并按一定比例将扭矩传递给螺旋，使转鼓和螺旋之间产生一个差速，从而实现了离心机对物料的连续分离过程。
图2 离心机本体示意图
1、 主电机 2、进料口 3、转鼓 4、螺旋推料器 5、机壳 6、转鼓测速齿轮 7、差速器
8、转臂测速齿轮 9、电涡流制动器 10、转臂测速传感器 11、转鼓测速传感器 12、排液口
13、排污口
2、离心机控制系统
离心机的运行是通过控制系统来实现的，为了实现正常的离心分离，对离心机的转速、差转速等工艺参数进行连续实时的测量、显示、控制，以及在不正常情况下避免产生人身、设备事故而设计的必要的联锁保护措施。
①本离心机控制系统根据工艺要求和设备管理要求，由现场操作屏、控制柜两部分组成（不包括装在离心机上的控制设备）。现场操作屏安装在离心机现场，安装有所用的操作旋钮、按钮及指示灯、差转速控制仪表、蜂鸣器、转速显示和主电机电流显示等。控制柜设在马达控制中心（MCC室），柜内装有交流变频器、程控稳流稳压电源，可编程控制器（PLC）、直流电源、继电器、信号隔离转换器等。
②本离心机控制系统的主要控制部分是PLC、变频器和差转速的定值控制。
PLC选用性价比和扩展性较好的OMRON C200H机型，程序按照配制系统离心分离与EG冲洗的工艺流程编制，能够满足工艺要求，并且将有关信号送入集散控制系统（DCS），便于工业过程管理。由于使用了PLC内部的保持继电器区来存储数据，这个数据区的数据即使电源故障时数据也能保持。所以在运行过程中，在发生掉电事故、紧急停车、过载、变频器报警等异常故障时，现场的数据将保存起来，待电源恢复、故障排除后，从发生中断时的数据继续运行，保证了工艺流程的连续性和稳定性。本工艺流程是时序性很强的步进流程，涉及到步进关系的计时器，并未直接使用PLC内部的计时器，而是使用了PLC系统内部时钟脉冲触发计数器进行计数来计时的，从而保证了时序关系的精确性。程序编制了自动和手动两种控制方式，在自动无法实现时，可在现场通过控钮、旋钮进行手动控制。
由交流变频器来控制主电机，实现转鼓转速的无级调节。变频器选用富士FRN18.5G11S-4CX型变频器。变频器的各项参数根据实际情况设置完成后，在运行中是通过PLC进行自动控制的。控制信号有离心机正转、反转、离心频率、冲洗频率、加减速时间这几个数字量，通过对这几个量的控制来控制主电机根据工艺流程进行转速、转向的变化。离心时正转且达到离心速度，冲洗时进行4次正反转冲洗，并且控制在冲洗速度。
差转速的定值控制采用电涡流制动器和Honeywell通用数字器UDC1500来实现。差转速控制信号流向图如图5所示。PR为数字转速表，通过两个测速探头将转鼓与转壁的差速线性地转换为4-20mA信号，本系统在输出20mA时对应的差转速设为32转/分。U是UDC1500型小型通用数字控制器，它是一种带微处理器的面板嵌入式PID调节器，差速信号在控制器U内与设定值比较得到偏差，对偏差按预置的PID参数运算，输出4-20A直流电流去控制程控稳压稳流电源T的输出电流，使其在0-3A之间变化，此电流再向电涡流制动器ECB提供励磁电流。励磁电流通过电涡流制动器的励磁绕组时由于电涡流作用使差速器的输入轴受到制动作用，并且在一定转速范围内制动力矩与励磁电流成正比，此制动力矩使误差朝着减小的方向变化，使差转速稳定在设定值附进。本离心机控制系统的差转速部分是独立于PLC的单独控制部分，实际应用中只要控制电源投用，此控制部分就按照差转速设定值起控制作用。在差速很小时由UDC1500送到PLC一个同步故障信号，所以在PLC程序中检测同步故障信号是在程序已运行、控制电源投用且转速升到分离速度以后再检测此信号。
图3 差转速控制信号流向图
③由于整个配制系统除了离心分离机外，还需要一系列的配套设备，有进料电磁阀XV22002,冲洗电磁阀XV22005,四通阀XV22003,流量开关FL22001,FL22021,压力开关PH22031和供料泵22－P01,这些设备的运行必须按照某特定程序进行，为了使整个配制系统能协调运行，这些设备的信号也需要参于程序控制，这些附加功能也并入本离心机控制系统中。电动电磁阀XV22002和XV22005由PLC直接控制开关，四通阀XV22003阀体是一入三出的结构，由带两个电磁阀的气缸驱动，A电磁阀得电使C与A 相通为离心状态，B电磁阀得电使C与B相通为冲洗状态，都不得电时C与D相通，两个电磁阀也由PLC控制。由于现场的防爆要求，检测四通阀阀位的接近开关，包括流量开关FL22001和FL22021、压力开关PH22031等本安仪表，这些仪表的信号先进入中央控制室经安全栅转换为无源触点信号再送入PLC，同时也送入DCS系统。为了与整个聚酯装置所有的电机操作一致，即在中控室和现场都能启停，供料泵22－P01并不是由PLC直接控制启停，而是由PLC送出一个启停信号进入DCS系统，由DCS系统的逻辑点将信号送入MCC去启停此泵，再由DCS将此泵的运行状态送到PLC。22－TA04液位高报信号LH22004也是由DCS系统的逻辑点送到PLC。另外，PLC将主电机的运行状态、工作状态以及一个总故障状态送入DCS。变频器通过信号转换器将主电机电流信号也送入DCS，这些信号再结合配套设备的信号在DCS操作站流程图画面中实时显示，使中央控制室操作人员能够及时了解离心机系统的运行情况。
五、结束语
为了实现TiO2悬浮液的离心分离，通过离心机本体和相应的配套设备，由控制系统自动控制，二者密切配合实现了物料的自动分离。本离心机系统自装置投产运行以来，运行稳定，满足生产工艺操作要求，保证了聚酯装置连续正常运行。
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