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本文由同济大学孙振平教授课题组郭二飞整理 注：本公众号所发布内容均为课题组原创，转载或修编时请务必注明出处。 聚羧酸系减水剂具有其他减水剂所无法比拟的性能优势，近年来在国内外得到广泛开发和应用。随着聚羧酸系减水剂生产规模的逐渐扩大，工业大生产对其生产效率、产品质量和生产安全性等因素都提出更高要求。而传统聚羧酸系减水剂生产厂家大多以现场人工操作或半机械式操作为主，易出现操作误差大、生产安全性低以及产品质量不稳定等问题[1]，故聚羧酸系减水剂工业生产线亟待优化。自动化生产技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其他信息设备，对工业生产过程实现自动监测、控制、调节，可实现高效生产、降低能耗、提高质量、确保安全的综合性生产目的。聚羧酸系减水剂生产自动化控制系统即基于自动化生产技术设计而成，另外协同聚羧酸系减水剂生产设备的优化设计，实现聚羧酸系减水剂的高效、优质及安全生产。 1 聚羧酸系减水剂自动化生产特点1.1设备产能高，产品质量高现阶段，醚类聚羧酸系减水剂生产工艺应用最为广泛，其合成原料有TPEG(或HPEG)大单体、丙烯酸、巯基乙酸以及其他小料等，工厂生产所用设备一般为(5-10)吨反应釜，而各厂家所生产产品固含量大多高于所售成品，因此一般单釜原材料最终可得到(20-40)吨成品，设备产能高。 聚羧酸系减水剂产品质量与工艺过程中的温度控制、反应时间、加料量及加料速率等因素有关，自动化生产可实现各生产因素的严格监控，保证最终产品质量满足应用需求，产品质量高。 1.2 釜温可实时控制聚羧酸系减水剂加热合成工艺分为加热溶料、恒温滴加、保温、降温、中和等几个温度控制过程，每个阶段都要严格把控。传统聚羧酸系减水剂工业生产中为实时控制聚羧酸系减水剂工业生产反应釜中反应料温度，将温度计插入搪瓷温度计套管中对釜内温度实时监测。为避免反应釜中剧烈搅拌的液体对套管造成破坏，温度计套管一般管壁较厚，另外由于反应釜较大，升降温过程中釜内热传导需要一定时间，导致温度计显示出来的温度变化滞后。一般开启蒸汽或冷却水阀，到温度计实时显示出温度变化，大致需要(15-20)分钟。聚羧酸系减水剂自动化生产技术采用温度控制系统可实时控制釜内温度，保证各个温度控制过程严格遵循合成工艺要求。 1.3 加料操作过程控制精确A、B料的滴加过程和加水量是聚羧酸系减水剂生产工艺的关键，直接影响最终产品质量。自动化生产过程基于计算机系统调控，加料过程控制趋于精细化。 2 聚羧酸系减水剂生产自动化控制系统分类图1是聚羧酸系减水剂生产流程示意图。该生产所用原料包括聚醚大单体、丙烯酸以及巯基乙酸、双氧水和VC等小料(不同生产厂家添加的小料不同)。首先，在预溶釜内加入一定量去离子水和固体大单体原料(部分厂家采用液体大单体)，通入蒸汽加热并打开搅拌，溶化固体大单体原料，升温至55℃后将其输送到反应釜中。在投入固体大单体过程中可同时配制A、B料，A料主要为巯基乙酸、去离子水和VC等小料的混合液(不同配方添加的小料种类和用量都不尽相同)，B料主要为丙烯酸和去离子水等的混合液，将配制好的A料和B料分别打入A、B料高位槽中。往反应釜内加入双氧水并搅拌，开始滴加A、B料，滴加结束后保温一段时间，之后打开冷却循环水降温，并加入一定量液碱搅拌中和，最后加入去离子水将母液稀释至应用需求的固含量，打开反应釜釜底阀门将母液排入储罐。最后根据需求加入小料进行复配，复配采用自来水即可[2]。图1 聚羧酸系减水剂生产流程示意图 基于工业自动化控制系统的范畴，上述聚羧酸系减水剂生产工艺流程主要通过以下三大控制系统实现。 (1) 温度控制系统 通过调节蒸汽阀和冷却水阀控制通入反应釜外层夹套中的蒸汽或冷却水，从而对釜内温度进行调节控制。为保证温度调节系统的精确控制，首先要选择合适的温度传感器，现有工业生产中较为认可的是铂热电阻温度计，同时搭载使用铠装热电阻，能有效解决釜温滞后大的工艺问题。温度调节系统的自动化控制机理如图2所示，传感器将所测得的温度值发送至控制器并与工艺要求值比较，通过计算温度值偏差的大小和方向，实时调整釜内温度，实现釜内温度的自动化控制[3]。
同时，生产设备的优化设计也为聚羧酸系减水剂生产反应釜内温度的精确控制提供了更为便利的途径。目前，部分减水剂生产厂家在反应釜内配备电磁加热线圈[4]，将电磁加热线圈上的温控器与釜内温度传感器连接，克服传统蒸汽加热方法费时费工的缺点，实现釜内温度更为精确的自动化控制。 (2) A、B料滴加速率控制系统 通过调节A、B加料管线上的调节阀达到控制加料速率的目的，满足工艺要求的加料时间。传统工业生产多采用在A、B料计量槽上安装电子秤，利用单位时间内计量槽内液体重量减少量来控制流速，该方法操作复杂，不利于料液流速的实时控制。现多采用转子流量计或电磁流量计，清晰直观。流量计将测得的数据发送至计算机控制系统，可实时调节A、B料滴加速率，方便快捷。 (3) 釜内加水及加碱量控制系统 通过调节加水管道和加碱管道上的调节阀控制反应釜内的加水量或加碱量。生产后期母液固含量和pH值的调整可通过计算机自动调控系统调节管道阀门，对产品质量进行自动化调控[5]。 3 聚羧酸系减水剂生产自动化控制系统功能3.1 减水剂性能连续可调节功能聚羧酸系减水剂生产厂家通过专业生产线设计公司设计调整生产线上储料罐的安置，方便随时向反应釜中加入不同种类和用量的原料，从而生产出不同种类的聚羧酸系减水剂，实现减水剂性能从减水到保坍的连续可调，从而满足不同区域、不同气温以及不同施工条件等环境的需求。 3.2 在线监控功能程序可编辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)系统是一种专为工业环境设计的数字运算操作系统。聚羧酸系减水剂自动化生产中反应釜内温控制，A、B料滴加速率以及加水、加碱量的调整都要借助于PLC系统的数据传送、数据处理和数据操作转换实现。反应釜中料液的温度、pH值、黏度以及离子含量等参数都可通过相应传感器传送至PLC系统，实现反应体系的参数实时监控和调节。图3即聚羧酸系减水剂生产自动化控制系统的在线监控功能示意图[6]。
3.3 有害离子监测与控制功能虽然聚羧酸系减水剂的生产工艺较木质素减水剂和萘系减水剂更为绿色环保，但其生产工艺的复杂性导致其在生产过程中不可避免会引入对混凝土耐久性有不利影响的离子，如Cl-和SO42-等。通过图3中的离子传感器测定反应釜中有害离子含量，当反应釜中有害离子含量超过设定范围时就会触发相应报警器，实现有害离子浓度的实时监测和控制。 4 结语聚羧酸系减水剂自动化生产技术是基于信息技术对减水剂的生产进行自动检测、控制和调节，从而实现减水剂工业生产的高效性、安全性以及产品质量稳定性。随着信息技术在减水剂生产领域地不断渗透和深化，未来减水剂生产过程将更趋向于智能化和高效化。自动化生产技术作为信息时代的新鲜产物，势必会为减水剂的生产注入更为强劲的发展动力。 聚羧酸系减水剂的广泛开发和应用实现了其生产工艺的多样化，目前自动化控制技术在聚羧酸系减水剂加热合成工艺中逐渐趋于成熟，而常温合成工艺中却少有涉及。研究适合聚羧酸系减水剂不同生产工艺尤其是常温合成工艺的生产自动化控制技术将得到更多关注。 参考文献
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