合成樹脂在線黏度測量應用實例

丁曉炯

(笙威工程技術服務(上海)有限公司，上海 201399)

0 前言

黏度測量是很多化學反應，尤其是聚合反應過程中十分重要的指標，不同聚合物隨著相對分子質量的變化，黏度相應呈現出不同變化規律，大致都是隨著相對分子質量的增加，黏度也相應增加，這也是作為很多過程監控反應過程的測量手段和表征方法。因此，許多生產過程中都需要進行黏度的連續自動測量與控制[1-3]。

在合成樹脂行業中，有可能涉及到黏度測量和控制的情況有很多，有聚合反應過程中的黏度測量、跟蹤和控制反應進程；也有稀釋過程的黏度測量和調整、最終成品的黏度測量，得到符合要求的樹脂產品；還有使用各種樹脂聚合物液體和不同濃度和比例的液體等，都有監測黏度的需要。隨著市場競爭的不斷加劇和用戶生產手段自動化水平的日益提高，對樹脂性能穩定性的要求也越來越高，尤其是GB 50160—2015《石油化工企業設計防火規范》采用以后，以往依靠人工現場取樣進行黏度測試的方法，不僅難以達到對樹脂性能穩定性的精確控制，而且也無法滿足新的安全標準的要求，因此樹脂行業逐步重視、應用在線黏度測量技術，國內也已經有不少企業嘗試和比較成熟地使用該項技術。從發展的角度看，未來樹脂行業應用在線黏度檢測技術勢在必行，就如同今天的DCS控制系統一樣。但是由于物料本身的流變特性、在線測量時實時條件的變化(溫度、攪拌、流動等因素)、實驗室測量結果對比條件的不同，導致了有些企業感覺在線黏度測量技術不成熟、不好用，這主要是由于對物料流變特性的不了解、黏度測量技術的不理解以及測量條件變化對黏度測量值影響關系的不掌握而造成的，這些問題都可以從流變理論和儀器測量原理的角度來得到分析和解決[3-4]。

1 在線黏度測量和實驗室黏度測量

1.1 在線黏度測量

目前，在線黏度計的類型很多，根據測量原理不同，主要有以下幾種類型：壓差式、注(活)塞式、旋轉式、振動式等。

振動式的在線黏度測量起步相對較晚，但發展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當它剪切流體時，流體的黏度對傳感頭振動振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率，計算得到黏度，這類在線黏度計的測量范圍也很寬，適合于不同的流體測量，測量時的剪切率比較高，一般剪切率約在1 000 s-1。高剪切的測量條件要求儀器有很高的靈敏度，現在市場上最高靈敏度為SRV的0.01 cP，能適合剪切變稀的假塑性非牛頓流體，根據流體的流變學特性模型進行后續數據處理。儀器沒有運動部件，無需維護，是目前在使用較多的在線黏度測量方法。

各類在線黏度計的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據測量流體的流變學特性和現場工藝條件進行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[1-2]。

1.2 實驗室黏度測量

實驗室黏度測量也有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運動法。流體法有：毛細管法、流出杯法(涂4杯等)、斜坡法等；運動法有：落球法、旋轉法、振動法等[3-4]。

所有黏度測量的方法，都有一定的局限性和適用范圍[5-6]。而目前在合成樹脂行業，實驗室測量最多的是旋轉法，包括旋轉黏度計和旋轉流變儀。具體型號有布氏旋轉黏度計、NDJ79旋轉黏度計、錐板高溫黏度計等。用于聚合反應終點判斷、中間產品過程監測、最終成品質量檢驗。

2 在線黏度測量實例、實驗室黏度測量數據轉換實例

使用SRV 3/4”NPT螺紋型在線黏度計，根據稀釋釜的尺寸和投料情況，準備適合長度的加長套管、法蘭和內外絲連接頭，從釜頂插入釜中，見圖1。

(a)SRV在線黏度計系統(b)加長套管及法蘭安裝

圖1SRV在線黏度計和現場安裝

由于沒有DCS系統，因此使用了VM顯示控制器接收在線黏度、在線溫度信號，進行現場實時顯示和數據存儲，同時通過參數設置和內置自動計算，顯示指定溫度下的在線黏度和指定溫度下的實驗室黏度。內部存儲數據為一秒一個數據，用U盤將數據導出后，再進行數據計算和繪圖。

完成安裝后，開始進行了投料、變溫、恒溫、稀釋等不同的生產條件變化和正常生產，在線黏度計進行連續自動測量、計算和記錄。進行在線黏度測量的同時，由操作工人進行樣品采樣并記錄采樣時的在線黏度和溫度值，樣品送實驗室，測試方法用旋轉在線黏度計進行黏度測量。

根據設計的實驗對在線黏度、溫度進行繪圖，觀察儀器的工作狀態和結果。

根據在線黏度、在線溫度、實驗室黏度，進行數據轉換參數尋找和計算驗證[5-6]。

由于涉及工藝保密、這里不做樹脂、工藝參數、其他測試條件的詳細描述。

2.1 使用過程、過程曲線

(1)將已裝好探頭的加長套管插入稀釋釜，固定后通電開攪拌并開始測試，釜內已有樹脂，進行保溫一段時間；注入新樹脂、攪拌一段時間；再進行降溫測試、最后排料。在線黏度、溫度過程曲線1見圖2。

圖2 在線黏度、溫度過程曲線1

(2)向空釜注入樹脂、按正常稀釋過程進行，先觀察投料到恒溫的過程。在線黏度、溫度過程曲線2見圖3。

圖3 在線黏度、溫度過程曲線2

(3)向空釜注入樹脂、按正常稀釋過程進行，分三次注入溶劑，最后排料。在線黏度、溫度過程曲線3見圖4。

(4)向空釜注入樹脂、按正常稀釋過程進行，分二次注入溶劑。在線黏度、溫度過程曲線4見圖5。

圖4 在線黏度、溫度過程曲線3

圖5 在線黏度、溫度過程曲線4

2.2 測試結果及計算

根據所用樹脂和黏度要求的不同，做了四個批次的連續在線黏度和實驗室數據對比，數據見表1。

表1中的項目中VT′是根據實測的在線黏度和溫度，得到樹脂的黏溫關系，然后通過計算到VT′60 ℃的在線黏度，再根據VT′60 ℃的在線黏度和實驗室黏度得到兩者的轉換計算參數，進行轉換計算。這里的黏溫關系參數和實驗室轉換參數先以一組(即認為所有的牌號樹脂都一樣)進行計算。

從表1的計算結果可以看到，過程1和3的計算結果偏差相對較小，過程2都是負偏差，過程3都是正偏差；同時，可以看到過程1中有一個數據明顯和其他值不同，因此將該值舍棄，然后按1和3是一類，2、4單獨是另一類重新進行單獨設置參數進行重新計算，結果見表2。

表1 優化前不同過程的在線溫度、在線黏度、60 ℃在線黏度、實驗室黏度及偏差計算

3 結論

3.1 安裝建議

安裝方案一：在新釜設計時，考慮好安裝的位置，一般建議在釜側壁或底部安裝，可以考慮采用預留法蘭，一般建議DN40或50，SRV法蘭型在線黏度計外形見圖6。

安裝方案二：在老釜上安裝，需要尋找現有的預留法蘭，需要DN50以上的預留管道，根據位置進行套管加長，將探頭安裝在套管頂端，另一端焊接固定法蘭，見圖1，套管和法蘭準備及焊接自行準備，如果沒有足夠大的預留管道、或者插入后會碰到攪拌，就不能安裝，需要重新開口或尋找別的位置。

3.2 使用結論及建議

(1)根據測試結果看，SRV在線黏度計安裝在釜上可以連續、實時進行溫度和黏度測量，黏度的變化能反映出隨溫度、加入樹脂、加入溶劑的過程而變化。

圖6 SRV法蘭型在線黏度計外形

(2)加裝在線黏度計之后，可以看到黏度的變化過程曲線，反映出釜內的真實狀態。

表2 優化后不同過程的在線溫度、在線黏度、60 ℃在線黏度、實驗室黏度及偏差計算

(3)通過黏溫轉換及和實驗室轉換，可以得到和實驗室黏度很接近的轉換結果，但是，由于物料的不同、流變特性會相應變化，因此需要根據配方、樹脂的不同進行相應的參數設置，不能用一組數據計算所有的產品，從本例的計算來看，如果只用一組參數，相對平均偏差為9.79%，而如果根據所用樹脂的情況進行相應設置和計算，相對平均偏差為1.17%。這一工作需要現場人員將采樣時的在線黏度、溫度、實驗室黏度記錄好，建議每一批的數據量至少3個以上，最好5個以上，這樣得到的轉換參數會更準確。

(4)目前的實驗室測量工作量大、耗時長，中間過程和操作需要嚴格培訓和按標準執行，尤其是恒溫條件的控制需要加強；同時，加強實驗室黏度計的使用和測量條件的統一和標準化，這樣才能得到準確的測量值，千萬避免出現“為測而測”的現象。

(5)在聚合釜上選用高溫型SRV，最高溫度可以到300 ℃，數據處理方式和稀釋過程類似。

在線黏度測量和DCS技術的結合，應該是樹脂行業的發展趨勢，借助于DCS的數據處理功能，結合專家系統和一定的人工智能，可以將在線測量結果進行轉換并找到最佳的控制點和控制區間，最終實現批次的反應過程和最終產品的質量穩定，真正實現自動化生產，見圖7。

圖7 在線黏度計的使用