Производство химических волокон состоит из двух основных стадий - химический цех, в котором производят прядильный раствор (вискозу) и цех формования, где путем высаживания из прядильного раствора альфа целлюлозы, придания ей требуемой формы, отделки и сушки получают готовую продукцию.
Содержание альфа целлюлозы в вискозе является одним из важнейших параметров процесса получения вискозных материалов, в большой степени определяющий качественные показатели и эффективность производства продукции. Колебания содержания альфа в вискозе приводят к нарушениям процесса формования, изменению текса и титра выпускаемых нитей и пленок, соотношения концентрации альфа к концентрации щелочи, что снижает экономическую эффективность производства [1]. Кроме того, колебания содержания альфа в вискозе приводят к изменению вязкости вискозы и, соответственно, к изменению процесса формования, структуры нити, ее механических характеристик.
Основными факторами, влияющими на состав получаемой вискозы, являются нестабильность содержания альфа целлюлозы в исходной целлюлозе и нестабильность процессов на технологических переходах. Нарушения подачи листов целлюлозы в мерсеризатор, особенно в конце срабатывания очередной кипы целлюлозы, задержки в дозировании листов или падения части кипы в мерсеризатор при переходе на новую кипу, нестабильность процесса отжима щелочной целлюлозы на выходе процесса мерсеризации, изменение температурного режима деструкции, отклонения объемов дозировок растворительной щелочи и умягченной воды в процессе растворения от заданных значений приводят к колебаниям состава вискозы.
Все это, несмотря на существующие системы управления технологическим процессом вискозного производства, приводит к большим колебаниям содержания альфа целлюлозы на выходе процесса растворения и на стадии формования выпускаемой продукции, что подтверждается приведенным на рис. 1 экспериментальным временным рядом содержания альфа целлюлозы из смесителей. На графике видно наличие большого разброса содержания альфа в вискозе (линия 1), большого количества выбросов содержания альфа за пределы регламентных значений (показанных линиями 2), а также наличие низкочастотной составляющей (показанной линией 3).
Самым распространенным способом управления составом вискозы является стабилизация содержания альфа целлюлозы в щелочной целлюлозе и выдерживания постоянных дозировок сероуглерода, щелочи и умягченной воды в процессе ксантогенирования. Для этого применяют целый комплекс систем автоматизации процесса мерсеризации [2]. Недостатком такого способа является низкая точность стабилизации состава вискозы. Практический опыт работы показывает невозможность добиться стабильности содержания альфа в щелочной целлюлозе выше чем ± 1 %. Часто ошибки управления содержанием альфа в щелочной целлюлозе значительно выше, что подтверждается экспериментальными данными (линия 4), представленными на рис. 2, где разброс достигает ± 2 %. На рис. 2 линией 5 показано наличие низкочастотной составляющей во временном ряду содержания альфа целлюлозы в щелочной целлюлозе, а линиями 6 показаны регламентные значения содержания альфа целлюлозы в щелочной целлюлозе. При таком разбросе содержания альфа целлюлозы в щелочной целлюлозе расчетные значения колебаний альфа в вискозе достигают, соответственно, ± 0.3 и ± 0.6 %, что значительно превышает допустимые технологическими регламентами производств допуски ± 0.2 %.
Существует способ стабилизации содержания альфа в вискозе путем расчета объемов сероуглерода, растворительной щелочи и умягченной воды, дозируемых в процессе ксантогенирования, при известном содержании альфа целлюлозы в щелочной целлюлозе [3]. Недостатком способа является низкая точность выдерживания альфа целлюлозы в вискозе, вследствие нестабильности состава щелочной целлюлозы и невозможности точного определения содержании альфа целлюлозы в партии щелочной целлюлозы. Ввиду отсутствия автоматизированных средств контроля, определение альфа целлюлозы производится лабораторным путем и, вследствие большой продолжительности лабораторного анализа, результаты анализа можно использовать только для корректировки второй или даже третьей и последующих партий, в которых состав щелочной целлюлозы уже изменился. Кроме того, также вследствие большой нестабильности состава щелочной целлюлозы (рис. 2.), для оценки среднего значения содержания альфа целлюлозы в партии необходимо сделать большое количество анализов или сделать большое количество отборов, тщательно перемешать и отобрать 2 грамма на лабораторный анализ, в котором бы присутствовали элементы от всех областей щелочной целлюлозы данной партии с различными составами, что практически невозможно. Поэтому лабораторный анализ не отображает действительного среднего значения содержания альфа целлюлозы в данной партии.
Также существует способ управления составом вискозы путем расчета объемов дозировок сероуглерода, растворительной щелочи и умягченной воды по формулам, полученным путем решения уравнений материального баланса, на основании отфильтрованных результатов лабораторных анализов содержания альфа целлюлозы в каждой десятой партии щелочной целлюлозы и заданных значений содержания альфа целлюлозы и щелочи в вискозе с корректировкой полученных объемов дозировок по отклонениям отфильтрованных значений содержания альфа целлюлозы и щелочи в вискозе от заданных значений [4].
Недостатком способа является низкая точность управления содержанием альфа в вискозе, вследствие существенной погрешности выборочного метода контроля содержания альфа целлюлозы и щелочи в щелочной целлюлозе, несоответствия частоты контроля состава непрерывного входного потока щелочной целлюлозы (контроль состава щелочной целлюлозы осуществляется лишь для каждой десятой партии вискозы) частоте приготовления партии на периодических стадиях ксантогенирования и растворения. Канал управления по обратной связи путем корректировки объемов дозировок по отклонениям отфильтрованных значений содержания альфа целлюлозы и щелочи в вискозе от заданных значений также не обеспечивает требуемой точности управления, вследствие наличия большого транспортного запаздывания в технологической цепочке по управляющему воздействию и относительно высокочастотного спектра колебания содержания альфа целлюлозы в вискозе. На рис. 3 представлены результаты моделирования данной системы управления с обратной связью по содержанию альфа в вискозе. Сравнительный анализ графиков содержания альфа целлюлозы в вискозе при разомкнутой (линия 7) и замкнутой (линия 8) системе показывает незначительное уменьшение дисперсии низкочастотной составляющей содержания альфа целлюлозы в вискозе и увеличение дисперсий средне- и высокочастотных составляющих, что подтверждает неэффективность канала обратной связи. Это является результатом наличия высокочастотного спектра колебания содержания альфа целлюлозы в вискозе относительно динамических характеристик канала управления по обратной связи. При этом возмущающее воздействие (колебания содержания альфа целлюлозы в вискозе по всем возможным неконтролируемым факторам) по своему спектральному составу попадает в зону неэффективной работы канала управления по обратной связи [5].
Проведенный анализ показывает, что:
- экспериментальные временные ряды содержания альфа целлюлозы в вискозе и в щелочной целлюлозе превышают регламентные значения;
- существующие способы управления содержанием альфа целлюлозы в вискозе недостаточно эффективны;
- необходим поиск новых способов управления содержанием альфа целлюлозы в вискозе.
Литература:
- Роговин З. А. Основы химии и технологии химических волокон. T. I. – M.: Химия, 1974.-520 c.
- Грищенко А.З. Автоматическое управление в производстве химических волокон. М., Химия, 1975.-296с.
- А. Н. Ряузов, В. А. Груздев, Ю. А. Костров. Технология производства химических волокон. М., Химия 1974.-512с.
- Стабилизация вискозы в производстве искусственных волокон. // Т. Г. Сурис, А. М. Зябликов, Т. Д. Олейник. – ХВ 1986. -№5, -С. 14-43.
- Вестник Саратовского государственного технического университета.// Бирюков В.П. -2005. - №3, -С.116-126.
