本发明涉及碳纤维生产，具体为一种用于碳纤维生产的厂房及控制系统。
背景技术：
1、碳纤维是一种以碳元素为主要成分的高性能纤维材料，具有轻质、高强、高模、耐高温、耐腐蚀、导电等优异特性，被广泛应用于航空航天、汽车、运动器材、工业制品等领域。目前，碳纤维的原料主要有聚丙烯腈(pan)、沥青、苯乙烯系树脂、细胞纤维素等，其中以pan为原料的碳纤维占据了市场的主导地位，约占90％以上。
2、pan是一种线性高分子，由丙烯腈(an)和其他共聚单体(如甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸等)组成，其结构和组成直接影响碳纤维的性能。pan的制备方法主要有悬浮聚合法、乳液聚合法、溶液聚合法等，其中以溶液聚合法最为常用，因为它可以获得高分子量、高均匀性、低杂质的pan。pan的纺丝是将pan溶液通过喷嘴挤出，经过拉伸、凝固、洗涤、干燥等过程，制得pan原丝。pan的纺丝方法主要有湿法纺丝、干法纺丝、干湿法纺丝等，其中以湿法纺丝最为普遍，因为它可以获得高强度、高取向、低残余应力的pan原丝。pan的纺丝过程中的各种参数，如溶液浓度、喷嘴孔径、拉伸倍数、凝固浴温度、洗涤条件等，都会影响pan原丝的结构和性能，进而影响碳纤维的质量。
3、pan原丝经过预氧化、碳化、石墨化等高温处理，可以转变为碳纤维。预氧化是在200-300℃的空气中进行的氧化稳定反应，使pan原丝中的氰基、甲基等侧链基团发生断裂、氧化、缩合等反应，形成含氮的芳香环结构，提高原丝的热稳定性和碳化收率。碳化是在800-1500℃的惰性气氛中进行的热解反应，使预氧化丝中的非碳元素(如氮、氢、氧等)大量挥发，形成含碳量高达90％以上的碳纤维。石墨化是在1500-3000℃的惰性气氛中进行的高温处理，使碳纤维中的碳原子沿纤维轴向排列，形成石墨晶须，提高碳纤维的结晶度、导电性和耐高温性。
4、目前，在碳纤维生产的过程中，需要解决以下技术问题：1、为了满足大批量碳纤维连续化、自动化、智能化的生产，需要一个用于碳纤维生产的厂房和控制系统，用于提高碳纤维的生产质量和效率，降低了碳纤维的制造成本和能耗；2、实际生产过程中，需要能够监测和调节原丝制备过程中的各种参数，以保证原丝的性能和质量，实现对原丝制备过程的精确和稳定的控制，保证聚合物的分子量、分子量分布和立构规整性，为后续的碳纤维制备提供了优质的原料；3、实际生产过程中，需要能够为碳纤维生产的控制系统提供一个纺丝过程的控制模块，该控制模块能够监测和调节纺丝过程中的各种参数，以保证原丝的直径、强度、均匀性和取向，实现对纺丝过程的精确和稳定的控制，保证了原丝的形态和结构，为后续的预氧化和碳化过程提供了合适的条件。
技术实现思路
1、本发明的目的是针对以上问题，提供一种用于碳纤维生产的厂房及控制系统，厂房包含了从原丝制备到碳纤维成品的所有工艺步骤所需的设备和车间，实现了碳纤维的连续化、自动化和智能化的生产，提高了碳纤维的质量和效率，降低了碳纤维的成本和能耗，控制系统能够监测和调节原丝制备过程中的各种参数，以保证原丝的性能和质量，实现了原丝制备过程的精确和稳定的控制，保证了聚合物的分子量、分子量分布和立构规整性，为后续的碳纤维制备提供了优质的原料。
2、为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于碳纤维生产的厂房，包括原丝制备车间、预氧化车间、碳化车间和表面处理及上浆车间，
3、原丝制备车间内设置聚合釜、纺丝机、洗涤机、干燥机、卷绕机设备；
4、预氧化车间内设有预氧化炉、卷绕机；
5、碳化车间内设有碳化炉、卷绕机；
6、表面处理及上浆车间内设有表面处理机、上浆机。
7、一种碳纤维生产的厂房中的控制系统，控制系统包括设置在原丝制备车间内的计算机和传感器，用于监测和调节聚合过程的温度、压力、搅拌速度、引发剂用量、水和单体比参数，纺丝过程纺丝液的浓度、温度、粘度、流量、喷丝孔的直径、纺丝速度、牵伸倍数参数，洗涤、干燥和卷绕过程的洗涤液的温度、ph值、浓度、流量、时间参数，卷绕速度、张力、卷绕角度参数；
8、根据预设的聚合反应动力学模型进行自动化和智能化的调节，以保证聚合物的分子量、分子量分布和立构规整性，所聚合反应动力学数学模型满足以下要求：
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11、
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13、其中，m为聚合物的平均转化度，m0为单体的初始浓度，mw为聚合物的重均分子量，mn为聚合物的数均分子量，mt为聚合物的立构规整度，kp为聚合反应速率常数，t为聚合时间。
14、优选的，纺丝过程的纺丝液的浓度、温度、粘度、流量、喷丝孔的直径、纺丝速度、牵伸倍数参数由计算机根据预设的纺丝流变学模型进行精确和稳定的控制，以保证原丝的直径、强度、均匀性和取向，其中，纺丝流变学数学模型满足以下要求：
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16、
17、
18、
19、其中，τ为纺丝液的剪切应力，η为纺丝液的剪切粘度，为纺丝液的剪切速率，λ为纺丝液的延展粘度，σ为纺丝液的拉伸应力，q为纺丝液的流量，r为喷丝孔的半径，d为原丝的直径，v为原丝的速度，d0为喷丝孔的直径，dr为原丝的牵伸倍数。
20、优选的，控制系统包括预氧化车间内设置的电热管、温度传感器、温度控制器、变频器、张力控制器、速度传感器、氧气泵、氧气流量计、氧气分析仪，用于控制预氧化过程的预氧化温度、预氧化速度和预氧化气氛。
21、优选的，预氧化温度由电热管提供热量，温度传感器检测预氧化炉内温度，温度控制器根据预设的温度曲线对电热管的功率进行调节，以保证预氧化炉内温度的均匀和精确的控制，温度曲线满足以下要求：
22、t＝t0+aln(t+b)+c
23、其中，t为预氧化炉内温度，t0为初始温度，a，b，c为温度曲线的参数，t为预氧化时间；
24、预氧化速度由变频器控制预氧化炉内的传动装置，张力控制器控制预氧化炉内的张力装置，速度传感器检测预氧化炉内的原丝速度，变频器和张力控制器根据预设的速度曲线对传动装置和张力装置进行调节，以保证预氧化炉内原丝的恒定和适宜的速度，速度曲线满足以下要求：
25、v＝v0+dexp(e(t-f))
26、其中，v为预氧化炉内原丝的速度，v0为初始速度，d，e，f为速度曲线的参数，t为预氧化时间；
27、预氧化气氛由氧气泵向预氧化炉内输送氧气，氧气流量计检测预氧化炉内氧气的流量，氧气分析仪检测预氧化炉内氧气的浓度，氧气泵根据预设的氧气曲线对氧气的流量进行调节，以保证预氧化炉内氧气的供应和检测，其中，氧气曲线满足以下要求：
28、q＝q0+gsin(h(t-i))
29、其中，q为预氧化炉内氧气的流量，q0为初始流量，g，h，i为氧气曲线的参数，t为预氧化时间。
30、优选的，碳化车间设置电阻丝、温度传感器、温度控制器、变频器、张力控制器、速度传感器、氮气泵、氮气流量计、氮气分析仪，用于控制碳化过程的碳化温度、碳化速度和碳化气氛。
31、优选的，碳化温度由电阻丝提供热量，温度传感器检测碳化炉内温度，温度控制器根据预设的温度曲线对电阻丝的电流进行调节，以保证碳化炉内温度的均匀和精确的控制，温度曲线满足以下要求：
32、t＝t1+j(1-exp(-k(t-l)))+m
33、其中，t为碳化炉内温度，t1为初始温度，j，k，l，m为温度曲线的参数，t为碳化时间；
34、碳化速度由变频器控制碳化炉内的传动装置，张力控制器控制碳化炉内的张力装置，速度传感器检测碳化炉内的预氧丝速度，变频器和张力控制器根据预设的速度曲线对传动装置和张力装置进行调节，以保证碳化炉内预氧丝的恒定和适宜的速度，速度曲线满足以下要求：
35、v＝v1+n(1-exp(-p(t-q)))+r
36、其中，v为碳化炉内预氧丝的速度，v1为初始速度，n，p，q，r为速度曲线的参数，t为碳化时间。
37、优选的，碳化气氛由氮气泵向碳化炉内输送氮气，氮气流量计检测碳化炉内氮气的流量，氮气分析仪检测碳化炉内氮气的浓度，氮气泵根据预设的氮气曲线对氮气的流量进行调节，以保证碳化炉内氮气的供应和检测，其中，所述的氮气曲线为：
38、q＝q1+scos(t-u)
39、其中，q为碳化炉内氮气的流量，q1为初始流量，s，u为氮气曲线的参数，t为碳化时间。
40、优选的，表面处理及上浆车间设置表面处理机、上浆机、温度传感器、温度控制器、变频器、张力控制器、速度传感器、上浆液泵、上浆液流量计、上浆液分析仪，用于控制表面处理及上浆过程的表面处理温度、表面处理速度、上浆液的浓度、流量和ph值。
41、优选的，表面处理温度由表面处理机提供热量，温度传感器检测表面处理机内温度，温度控制器根据预设的温度曲线对表面处理机的功率进行调节，以保证表面处理机内温度的均匀和精确的控制，温度曲线满足以下要求：
42、t＝t2+vexp(-w(t-x))+y
43、其中，t为表面处理机内温度，t2为初始温度，v，w，x，y为温度曲线的参数，t为表面处理时间；
44、表面处理速度由变频器控制表面处理机内的传动装置，张力控制器控制表面处理机内的张力装置，速度传感器检测表面处理机内的碳纤维速度，变频器和张力控制器根据预设的速度曲线对传动装置和张力装置进行调节，以保证表面处理机内碳纤维的恒定和适宜的速度，速度曲线满足以下要求：
45、v＝v2+z(1-cos(α(t-β)))+γ
46、其中，v为表面处理机内碳纤维的速度，v2为初始速度，z，α，β，γ为速度曲线的参数，t为表面处理时间；
47、上浆液的浓度、流量和ph值由上浆液泵向上浆机内输送上浆液，上浆液流量计检测上浆机内上浆液的流量，上浆液分析仪检测上浆机内上浆液的浓度和ph值，上浆液泵根据预设的上浆液曲线对上浆液的流量进行调节，以保证上浆机内上浆液的供应和检测，其中，上浆液曲线满足以下要求：
48、q＝q2+δexp(-ò(t-ζ))+η
49、其中，q为上浆机内上浆液的流量，q2为初始流量，δ，ò，ζ，η为上浆液曲线的参数，t为上浆时间。
50、本发明的有益效果：本发明提供了一种用于碳纤维生产的厂房及控制系统，厂房包含了从原丝制备到碳纤维成品的所有工艺步骤所需的设备和车间，实现了碳纤维的连续化、自动化和智能化的生产，提高了碳纤维的质量和效率，降低了碳纤维的成本和能耗，控制系统能够监测和调节原丝制备过程中的各种参数，以保证原丝的性能和质量，实现了原丝制备过程的精确和稳定的控制，保证了聚合物的分子量、分子量分布和立构规整性，为后续的碳纤维制备提供了优质的原料。
1.一种用于碳纤维生产的厂房，其特征在于，包括原丝制备车间、预氧化车间、碳化车间和表面处理及上浆车间，
2.一种用于权利要求1所述碳纤维生产的厂房中的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括设置在原丝制备车间内的计算机和传感器，用于监测和调节聚合过程的温度、压力、搅拌速度、引发剂用量、水和单体比参数，纺丝过程纺丝液的浓度、温度、粘度、流量、喷丝孔的直径、纺丝速度、牵伸倍数参数，洗涤、干燥和卷绕过程的洗涤液的温度、ph值、浓度、流量、时间参数，卷绕速度、张力、卷绕角度参数；
3.根据权利要求2所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述纺丝过程的纺丝液的浓度、温度、粘度、流量、喷丝孔的直径、纺丝速度、牵伸倍数参数由计算机根据预设的纺丝流变学模型进行精确和稳定的控制，以保证原丝的直径、强度、均匀性和取向，其中，纺丝流变学数学模型满足以下要求：
4.根据权利要求3所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括预氧化车间内设置的电热管、温度传感器、温度控制器、变频器、张力控制器、速度传感器、氧气泵、氧气流量计、氧气分析仪，用于控制预氧化过程的预氧化温度、预氧化速度和预氧化气氛。
5.根据权利要求4所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述预氧化温度由电热管提供热量，温度传感器检测预氧化炉内温度，温度控制器根据预设的温度曲线对电热管的功率进行调节，以保证预氧化炉内温度的均匀和精确的控制，温度曲线满足以下要求：
6.根据权利要求5所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述碳化车间设置电阻丝、温度传感器、温度控制器、变频器、张力控制器、速度传感器、氮气泵、氮气流量计、氮气分析仪，用于控制碳化过程的碳化温度、碳化速度和碳化气氛。
7.根据权利要求6所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述碳化温度由电阻丝提供热量，温度传感器检测碳化炉内温度，温度控制器根据预设的温度曲线对电阻丝的电流进行调节，以保证碳化炉内温度的均匀和精确的控制，温度曲线满足以下要求：
8.根据权利要求7所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述碳化气氛由氮气泵向碳化炉内输送氮气，氮气流量计检测碳化炉内氮气的流量，氮气分析仪检测碳化炉内氮气的浓度，氮气泵根据预设的氮气曲线对氮气的流量进行调节，以保证碳化炉内氮气的供应和检测，其中，所述的氮气曲线为：
9.根据权利要求8所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述表面处理及上浆车间设置表面处理机、上浆机、温度传感器、温度控制器、变频器、张力控制器、速度传感器、上浆液泵、上浆液流量计、上浆液分析仪，用于控制表面处理及上浆过程的表面处理温度、表面处理速度、上浆液的浓度、流量和ph值。
10.根据权利要求9所述的一种用于碳纤维生产的控制系统，其特征在于，所述表面处理温度由表面处理机提供热量，温度传感器检测表面处理机内温度，温度控制器根据预设的温度曲线对表面处理机的功率进行调节，以保证表面处理机内温度的均匀和精确的控制，温度曲线满足以下要求：
