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        數(shù)值分析法探討固體水玻璃的最佳溶解條件

        2021-09-10 10:25:26朱建強
        化工管理 2021年24期
        關鍵詞:水料釜內投入量

        朱建強

        (蘭州三葉實業(yè)有限公司,甘肅 蘭州 730060)

        0 引言

        10萬噸/年水玻璃溶液裝置是2014年三葉實業(yè)有限公司重點建設的項目,作為催化劑廠的配套裝置,以生產(chǎn)合成分子篩所需的原料水玻璃為目的。水玻璃溶液裝置于2014年建成投產(chǎn)。主要以固體水玻璃為原料,水玻璃溶液的制備主要由溶解和調配工序組成。最終將固體水玻璃制備成符合產(chǎn)品要求的水玻璃溶液。

        將固體水玻璃投入已經(jīng)加入過濾水的靜壓釜,然后通入蒸汽加熱加壓使其溶解,成為一定模數(shù)的水玻璃溶液的過程稱為溶解過程,溶解是水玻璃的生產(chǎn)中的重要過程,溶解質量和速度決定著產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。

        1 水玻璃溶液生產(chǎn)原理

        固體水玻璃的模數(shù)(SiO2和Na2O的摩爾比)決定了它的易溶程度,模數(shù)是水玻璃的重要參數(shù),一般在1.5~3.5之間,模數(shù)越大越難溶于水。一般情況模數(shù)3.0為一界限,模數(shù)3.0以下的,在冷水和熱水中及常壓下都能溶解,不過冷水溶解得慢,熱水溶解得快。模數(shù)高于3.0,冷水溶解相當困難,常壓下熱水雖然能溶解一些,但溶解速度很慢,必須加溫加壓進行溶解。我車間使用的硅酸鈉模數(shù)在3.0~3.3之間,故生產(chǎn)中采用蒸壓式靜壓釜作為溶解設備,使用催化劑廠公用工程系統(tǒng)提供的蒸汽。在生產(chǎn)過程中,釜內放熱反應會增大溶解壓力[1],故而水玻璃反應釜控制在0.2 MPa~0.6 MPa左右保壓,根據(jù)靜壓釜設計參數(shù),該釜壓力不超過1 MPa。在生產(chǎn)過程中,靜壓釜保壓壓力和固體水玻璃的投入量是影響水玻璃的溶解和產(chǎn)品質量的重要因素,過高或過低的壓力和投入量都會導致水玻璃溶解率降低,造成生產(chǎn)成本的增加,影響產(chǎn)品質量。

        2 反應條件對水玻璃溶解度的影響

        在生產(chǎn)實驗過程中使用的固體水玻璃,硅酸鈉含量不小于70%,反應釜內投入水玻璃,投入用約90分鐘。水玻璃投入結束后向反應釜內通入蒸汽,當釜內壓力達到保壓力后關閉蒸汽,保壓力2 h后對溶解進行化驗。

        為了尋求最佳的溶解條件,我們測定了不同壓力下溶液中SiO2含量,希望找到使固體水玻璃的溶解度達到最大的壓力條件。然后在這一壓力下調節(jié)固體水玻璃的投入量來尋求水玻璃的最佳投入量。

        2.1 反應壓力對水玻璃轉化率的影響

        在相同模數(shù)的條件下,溫度高,整個溶解體系的能量大,能夠加快溶解速度,溫度低給予體系的能量少,溶解速率也慢,溶解過程是吸熱反應,但是在硅酸鈉溶解過程中,伴隨著硅酸鈉的水合、水解,硅酸鈉遇水后與水發(fā)生反應,并結合生成結合水合物,水不僅在塊料表面結合,還會從塊料表面向內進行滲透結合,所以原固體硅酸鈉的體積會發(fā)生膨脹并放出熱量,此階段為放熱反應,靜壓釜一般通入蒸汽壓力為0.2-0.7 MPa,因此在靜壓釜操作過程中要密切注意靜壓釜的蒸汽壓力變化。

        為了觀測起始反應壓力對水玻璃轉化率的影響,在實驗中向每個反應釜投入6 t水玻璃和12 t過濾水,調節(jié)反應釜起始反應壓力,獲得不同保壓壓力下水玻璃的溶解度。

        表1中數(shù)據(jù)顯示保壓壓力對水玻璃轉化率的影響:

        表1 反應釜保壓壓力對水玻璃的影響

        (1)在保壓壓力小于0.4 MPa時,溶解度較低,說明原料未完全溶解。

        (2)當保壓壓力增至0.4 MPa時,產(chǎn)品溶解度提升明顯。

        (3)在水玻璃的轉化率達到60%以后,保壓壓力的增加對溶解度的影響較?。?/p>

        為了更加清楚地說明保壓壓力對溶解率的影響,對水玻璃溶解率曲線采用Boltzmann方程進行擬合。

        圖1中實線為水玻璃的轉化率曲線,虛線為轉化率曲線的擬合曲線,擬合方程

        圖1 水玻璃的溶解率曲線

        以y為水玻璃的溶解率,x為保壓壓力,從方程中可以看出保壓壓力對水玻璃固體的溶解率影響的規(guī)律。

        (1)水玻璃的轉化率介于37.29~60.54%之間;(2)在保壓壓力為0.4 MPa的時候,水玻璃溶解率的增長速度最快。(3)0.4 MPa后溶解率隨著保壓壓力增加而緩慢上升,說明0.4 MPa后保壓壓力對溶解率的影響已不太明顯?;谝陨戏治鑫覀儧Q定采用0.4 MPa作為靜壓釜的起始保壓壓力。

        2.2 水料比對水玻璃溶解率的影響

        對于一般的可溶性無機鹽,在溶解時,水料比越大,也就是加水量越多溶解的速度越快。但水玻璃不盡然,水玻璃是一種復雜的玻璃膠體,有時加水過多,反而溶解得慢,反應時間長。這是由其溶解機理所決定。加水多,水解的NaOH濃度高,但由于加倍稀釋,相對來說堿度小,不利于結合,所以溶解速度慢。加水少,水解的NaOH濃度高,反而有利于結合。但是加水量的多少也不是隨意的。水料比應該掌握在一定的合適范圍,溶化效率才高。為了尋找最佳的水料比我們將靜壓釜內的過濾水控制在13噸,調節(jié)固體水玻璃的投入量,溶解結束后測定溶解中SiO2含量,通過測定不同投入量的溶解率來確定最佳的水料比。

        通過對不同壓力條件下的實驗數(shù)據(jù)和采集和分析,我們確定最佳保壓壓力為0.4 MPa。因此在研究最佳的水料配比的過程中我們也采用0.4 MPa為保壓壓力,收集分析不同水料比下靜壓釜升壓和保壓以及SiO2含量數(shù)據(jù),找出使固體水玻璃溶解率達到最大的水料比[2]。

        2.2.1 水料配比方案的對比

        從表2可以看,4種不同的投入量中,溶解率最高的是13:8的水料配比方案。在實驗過程中我們給予靜壓釜內的保壓壓力均為0.4 MPa,保壓時長均為2 h,可以看出隨著水玻璃投入量的增加,到達保壓壓力的速度逐漸加快,同時釜內的最高壓力也隨之增大,這符合一般的經(jīng)驗和理想氣體狀態(tài)方程。當水玻璃的投入量增加到8 t/h,此時的溶液已趨于飽和,同時壓力對溶解度的影響趨于弱小,因此當投入量再增加時已有部分固體水玻璃不能溶解,造成溶液中SiO2含量的降低[3]。

        表2 不同水料比水玻璃的溶解情況

        2.2.2 最佳水料配比的選擇

        采用13∶8這一水料比時,當壓力升至0.4 MPa開始保壓后,靜壓釜內壓力在2 h以內最高可自升壓至0.6 MPa左右,證明固體水玻璃在釜內發(fā)生放熱反應開始迅速溶解,2 h采樣化驗SiO2含量在300 g/l左右,經(jīng)過調配后達到要求指標即可轉輸催化劑廠,打開投料口觀察,釜內剩余固體水玻璃較少,反應較為充分。此一配比方案經(jīng)過長時間的生產(chǎn),其保壓過程中自升壓最高達到0.7 MPa,且壓力穩(wěn)定,較為安全。溶解結束后每釜可生產(chǎn)水玻璃溶液20 t左右,收率穩(wěn)定[4]。

        經(jīng)過不斷地探索計算過程后,我們確定的水料比為1.625(即8噸固體水玻璃溶于13 t過濾水)。

        3 結語

        綜上所述,當保壓壓力為0.4 MPa時,固體水玻璃的溶解率效率最高;最佳水料比為1.625,此時收率穩(wěn)定,可以達到最佳產(chǎn)率。綜合以上二者可以達到最佳經(jīng)濟效益。

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