朱麗葉　邢遠(yuǎn)志　王樹清

關(guān)鍵詞：歧化松香酸鉀皂;總固物;松香;質(zhì)量評(píng)價(jià);數(shù)學(xué)模型

松香是一種復(fù)雜混合物，根據(jù)來源劃分為脂松香、木松香和浮油松香。即使是品質(zhì)最佳的脂松香，也會(huì)因產(chǎn)地、樹種不同而有較大質(zhì)量差異[1]。市面上的松香質(zhì)量參差不齊，缺乏系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。

目前，歧化松香酸鉀皂生產(chǎn)企業(yè)普遍執(zhí)行GB/T8145—2003《脂松香》中酸值、軟化點(diǎn)、不皂物、乙醇不溶物、灰分5項(xiàng)指標(biāo)入廠分析。為了更加準(zhǔn)確地表征，部分企業(yè)對(duì)每批入廠松香進(jìn)行“小試”。經(jīng)驗(yàn)表明，生產(chǎn)實(shí)踐和入廠分析、“小試”的結(jié)果并不能一一對(duì)應(yīng)。松香質(zhì)量評(píng)價(jià)是質(zhì)量和成本管理的現(xiàn)實(shí)課題。

在生產(chǎn)管理過程中，除了入廠分析結(jié)果，松香質(zhì)量評(píng)價(jià)主要從松香外觀、單釜催化劑投加量、松香單耗和產(chǎn)品鉀皂外觀4個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。其中，原料松香單耗統(tǒng)計(jì)的難點(diǎn)是缺乏有效的計(jì)量手段，沒有精度達(dá)標(biāo)的流量計(jì)，沒有液位計(jì)。利用“計(jì)數(shù)投加的桶數(shù)×單桶凈重”核算松香單耗，一方面，無法定量分析系統(tǒng)存量對(duì)實(shí)測(cè)單耗的影響;另一方面，實(shí)測(cè)松香單耗發(fā)生異常波動(dòng)時(shí)，無法準(zhǔn)確分析影響因素。

行業(yè)內(nèi)使用渦街流量計(jì)、金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)都無法達(dá)到松香計(jì)量要求，容積式流量計(jì)精度較高，但存在頻繁卡澀故障，需要不斷清理，無法穩(wěn)定運(yùn)行。通過技術(shù)交流，有的廠商采用秤計(jì)量?jī)?chǔ)罐進(jìn)料前后的質(zhì)量變化判斷松香進(jìn)料/出料量，此設(shè)計(jì)對(duì)儲(chǔ)罐和管線安裝有較高要求，需要消除設(shè)備、管線振動(dòng)和應(yīng)力造成的系統(tǒng)誤差。缺乏精度達(dá)標(biāo)的松香計(jì)量手段是歧化松香酸鉀皂行業(yè)的共同難題。在此業(yè)務(wù)背景下，本研究建立了以下數(shù)學(xué)模型。

1皂化反應(yīng)數(shù)學(xué)模型

皂化反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是歧化松香中的樹脂酸和堿水中的KOH酸堿中和：

RCOOH+KOH→RCOOK+HO （1）

在生產(chǎn)實(shí)踐中，預(yù)加一定量的堿水、軟化水后放料（加入歧化松香），根據(jù)總固物分析結(jié)果和pH分析結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)水和補(bǔ)堿操作，使產(chǎn)品總固物和pH符合質(zhì)量要求。

歧化松香中的不皂物、堿水中的軟化水（52.00%左右）、加入的軟化水并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)品鉀皂中的“純度”用來描述脫氫樅酸鉀。產(chǎn)品鉀皂中的“總固物”是脫氫樅酸鉀、不皂物和未反應(yīng)的KOH。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可以列出公式（2）和公式（3）。

將公式（2）和公式（3）整理變形可以用于計(jì)算歧化松香量和補(bǔ)水量。

本研究介紹的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)堿水濃度均一，預(yù)加堿和補(bǔ)堿全部參與化學(xué)反應(yīng)生成水，存在一定誤差。在生產(chǎn)實(shí)踐中，利用Excel表格，操作人員錄入預(yù)加水量、預(yù)加堿量、補(bǔ)堿量、堿水濃度和目標(biāo)總固物，自動(dòng)計(jì)算單釜歧化松香量和補(bǔ)水量。分析結(jié)果證明，總固物控制精度達(dá)到±0.05%，建模假設(shè)引入的誤差可以接受。

目標(biāo)總固物的調(diào)整目的是保證在原料松香中不皂物含量波動(dòng)時(shí)，產(chǎn)品純度大于等于21.60%，尋求產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的平衡點(diǎn)，調(diào)整幅度不大。產(chǎn)品鉀皂中的歧化松香、堿水和軟化水的比例相對(duì)固定?？偣涛锓治鋈忧?，操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)利用pH試紙確認(rèn)預(yù)加堿量和歧化松香量（未知）基本匹配。引入數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)確定的比例系數(shù)，利用預(yù)加堿量計(jì)算預(yù)加水量，平均補(bǔ)水量控制精度達(dá)到250kg/釜（單釜產(chǎn)量20t/釜）。皂化總固物和pH平均分析頻次由“>2次/批”控制到“<2次/批”，在一定程度上減輕了分析工作量，節(jié)省了一定分析費(fèi)用。

2松香單耗波動(dòng)定量分析

原料松香和中間產(chǎn)品歧化松香缺少有效計(jì)量手段，目前，根據(jù)原料松香投加桶數(shù)確定松香投加量，據(jù)此計(jì)算松香單耗，無法確認(rèn)松香單耗波動(dòng)發(fā)生在歧化反應(yīng)工序還是皂化反應(yīng)工序，無法進(jìn)行定量分析。根據(jù)松香單耗定義，整理變形得到公式（4）：

松香單耗的定量分析需要“1t歧化松香能生產(chǎn)的鉀皂量”和“生產(chǎn)1t歧化松香需要的松香量”兩個(gè)參數(shù)?！?t歧化松香能生產(chǎn)的鉀皂量”反映了皂化反應(yīng)過程對(duì)松香單耗的影響，“生產(chǎn)1t歧化松香需要的松香量”反映了歧化反應(yīng)過程對(duì)松香單耗的影響。

2.11t歧化松香能生產(chǎn)的鉀皂量

“1t歧化松香能生產(chǎn)的鉀皂量”的實(shí)質(zhì)是產(chǎn)品鉀皂中歧化松香、堿水和軟化水的比例，影響因素包括目標(biāo)總固物控制水平、歧化松香酸值和裝置損耗。通過數(shù)據(jù)模型計(jì)算出歧化松香量，利用“鉀皂產(chǎn)量/歧化松香量”計(jì)算。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本參數(shù)隨總固物控制水平呈線性波動(dòng)，忽略歧化松香酸值和裝置損耗引入的誤差是可以接受的。

目標(biāo)總固物控制水平確定后，可以通過歸納公式（5）計(jì)算確定參數(shù)“1t歧化松香能生產(chǎn)的鉀皂量”：

鉀皂/歧化松香=-0.213×總固物+9.704 （5）

2.2生產(chǎn)1t歧化松香需要的松香量

“生產(chǎn)1t歧化松香需要的松香量”的實(shí)質(zhì)是原料松香中水分和松節(jié)油等輕組分的含量。鑒于原始的松香單耗統(tǒng)計(jì)方法，還要考慮松香入廠質(zhì)量偏差、松香包裝桶厚度（包裝質(zhì)量）。通過數(shù)據(jù)模型計(jì)算出歧化松香量，利用“歧化松香量歧化松香量+輕組分量/歧化松香量”公式計(jì)算。

松香輕組分的揮發(fā)主要發(fā)生在松香熔化和歧化反應(yīng)兩個(gè)階段，只能部分回收。在裝置升級(jí)改造前，回收比例相對(duì)固定。輕組分量利用“輕組分回收量/單日歧化批次/輕組分回收率”公式計(jì)算。

輕組分回收量利用松節(jié)油儲(chǔ)罐液位對(duì)照表計(jì)算。松節(jié)油儲(chǔ)罐是立式儲(chǔ)罐，配有單法蘭差壓式液位遠(yuǎn)傳。利用單法蘭液位計(jì)測(cè)量原理整理變形得到公式（6），得出儲(chǔ)罐1.00%液位代表的松節(jié)油質(zhì)量，此計(jì)算方法的優(yōu)勢(shì)是1.00%代表的物料質(zhì)量與介質(zhì)種類無關(guān)，可以消除松節(jié)油中含水對(duì)計(jì)算精度的影響。

液位遠(yuǎn)傳量程×顯示百分?jǐn)?shù)=ρ×g×h（6）

將單法蘭液位遠(yuǎn)傳測(cè)量原理表達(dá)式的左右兩側(cè)同時(shí)乘以儲(chǔ)罐截面積S：

液位遠(yuǎn)傳量程×顯示百分?jǐn)?shù)×S=ρ×g×h×S=ρ×g×V=mg （7）

整理變形可得公式（8），用于計(jì)算V118AB1.00%代表的松節(jié)油質(zhì)量：

m/顯示百分?jǐn)?shù)=液位遠(yuǎn)傳量程×S/g （8）

根據(jù)已知的松香單耗、目標(biāo)總固物控制水平和輕組分回收量推算，本階段裝置輕組分回收率取值70.00%。

通過本研究介紹的松香單耗定量分析方法預(yù)測(cè)松香單耗誤差小于2kg/t。評(píng)價(jià)周期越長(zhǎng)，精度越高。如果參數(shù)“生產(chǎn)1t歧化松香需要的松香量”偏大，說明松香單耗波動(dòng)發(fā)生在歧化反應(yīng)工序;如果參數(shù)“1t歧化松香能生產(chǎn)的鉀皂量”偏小，說明松香單耗波動(dòng)發(fā)生在皂化反應(yīng)工序。

如果通過本研究介紹的松香定量分析方法預(yù)測(cè)松香單耗與實(shí)測(cè)松香單耗偏差較大，利用裝置損耗率公式（9）和表1進(jìn)行分析。

裝置損耗率的影響因素包括堿水計(jì)量精度、軟化水計(jì)量精度、產(chǎn)品鉀皂計(jì)量精度、輕組分回收率。本階段裝置損耗率取值1.20%。

2.3松香單耗影響因素

利用本研究介紹的兩個(gè)參數(shù)，對(duì)松香單耗的影響因素進(jìn)行定量分析。松香單耗影響因素包括入廠質(zhì)量偏差、松香包裝桶厚度、松香輕組分含量、松香不皂物含量。各因素的影響原理和判定方法如表2所示。

通過長(zhǎng)期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出結(jié)論：20kg輕組分（或入廠質(zhì)量偏差、松香包裝桶質(zhì)量）/釜或0.10%目標(biāo)總固物控制水平調(diào)整影響松香單耗1kg/t。

3松香采購比質(zhì)比價(jià)臨界點(diǎn)

通常使用品質(zhì)好的松香生產(chǎn)歧化松香酸鉀皂單耗低，但原料松香采購價(jià)格高。反之，品質(zhì)差的松香單耗高、價(jià)格低。如果已知兩種松香的價(jià)格和單耗，可以計(jì)算成本相當(dāng)?shù)呐R界點(diǎn)：

成本相當(dāng)?shù)呐R界點(diǎn)=松香差價(jià)×價(jià)格高的松香單耗/價(jià)格低的松香價(jià)格 （10）

當(dāng)“價(jià)格低的松香單耗-價(jià)格高的松香單耗>臨界點(diǎn)”時(shí)，購買價(jià)格高的松香原料成本低;當(dāng)“價(jià)格低的松香單耗-價(jià)格高的松香單耗<臨界點(diǎn)”時(shí)，購買價(jià)格低的松香原料成本低。松香采購比質(zhì)比價(jià)臨界點(diǎn)核算示例如表3所示。

4排查裝置串料、冒料事件

歧化松香酸鉀皂為間歇性生產(chǎn)，缺少高精度的流量和液位監(jiān)視儀表，串料、冒料事件發(fā)生后難以發(fā)現(xiàn)。如果松香單耗高（實(shí)測(cè)松香單耗>計(jì)算松香單耗），而且入廠質(zhì)量偏差和松香包裝桶厚度未見異常，推斷裝置可能發(fā)生了串料或冒料事件。

本研究的理論模型依托Excel實(shí)現(xiàn)了對(duì)原料松香單耗的定量分析，通過對(duì)歧化單釜催化劑投加量、原料松香外觀、產(chǎn)品鉀皂外觀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和關(guān)注，能形成一套比較完整的松香質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。同時(shí)，理論模型實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品鉀皂總固物的定量計(jì)算和精確控制，挖潛增效25萬元/年，在確定松香采購比質(zhì)比價(jià)臨界點(diǎn)、排查裝置串料或冒料事件過程中能發(fā)揮積極作用。