1. Precízny návrh pomeru surovín
(I) Chemická kontrola merania základných surovín
Modul (M) kremičitanu sodného je definovaný ako pomer množstva oxidu kremičitého k oxidu sodnému (M = n (SiO₂)/n (Na₂O)), takže základom kontroly modulu je presný pomer zdroja kremíka k zdroju sodíka v surovine. Vo výrobnej praxi sa ako prekurzor zvyčajne používa tekuté vodné sklo, ktorého počiatočný modul je potrebné regulovať reakciou hydroxidu sodného a kremičitého piesku. Ak vezmeme ako príklad práškové vodné sklo HLNAP-1 vyrábané spoločnosťou Hengli Chemical, jeho cieľový modul je 2,0 ± 0,1 a molárny pomer SiO2 k Na2O v roztoku kremičitanu sodného je potrebné prísne kontrolovať počas fázy prípravy tekutého vodného skla.
V špecifickej prevádzke sa ako zdroj kremíka môže použiť kremenný piesok (čistota ≥ 95 %, hlavnou zložkou je SiO₂) a ako zdroj sodíka sa môže použiť priemyselný hydroxid sodný (obsah NaOH ≥ 99 %).
Podľa definície modulu M = m/n, keď cieľový modul je 2,0, m/n = 2,0, to znamená, že teoreticky každé 2 mol SiO₂ potrebuje reagovať s 1 molom NaOH. Pri skutočnej výrobe je však potrebné zvážiť mieru konverzie kremičitého piesku (zvyčajne 85 % - 95 %) a stratu reakčného systému. Preto je potrebné koncentráciu SiO₂ a Na2O v reakčnom roztoku monitorovať v reálnom čase titráciou a vstupný pomer suroviny je potrebné dynamicky upravovať. Napríklad, keď sa počiatočný modul roztoku odchýli od 2,0, môže sa korigovať pridaním NaOH (zníženie modulu) alebo kremičitého sólu (zvýšenie modulu).
(II) Synergický účinok aditív
Aby sa zlepšila reakčná kinetika a štruktúra produktu, môže sa pridať malé množstvo prísad. Napríklad pridanie 0,1 % až 0,5 % síranu sodného (Na2S04) počas prípravy tekutého vodného skla môže inhibovať nadmernú polymerizáciu väzieb kremík-kyslík úpravou iónovej sily a vyhnúť sa kolísaniu modulu; súčasne môže pridanie asi 0,2 % polyakrylátu sodného ako dispergačného činidla zlepšiť dispergovateľnosť kremičitého piesku v alkalickom roztoku a podporiť rovnomernosť reakcie, čím sa zabezpečí stabilita modulu. Okrem toho pre produkty v špeciálnych aplikačných scenároch, ako je práškový kremičitan sodný pre vysokoteplotne odolné spojivá, ktoré vyžadujú vysokú modulovú stabilitu, možno zaviesť stopové množstvá lítiových solí (ako je Li₂CO3, pridané v množstve 0,05 % - 0,1 %), aby sa využila silná polarizačná schopnosť lítiových iónov na reguláciu presnosti silikátovej siete a na zvýšenie presnosti riadenia modulu.
2. Kľúčové riadiace väzby výrobného procesu
(I) Proces prípravy tekutého vodného skla
Reakčná teplota a tlak
Reakcia kremičitého piesku a hydroxidu sodného je heterogénna reakcia tuhá látka-kvapalina a teplota a tlak priamo ovplyvňujú rýchlosť reakcie a rýchlosť konverzie kremičitého piesku. V procesnom systéme Hengli Chemical sa kvapalné vodné sklo pripravuje vysokotlakovým reaktorom s reakčnou teplotou regulovanou na 120-150 ℃ a tlakom 1,0-1,5 MPa. Za týchto podmienok môže rýchlosť rozpúšťania kremičitého piesku dosiahnuť 1,2-1,5 g/(min・L) a rýchlosť konverzie môže byť stabilizovaná na viac ako 92 %. Príliš nízka teplota povedie k neúplnej reakcii, nízkemu modulu a veľkému kolísaniu; príliš vysoká teplota môže spôsobiť nadmernú polymerizáciu, čo má za následok odchýlku merania modulu. Systém regulácie teploty PID sa používa na riadenie kolísania teploty pri ± 2 °C a kolísania tlaku pri ± 0,05 MPa, aby sa zabezpečila stabilita reakčného procesu.
Rýchlosť miešania a reakčný čas
Rýchlosť miešania sa musí udržiavať na 150-200 ot./min., aby sa zabezpečil úplný kontakt medzi tuhou a kvapalnou fázou. Reakčný čas je zvyčajne 4-6 hodín, ktorý je potrebné upraviť podľa veľkosti častíc kremičitého piesku (keď je veľkosť častíc kremičitého piesku ≤0,1 mm, reakčný čas sa môže skrátiť na 3 hodiny). Zmena viskozity reakčnej kvapaliny sa monitoruje online viskozimetrom. Keď viskozita dosiahne 15-20 mPa・s, stanoví sa konečný bod reakcie. V tomto čase je modul riešenia blízky cieľovej hodnote 2,0.
(II) Optimalizácia parametrov procesu sušenia rozprašovaním
Keď sa tekuté vodné sklo premení na práškový produkt sušením rozprašovaním, prenos tepla a prenos hmoty v procese sušenia ovplyvnia mikroštruktúru produktu a potom budú mať nepriamy vplyv na modul. Medzi kľúčové parametre procesu patria:
Vstupná teplota a výstupná teplota
Vstupná teplota je regulovaná na 300-350 ℃ a výstupná teplota je 120-140 ℃. Vysokoteplotný horúci vzduch môže kvapôčky okamžite dehydratovať (čas sušenia <5s), čím sa zabráni sekundárnej polymerizácii alebo rozkladu silikátovej štruktúry v dôsledku dlhodobého zahrievania. Ak je vstupná teplota nižšia ako 280 ℃, môže spôsobiť zvyškovú vlhkosť (obsah vody > 5 %), čo ovplyvňuje presnosť merania modulu; ak je teplota vyššia ako 380 °C, môže to spôsobiť lokálne prehriatie, čo spôsobí prchavosť Na2O, čím sa nameraný modul zvýši.
Atomizačný tlak a otvor trysky
Používa sa tlaková rozprašovacia tryska s rozprašovacím tlakom 6-8MPa a otvorom trysky 1,0-1,2 mm. V rámci tohto parametra je možné regulovať priemernú veľkosť kvapiek na 50-80 μm, čím sa zabezpečí rovnomerná distribúcia veľkosti častíc prášku po vysušení (rýchlosť prechodu 100 mesh ≥95 %, ako napríklad produkty typu HLNAP-1). Príliš nízky atomizačný tlak bude mať za následok príliš veľkú veľkosť kvapôčok, pričom po vysušení sa vytvoria aglomeráty veľkých častíc a vo vnútri môžu byť zvyškové kvapalné zložky, ktoré nie sú úplne vysušené, čo ovplyvňuje jednotnosť modulu; príliš vysoký tlak môže produkovať príliš veľa jemného prášku (častice < 200 mesh predstavujú > 10 %), zvýšiť stratu prachu a môže zmeniť objemovú hustotu produktu (cieľová hodnota 0,6 kg/l), čo nepriamo ovplyvňuje reprezentatívnosť vzoriek počas testovania modulu.
(III) Starnutie a homogenizácia
Sušený práškový produkt musí zrieť v uzavretom sklade 24-48 hodín, pričom teplota starnutia je kontrolovaná na 40-50 °C a vlhkosť <30% RH. Počas procesu starnutia sa distribúcia vlhkosti a mikroštruktúra vo vnútri prášku ďalej vyrovnávajú, čo môže znížiť rozsah kolísania modulu o ± 0,03. Pre vsádzkovo vyrábané produkty sa na miešanie používa zariadenie na homogenizáciu prúdu vzduchu (doba homogenizácie 1-2 hodiny, rýchlosť prúdenia vzduchu 15-20 m/s), aby sa zabezpečila modulová rovnomernosť každej šarže produktov (odchýlka modulu medzi šaržami ≤±0,05).
3. Analýza faktorov ovplyvňujúcich modulovú reguláciu a protiopatrenia
(I) Kolísanie kvality surovín
Čistota kremičitého piesku a veľkosť častíc
Ak obsah nečistôt ako Fe203 a Al203 v kremičitom piesku prekročí 1,0 %, bude reagovať s NaOH za vzniku zodpovedajúcich sodných solí, spotrebováva zdroje sodíka a spôsobí, že skutočný modul bude príliš vysoký. Protiopatrenia: Na odstránenie nečistôt a zvýšenie čistoty kremičitého piesku na viac ako 98 % použite magnetický separačný proces morenia (namáčanie 10 % kyselinou chlorovodíkovou po dobu 2 hodín). Nerovnomerná distribúcia veľkosti častíc kremičitého piesku (ako je rozpätie veľkosti častíc > 0,3 mm) povedie k nekonzistentným reakčným rýchlostiam a odchýlka lokálneho modulu môže dosiahnuť ±0,2. Riešenie: Na dosiahnutie klasifikácie veľkosti častíc použite vibračné triedenie a ako surovinu použite kremičitý piesok s veľkosťou častíc 0,05 – 0,1 mm.
Problém s rozplývaním hydroxidu sodného
Priemyselný hydroxid sodný pri skladovaní ľahko absorbuje vlhkosť, čo vedie k zníženiu efektívneho obsahu NaOH (nameraný obsah môže byť nižší ako 95 %), čo vedie k odchýlkam vo výpočte pomeru. Protiopatrenia: Nakúpte hydroxid sodný v uzavretých sudoch, pred použitím prekalibrujte koncentráciu acidobázickou titráciou a upravte dávkovanie podľa nameranej hodnoty.
(II) Kolísanie parametrov procesu
Zmeny účinnosti prenosu tepla reaktora
Po dlhodobom používaní môže dôjsť k odlupovaniu vnútornej steny reaktora (hlavnou zložkou je kremičitan vápenatý), čo má za následok zníženie koeficientu prestupu tepla a oneskorenie reakčnej teploty. Riešenie: Pravidelne (raz štvrťročne) vykonávajte chemické čistenie (použite 5 % roztok kyseliny fluorovodíkovej na 2 hodiny cirkulačného čistenia), aby ste obnovili účinnosť prenosu tepla na viac ako 90 % počiatočnej hodnoty.
Fenomén akumulácie materiálu v rozprašovacej sušiacej veži
Ak sa nadmerné množstvo prášku nahromadí na vnútornej stene sušiacej veže (doba zotrvania > 24 hodín), môže sa rozvlniť v dôsledku absorpcie vlhkosti a vytvárať vysokoviskózne aglomeráty, čo ovplyvňuje stabilitu následného procesu sušenia rozprašovaním. Protiopatrenia: Nainštalujte automatické vibračné zariadenie (vibrácie 5-10 krát za hodinu, amplitúda 5-8 mm) a po každej zmene vyčistite vnútornú stenu, aby ste skontrolovali hrúbku nahromadeného materiálu na ≤ 1 mm.
(III) Systematická chyba metódy zisťovania
Detekcia modulu zvyčajne používa acidobázickú titráciu, ale podrobnosti operačného procesu môžu spôsobiť chyby. Napríklad, ak teplota vody pri rozpustení vzorky presiahne 60 °C, urýchli to hydrolýzu kremičitanu, čo vedie k nízkej nameranej hodnote SiO₂ a nízkej výpočtovej hodnote modulu. Metóda zlepšenia: Pri rozpúšťaní vzorky použite deionizovanú vodu pri 30 ± 2 ℃ (ako je rýchlosť rozpúšťania produktu typu HLNAP-1 ≤ 60 s/30 ℃) a na rýchle miešanie použite magnetické miešadlo (rýchlosť 300 ot./min), aby ste zaistili úplné rozpustenie do 2 minút a znížili straty hydrolýzou. Okrem toho výber indikátora (napríklad rozdiel v rozsahu zmeny farby metyloranže a fenolftaleínu) ovplyvní aj určenie koncového bodu titrácie. Na zlepšenie presnosti analógovo-digitálnej detekcie sa odporúča použiť potenciometrickú titráciu (chyba určenia koncového bodu < 0,1 ml) namiesto tradičnej indikačnej metódy (opakovaná odchýlka merania ≤ ±0,02).
