1. Progettazione precisa del rapporto delle materie prime
(I) Controllo della misurazione chimica delle materie prime di base
Il modulo (M) del silicato di sodio è definito come il rapporto tra la quantità di biossido di silicio e ossido di sodio (M = n (SiO₂)/n (Na₂O)), quindi il rapporto preciso tra la fonte di silicio e la fonte di sodio nella materia prima è la base del controllo del modulo. Nella pratica produttiva, il vetro solubile viene solitamente utilizzato come precursore e il suo modulo iniziale deve essere regolato dalla reazione tra idrossido di sodio e sabbia silicea. Prendendo come esempio il bicchiere d'acqua in polvere HLNAP-1 prodotto da Hengli Chemical, il suo modulo target è 2,0±0,1 e il rapporto molare tra SiO₂ e Na₂O nella soluzione di silicato di sodio deve essere rigorosamente controllato durante la fase di preparazione del bicchiere d'acqua liquido.
Nell'operazione specifica, la sabbia di quarzo (purezza ≥ 95%, il componente principale è SiO₂) può essere utilizzata come fonte di silicio e l'idrossido di sodio di grado industriale (contenuto di NaOH ≥ 99%) può essere utilizzato come fonte di sodio.
Secondo la definizione di modulo, M = m/n, quando il modulo target è 2,0, m/n = 2,0, cioè teoricamente ogni 2 mol di SiO₂ deve reagire con 1 mol di NaOH. Tuttavia, nella produzione effettiva, è necessario considerare il tasso di conversione della sabbia silicea (solitamente 85%-95%) e la perdita del sistema di reazione. Pertanto, la concentrazione di SiO₂ e Na₂O nella soluzione di reazione deve essere monitorata in tempo reale mediante titolazione e il rapporto di ingresso della materia prima deve essere regolato dinamicamente. Ad esempio, quando il modulo della soluzione iniziale si discosta da 2,0, è possibile correggerlo aggiungendo NaOH (diminuendo il modulo) o sol di silice (aumentando il modulo).
(II) Effetto sinergico degli additivi
Per migliorare la cinetica di reazione e la struttura del prodotto, è possibile introdurre una piccola quantità di additivi. Ad esempio, l'aggiunta dello 0,1%-0,5% di solfato di sodio (Na₂SO₄) durante la preparazione del vetro liquido può inibire l'eccessiva polimerizzazione dei legami silicio-ossigeno regolando la forza ionica ed evitare fluttuazioni del modulo; allo stesso tempo, l'aggiunta di circa lo 0,2% di poliacrilato di sodio come disperdente può migliorare la disperdibilità della sabbia silicea in una soluzione alcalina e promuovere l'uniformità della reazione, garantendo così la stabilità del modulo. Inoltre, per i prodotti in scenari applicativi speciali, come il silicato di sodio in polvere per leganti resistenti alle alte temperature che richiedono un'elevata stabilità del modulo, è possibile introdurre tracce di sali di litio (come Li₂CO₃, aggiunto in una quantità dello 0,05%-0,1%) per utilizzare la forte capacità di polarizzazione degli ioni di litio per regolare la struttura della rete di silicato e migliorare la precisione del controllo del modulo.
2. Anelli chiave di controllo del processo produttivo
(I) Processo di preparazione del bicchiere d'acqua liquido
Temperatura e pressione di reazione
La reazione tra sabbia silicea e idrossido di sodio è una reazione eterogenea solido-liquido e la temperatura e la pressione influenzano direttamente la velocità di reazione e il tasso di conversione della sabbia silicea. Nel sistema di processo di Hengli Chemical, il vetro liquido viene preparato mediante un reattore ad alta pressione, con temperatura di reazione controllata a 120-150 ℃ e pressione 1,0-1,5 MPa. In queste condizioni, il tasso di dissoluzione della sabbia silicea può raggiungere 1,2-1,5 g/(min・L) e il tasso di conversione può essere stabilizzato a oltre il 92%. Una temperatura troppo bassa porterà a una reazione incompleta, a un modulo basso e a grandi fluttuazioni; Una temperatura troppo elevata può causare un'eccessiva polimerizzazione, con conseguente deviazione della misurazione del modulo. Il sistema di controllo della temperatura PID viene utilizzato per controllare la fluttuazione della temperatura a ±2℃ e la fluttuazione della pressione a ±0,05MPa per garantire la stabilità del processo di reazione.
Velocità di agitazione e tempo di reazione
La velocità di agitazione deve essere mantenuta a 150-200 giri/min per garantire il pieno contatto tra le fasi solida e liquida. Il tempo di reazione è solitamente di 4-6 ore, che deve essere regolato in base alla dimensione delle particelle di sabbia silicea (quando la dimensione delle particelle di sabbia silicea è ≤ 0,1 mm, il tempo di reazione può essere ridotto a 3 ore). La variazione di viscosità del liquido di reazione viene monitorata da un viscosimetro online. Quando la viscosità raggiunge 15-20 mPa・s, viene determinato il punto finale della reazione. In questo momento, il modulo della soluzione è vicino al valore target di 2,0.
(II) Ottimizzazione dei parametri del processo di essiccazione a spruzzo
Quando il vetro liquido viene convertito in un prodotto in polvere mediante essiccazione a spruzzo, le caratteristiche di trasferimento di calore e di massa del processo di essiccazione influenzeranno la microstruttura del prodotto e quindi avranno un impatto indiretto sul modulo. I parametri chiave del processo includono:
Temperatura di ingresso e temperatura di uscita
La temperatura in ingresso è controllata a 300-350℃ e la temperatura in uscita è a 120-140℃. L'aria calda ad alta temperatura può disidratare istantaneamente le goccioline (tempo di asciugatura <5 s), evitando la polimerizzazione secondaria o la decomposizione della struttura del silicato dovuta al riscaldamento a lungo termine. Se la temperatura in ingresso è inferiore a 280 ℃, potrebbe causare umidità residua (contenuto d'acqua> 5%), influenzando la precisione della misurazione del modulo; se la temperatura è superiore a 380 ℃, potrebbe causare un surriscaldamento locale, causando la volatilizzazione di Na₂O, aumentando il modulo misurato.
Pressione di atomizzazione e apertura dell'ugello
Viene utilizzato un ugello di atomizzazione a pressione, con una pressione di atomizzazione di 6-8 MPa e un'apertura dell'ugello di 1,0-1,2 mm. Con questo parametro, la dimensione media delle gocce può essere controllata a 50-80μm, garantendo una distribuzione uniforme delle dimensioni delle particelle di polvere dopo l'essiccazione (velocità di passaggio di 100 mesh ≥95%, come i prodotti di tipo HLNAP-1). Una pressione di atomizzazione troppo bassa comporterà goccioline di dimensioni troppo grandi, con la formazione di grandi agglomerati di particelle dopo l'essiccazione, e potrebbero esserci componenti liquidi residui che non sono completamente essiccati all'interno, influenzando l'uniformità del modulo; Una pressione troppo alta può produrre una polvere troppo fine (le particelle <200 mesh rappresentano >10%), aumentare la perdita di polvere e può modificare la densità apparente del prodotto (valore target 0,6 Kg/L), influenzando indirettamente la rappresentatività del campionamento durante il test del modulo.
(III) Trattamento di invecchiamento e omogeneizzazione
Il prodotto in polvere essiccato deve essere stagionato in un magazzino sigillato per 24-48 ore, con temperatura di invecchiamento controllata a 40-50℃ e umidità <30% RH. Durante il processo di invecchiamento, la distribuzione dell'umidità e la microstruttura all'interno della polvere vengono ulteriormente bilanciate, il che può ridurre l'intervallo di fluttuazione del modulo di ±0,03. Per i prodotti prodotti in lotti, per la miscelazione viene utilizzata un'apparecchiatura di omogeneizzazione del flusso d'aria (tempo di omogeneizzazione 1-2 ore, velocità del flusso d'aria 15-20 m/s) per garantire l'uniformità del modulo di ciascun lotto di prodotti (deviazione del modulo tra lotti ≤±0,05).
3. Analisi dei fattori che influenzano il controllo del modulo e contromisure
(I) Fluttuazioni della qualità delle materie prime
Purezza della sabbia silicea e dimensione delle particelle
Se il contenuto di impurità come Fe₂O₃ e Al₂O₃ nella sabbia silicea supera l'1,0%, reagirà con NaOH per generare sali di sodio corrispondenti, consumare fonti di sodio e causare un modulo effettivo troppo elevato. Contromisure: utilizzare il processo di decapaggio con separazione magnetica (immersione in acido cloridrico al 10% per 2 ore) per rimuovere le impurità e aumentare la purezza della sabbia silicea a oltre il 98%. Una distribuzione non uniforme delle dimensioni delle particelle di sabbia silicea (come un intervallo di dimensioni delle particelle > 0,3 mm) porterà a velocità di reazione incoerenti e la deviazione del modulo locale può raggiungere ±0,2. Soluzione: utilizzare lo screening con vibrazioni per ottenere la classificazione delle dimensioni delle particelle e utilizzare sabbia silicea con una dimensione delle particelle di 0,05-0,1 mm come materia prima.
Problema della deliquescenza dell'idrossido di sodio
L'idrossido di sodio di grado industriale assorbe facilmente l'umidità durante lo stoccaggio, con conseguente diminuzione del contenuto effettivo di NaOH (il contenuto misurato può essere inferiore al 95%), che porta a deviazioni nel calcolo del rapporto. Contromisure: acquistare idrossido di sodio in fusti sigillati, ricalibrare la concentrazione mediante titolazione acido-base prima dell'uso e regolare la quantità di alimentazione in base al valore misurato.
(II) Fluttuazioni dei parametri di processo
Cambiamenti nell'efficienza di scambio termico del reattore
Dopo un uso prolungato, la parete interna del reattore può incrostarsi (il componente principale è il silicato di calcio), con conseguente diminuzione del coefficiente di trasferimento del calore e un ritardo nella temperatura di reazione. Soluzione: eseguire regolarmente la pulizia chimica (una volta al trimestre) (utilizzare una soluzione di acido fluoridrico al 5% per 2 ore di pulizia a circolazione) per ripristinare l'efficienza del trasferimento di calore a oltre il 90% del valore iniziale.
Fenomeno di accumulo di materiale nella torre di essiccazione a spruzzo
Se sulla parete interna della torre di essiccazione si accumula una quantità eccessiva di polvere (tempo di permanenza > 24 ore), questa può deliquefarsi a causa dell'assorbimento di umidità, formando agglomerati ad alta viscosità, compromettendo la stabilità del successivo processo di essiccazione mediante atomizzazione. Contromisure: installare un dispositivo di vibrazione automatico (vibrazione 5-10 volte all'ora, ampiezza 5-8 mm) e pulire la parete interna dopo ogni turno per controllare lo spessore del materiale accumulato a ≤ 1 mm.
(III) Errore sistematico del metodo di rilevamento
Il rilevamento del modulo utilizza solitamente la titolazione acido-base, ma i dettagli del processo operativo possono introdurre errori. Ad esempio, se la temperatura dell'acqua supera i 60℃ quando il campione viene disciolto, l'idrolisi del silicato verrà accelerata, con conseguente valore di misurazione SiO₂ basso e valore di calcolo del modulo basso. Metodo di miglioramento: utilizzare acqua deionizzata a 30 ℃±2 ℃ durante la dissoluzione del campione (come la velocità di dissoluzione del prodotto di tipo HLNAP-1 ≤ 60 s/30 ℃) e utilizzare un agitatore magnetico per l'agitazione rapida (velocità 300 giri/min) per garantire la completa dissoluzione entro 2 minuti e ridurre le perdite di idrolisi. Inoltre, anche la scelta dell'indicatore (come la differenza nell'intervallo di cambiamento di colore del metilarancio e della fenolftaleina) influenzerà la determinazione del punto finale della titolazione. Si consiglia di utilizzare la titolazione potenziometrica (errore di determinazione del punto finale < 0,1 ml) invece del metodo tradizionale dell'indicatore per migliorare l'accuratezza del rilevamento da analogico a digitale (deviazione di misurazione ripetuta ≤ ±0,02).
