新型棒堿制造工藝的應(yīng)用效果研究

王占軍，張偉星，郭永和，韓 軍，何秀梅

（內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司成立于2004年，是專業(yè)從事PVC、燒堿、次氯酸鈉、鹽酸等化工產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)及銷(xiāo)售的高新技術(shù)企業(yè)。公司采用國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，有燒堿、乙炔、氯乙烯、聚氯乙烯及公用工程等五大裝置，以PVC、燒堿為核心產(chǎn)品，具有50萬(wàn)t/a PVC、40萬(wàn)t/a離子膜燒堿并配套2×50 MW自備熱電。

1 棒堿傳統(tǒng)制造工藝

棒堿為棒狀固體氫氧化鈉，因其吸水性好、通過(guò)率高，是VCM生產(chǎn)中首選的脫水干燥劑，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于脫水、脫酸、脫硫、去除雜質(zhì)等。

國(guó)內(nèi)棒堿生產(chǎn)主要采用熔融法模具冷卻成型技術(shù)，將400°C左右的高濃度堿液注入專用模具中，當(dāng)模具中堿液注滿后，關(guān)閉堿液閥門(mén)，移開(kāi)模具，當(dāng)模具中堿液冷卻后，再打開(kāi)模具，取出堿棒。棒堿生產(chǎn)全部是人工操作，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程為間斷性生產(chǎn)，效率低；另外，堿液溫度較高且具有強(qiáng)腐蝕性，人員被堿燒傷的情況時(shí)有發(fā)生，安全得不到保障。

2 新型棒堿制造工藝

2.1 新型棒堿制造工藝

新型棒堿制造工藝可直接將片堿粉末擠壓成棒堿，自動(dòng)化程度高，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熔融生產(chǎn)，無(wú)需熔融、澆筑、冷卻，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，有效提高了生產(chǎn)效率，降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，杜絕了人員燒傷；通過(guò)料框上料和推料板出料，降低了人工作業(yè)而引發(fā)的意外擠壓風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

目前，內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司氯乙烯單體使用外購(gòu)棒堿進(jìn)行干燥，成本較大，而且會(huì)出現(xiàn)設(shè)備管道堵塞現(xiàn)象，造成裝置停車(chē)。為降低公司PVC生產(chǎn)成本，增加公司產(chǎn)業(yè)鏈條和經(jīng)濟(jì)效益，啟動(dòng)棒堿新工藝開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。

通過(guò)研發(fā)棒堿新型制造工藝，突破棒堿新型加工工藝技術(shù)。以高純度的片堿為原料，采用特殊加工工藝制造棒堿，產(chǎn)品具有純度高、機(jī)械強(qiáng)度高、沖擊性能優(yōu)良、吸水性強(qiáng)、良好的酸堿中和特性、持續(xù)使用周期長(zhǎng)，不易破損等特點(diǎn)。突破棒堿生產(chǎn)專用設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，研制的棒堿新型擠壓機(jī)實(shí)現(xiàn)了棒堿生產(chǎn)專用設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化替代。

2.2 新型棒堿制造工藝創(chuàng)新點(diǎn)

項(xiàng)目依托內(nèi)蒙古自治區(qū)企業(yè)研究開(kāi)發(fā)中心，通過(guò)研發(fā)人員的密切配合、協(xié)同創(chuàng)新，從棒堿的小試工藝開(kāi)始，進(jìn)行棒堿小試及中試核心工藝技術(shù)研究、棒堿產(chǎn)業(yè)化專用設(shè)備研制、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)操作規(guī)程的制定，完成棒堿產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究，形成棒堿產(chǎn)業(yè)化成套工藝體系，為國(guó)內(nèi)棒堿新型生產(chǎn)工藝及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化替代提供產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)支持。研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型棒堿成型設(shè)備，實(shí)現(xiàn)棒堿的擠壓、出料，自動(dòng)化程度高，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熔融生產(chǎn)，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，有效提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免人員燒傷的安全隱患；通過(guò)自動(dòng)化料框上料和出料，降低了人工作業(yè)而引發(fā)的意外擠壓風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。

采用新型的棒堿擠壓成型技術(shù)，可直接將片堿粉末擠壓成棒堿，該產(chǎn)品具有純度高、機(jī)械強(qiáng)度高、沖擊性能優(yōu)良、吸水性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，已申請(qǐng)2項(xiàng)實(shí)用新型專利。

2.3 新型棒堿擠壓成型機(jī)

新型棒堿擠壓成型機(jī)包括底座、立柱、支架、承接平臺(tái)、成型平臺(tái)、活動(dòng)平臺(tái)和連接架等，承接平臺(tái)和連接架均與立柱固定連接，成型平臺(tái)固定在承接平臺(tái)的上方，活動(dòng)平臺(tái)設(shè)置在各立柱之間，在成型平臺(tái)上開(kāi)設(shè)有若干成型孔，活動(dòng)平臺(tái)底端固定有擠壓桿，擠壓桿與成型孔一一對(duì)應(yīng)并插接在對(duì)應(yīng)的成型孔的內(nèi)部，在支架上設(shè)有承壓板，承壓板的頂面與成型平臺(tái)的底面滑動(dòng)接觸。

在支架水平方向設(shè)有推料板，推料板行程終端的下方設(shè)置有溜槽。溜槽的槽底為篩板，底端設(shè)置有收集箱，收集箱的底部通過(guò)管路與布袋除塵器的進(jìn)口管路連通。在與成型平臺(tái)水平對(duì)應(yīng)的支架上固定有裝料平臺(tái)，在裝料平臺(tái)上方的支架上固定有破碎機(jī)，在破碎機(jī)的底部出料口上連接有落料管，料框的頂端與落料管的底端活動(dòng)對(duì)接；在料框的頂部側(cè)壁安裝有料位傳感器；料位傳感器和控制器的輸入端連接，控制器的輸出端和破碎機(jī)的驅(qū)動(dòng)及破碎機(jī)的出料螺旋連接。

2.4 棒堿擠壓成型機(jī)技術(shù)工藝要點(diǎn)

（1）棒堿擠壓成型機(jī)，包括底座、立柱、支架，在底座一側(cè)固定有支架，在底座頂部豎直固定有至少兩個(gè)立柱；在各個(gè)立柱之間由下向上依次設(shè)置有承接平臺(tái)、成型平臺(tái)、活動(dòng)平臺(tái)和連接架，承接平臺(tái)和連接架均與立柱固定連接，成型平臺(tái)分體固定在承接平臺(tái)的上方，活動(dòng)平臺(tái)上下滑動(dòng)設(shè)置在各立柱之間；在成型平臺(tái)上豎直開(kāi)設(shè)有若干成型孔，活動(dòng)平臺(tái)的底端固定有若干與所述成型孔一一對(duì)應(yīng)的擠壓桿，擠壓桿上下滑動(dòng)插接在對(duì)應(yīng)的所述成型孔的內(nèi)部，在連接架的中部和活動(dòng)平臺(tái)之間豎直固定有升降驅(qū)動(dòng)；在支架上水平滑動(dòng)設(shè)有承壓板，承壓板的頂面與成型平臺(tái)的底面滑動(dòng)接觸。

（2）在成型平臺(tái)與承接平臺(tái)之間的分體固定有支撐平臺(tái)，在支撐平臺(tái)上開(kāi)設(shè)有若干與成型孔一一對(duì)應(yīng)的落料孔；承壓板的底面與支撐平臺(tái)的頂面滑動(dòng)接觸。

（3）在支架上水平滑動(dòng)設(shè)有推料板，推料板滑動(dòng)設(shè)置在承接平臺(tái)的頂部，在推料板行程終端下方的立柱的外側(cè)設(shè)置有溜槽。

（4）在支架上固定有驅(qū)動(dòng)推料板和承壓板水平滑動(dòng)的推拉驅(qū)動(dòng)。

（5）溜槽的槽底為篩板，在溜槽的底端設(shè)置有收集箱，收集箱的底部通過(guò)管路與布袋除塵器的進(jìn)口管路連通。

（6）在與成型平臺(tái)水平對(duì)應(yīng)的支架上固定有裝料平臺(tái)，在裝料平臺(tái)和成型平臺(tái)的頂部之間滑動(dòng)設(shè)有料框，料框活動(dòng)設(shè)置在若干成型孔的孔頂外圍；在支架上固定有驅(qū)動(dòng)料框水平移動(dòng)的布料驅(qū)動(dòng)。

（7）在裝料平臺(tái)上方的支架上固定有破碎機(jī)，在破碎機(jī)的底部出料口上連接有落料管，料框的頂端與落料管的底端活動(dòng)對(duì)接；在料框的頂部側(cè)壁安裝有料位傳感器；料位傳感器和控制器的輸入端連接，控制器的輸出端和破碎機(jī)的驅(qū)動(dòng)及破碎機(jī)的出料螺旋連接。

（8）在遠(yuǎn)離成型平臺(tái)的料框的頂端外壁上固定有水平設(shè)置的擋板，擋板的頂端與落料管的底端滑動(dòng)接觸。

（9）在成型平臺(tái)的頂端一側(cè)水平固定有收集罩，收集罩朝向成型平臺(tái)設(shè)置；收集罩的出口與布袋除塵器的進(jìn)口管路連通。

（10）在成型平臺(tái)的頂端一側(cè)水平固定有收集罩，收集罩朝向成型平臺(tái)設(shè)置；收集罩的出口與布袋除塵器的進(jìn)口管路連通。

3 億利化學(xué)新型棒堿產(chǎn)品質(zhì)量測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

（1）測(cè)定棒堿產(chǎn)品在水中的塌陷溶解時(shí)間及溫度變化。

（2）測(cè)定棒堿產(chǎn)品的密度。

（3）測(cè)定棒堿產(chǎn)品的強(qiáng)度。

（4）測(cè)定氫氧化鈉中的鐵離子含量。

（5）測(cè)定氫氧化鈉、碳酸鈉含量。

3.2 實(shí)驗(yàn)用具

1 000 mL玻璃燒杯2個(gè)、玻璃棒2支、100℃溫度計(jì)2只，直尺、滴定管、移液管、三角瓶、橡膠手套。防護(hù)面罩、強(qiáng)度測(cè)試儀、電感耦合等離子發(fā)射光譜（ICP），1+1鹽酸，50 mL塑料容量瓶2個(gè)，F(xiàn)e標(biāo)準(zhǔn)溶液、天平（精確至0.01 g）、移液管50 mL、滴定管50 mL，有0.1 mL的分度值磁力攪拌器，煮沸15 min的水一瓶。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1 塌陷溶解試驗(yàn)測(cè)定

將2塊不同產(chǎn)地的棒堿分別放入1 000 mL的燒杯內(nèi)，加水漫過(guò)樣品，迅速插入100℃溫度計(jì)，觀察樣品在一定時(shí)間內(nèi)的溶解狀態(tài)，直至樣品完全溶解，并記錄消失時(shí)間及溫度。

3.3.2 密度試驗(yàn)測(cè)定

分別準(zhǔn)確稱取棒堿質(zhì)量，量取棒堿體積。

按公式計(jì)算：

式中：ρ—密度，g/cm3；

m—樣品質(zhì)量，g；

V—樣品體積，cm3。

3.3.3 強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定

（1）穿戴好防護(hù)用具，眼罩，橡膠手套。

（2）先將完整樣品在天平上稱重，放入強(qiáng)度儀1#2#測(cè)試滾筒內(nèi)測(cè)試5 min，取出樣品稱重并計(jì)算出樣品的損失率及強(qiáng)度。

3.3.4 氫氧化鈉含鐵離子ICP試驗(yàn)測(cè)定

稱?。?0±1）g樣品溶入1 000 mL容量瓶中溶解，定容，搖勻至刻度。

吸取10 mL樣品加入到1#（外購(gòu)）50 mL容量瓶中，加入20 mL（1+1）鹽酸，定容，混勻至刻度。

2#（自壓）容量瓶中加入0.5 mL Fe標(biāo)準(zhǔn)溶液，10 mL樣品，20 mL（1+1）鹽酸，定容，混勻至刻度。

用標(biāo)準(zhǔn)加入法測(cè)得樣品中Fe含量。

3.3.5 氫氧化鈉含量測(cè)定（依據(jù)GB/T 209-2018）

用70 mm×35 mm稱量瓶迅速稱取固體氫氧化鈉（30±1）g（精確至0.000 1 g），將已稱取的樣品置于已盛有約300 mL煮沸15 min水的容量瓶中，加煮沸15 min水溶解，冷卻至室溫，稀釋至刻度，搖勻。

用50 mL移液管移取50 mL試樣溶液，注入250 mL三角瓶中，加入10 mL氯化鋇溶液，加入兩三滴酚酞指示液，在磁力攪拌器攪拌下，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至微紅色為終點(diǎn)。記下滴定所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積。

3.3.6 碳酸鈉含量測(cè)定（依據(jù)GB/T 209-2018）

用50 mL移液管移取50 mL試樣溶液，注入250 mL三角瓶中，加入10滴溴甲酚綠-甲基紅混合指示液，在磁力攪拌器攪拌下，用鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至暗紅色為終點(diǎn)。記下滴定所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積。

氫氧化鈉含量以氫氧化鈉（NaOH）質(zhì)量分?jǐn)?shù)W1計(jì)，數(shù)值以%表示，按公式計(jì)算：

碳酸鈉含量以碳酸鈉（Na2CO3）質(zhì)量分?jǐn)?shù)W2計(jì)，數(shù)值以%表示，按公式計(jì)算：

式中：C—標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的準(zhǔn)確數(shù)值，mol/L；

V1—鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液所消耗滴定體積數(shù)值，mL；

V2—鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液所消耗滴定體積數(shù)值，mL；

m—試樣的質(zhì)量的數(shù)值，g。

3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)比分析

通過(guò)表1數(shù)據(jù)分析，測(cè)試產(chǎn)品的塌陷時(shí)間較長(zhǎng)，塌陷數(shù)據(jù)優(yōu)于外購(gòu)產(chǎn)品。

表1 棒堿在水中的塌陷溶解時(shí)間及溫度變化測(cè)定結(jié)果

本次測(cè)試產(chǎn)品采用10 MPa壓力擠壓成型，測(cè)量產(chǎn)品密度小于外購(gòu)產(chǎn)品。

表2 密度測(cè)定結(jié)果

表3 氫氧化鈉中的鐵離子含量測(cè)定結(jié)果

本次測(cè)試產(chǎn)品鐵離子含量大于外購(gòu)品，但能達(dá)到指標(biāo)要求。

表4 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果

測(cè)試產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度高于外購(gòu)產(chǎn)品。

測(cè)試產(chǎn)品純度指標(biāo)小于外購(gòu)產(chǎn)品，末達(dá)標(biāo)的原因可能是片堿原料經(jīng)二次倒運(yùn)，密封不嚴(yán)，有少量潮解的可能。

測(cè)試產(chǎn)品碳酸鈉指標(biāo)高于外購(gòu)產(chǎn)品，但滿足指標(biāo)要求。

通過(guò)本次對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。棒堿測(cè)試產(chǎn)品的鐵離子含量、碳酸鈉含量滿足片堿產(chǎn)品的國(guó)標(biāo)要求；測(cè)試棒堿產(chǎn)品的塌陷實(shí)驗(yàn)、機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于外購(gòu)產(chǎn)品；測(cè)試棒堿純度未達(dá)到片堿國(guó)標(biāo)要求，可能因提供片堿原料在二次倒運(yùn)過(guò)程中密封不嚴(yán)，導(dǎo)致棒堿產(chǎn)品少量潮解，純度降低。

4 億利化學(xué)新型棒堿試用效果評(píng)價(jià)

內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司聚氯乙烯廠2021年試用了新工藝研發(fā)生產(chǎn)的棒堿，于2021年3月29日裝于二線精干燥器中進(jìn)行試用，通入氮?dú)飧稍?.0～3.0 h后并入系統(tǒng)進(jìn)行使用，至2021年5月16日停止使用，使用周期48天，試用期間平均水分為451×10-6。在試用期間下堿管無(wú)堵塞現(xiàn)象。說(shuō)明本批次億利研發(fā)棒堿試用合格。有兩點(diǎn)需要優(yōu)化，一是在裝填過(guò)程中棒堿強(qiáng)度不夠，易碎；二是棒堿尺寸過(guò)大，存在搭橋現(xiàn)象。

表5 氫氧化鈉測(cè)定結(jié)果

表6 碳酸鈉測(cè)定結(jié)果

5 億利化學(xué)新型棒堿效益分析

科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力是科研機(jī)構(gòu)的首要目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)科技成果產(chǎn)品的生產(chǎn)及銷(xiāo)售。內(nèi)蒙古億利化學(xué)工業(yè)有限公司研發(fā)的棒堿新產(chǎn)品可應(yīng)用于公司PVC生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)自行投資轉(zhuǎn)化，并開(kāi)拓國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)棒堿的銷(xiāo)售；另一方面，棒堿的新型成套工藝及設(shè)備也可應(yīng)用于其他相關(guān)企業(yè)，實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化。

目前，按照公司50萬(wàn)t/a PVC，每年使用棒堿450 t，棒堿采購(gòu)價(jià)格7 200元/t，棒堿生產(chǎn)成本按照3 800元/t計(jì)算，此研發(fā)項(xiàng)目執(zhí)行期結(jié)束后，每年可節(jié)約采購(gòu)棒堿費(fèi)用（7 200-3 800）×450=153（萬(wàn)元）。同時(shí)，生產(chǎn)棒堿可外銷(xiāo)于周邊同類PVC生產(chǎn)企業(yè)，按照年銷(xiāo)售1 000 t，銷(xiāo)售價(jià)格按照5 800元/t計(jì)算，銷(xiāo)售收入580萬(wàn)元/a，年可實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)200萬(wàn)元。