1. Projeto preciso da proporção de matéria-prima
(I) Controle de medição química de matérias-primas básicas
O módulo (M) do silicato de sódio é definido como a razão entre a quantidade de dióxido de silício e óxido de sódio (M = n (SiO₂)/n (Na₂O)), portanto, a razão precisa entre a fonte de silício e a fonte de sódio na matéria-prima é a base do controle do módulo. Na prática de produção, o vidro solúvel líquido é geralmente usado como precursor, e seu módulo inicial precisa ser regulado pela reação do hidróxido de sódio e da areia de sílica. Tomando como exemplo o copo d'água em pó HLNAP-1 produzido pela Hengli Chemical, seu módulo alvo é 2,0 ± 0,1, e a proporção molar de SiO₂ para Na₂O na solução de silicato de sódio precisa ser estritamente controlada durante a fase de preparação do copo d'água líquido.
Na operação específica, areia de quartzo (pureza ≥ 95%, componente principal é SiO₂) pode ser usada como fonte de silício, e hidróxido de sódio de grau industrial (teor de NaOH ≥ 99%) pode ser usado como fonte de sódio.
De acordo com a definição de módulo, M = m/n, quando o módulo alvo é 2,0, m/n = 2,0, ou seja, teoricamente cada 2 mol de SiO₂ precisa reagir com 1 mol de NaOH. No entanto, na produção real, a taxa de conversão da areia de sílica (geralmente 85%-95%) e a perda do sistema de reação precisam ser consideradas. Portanto, a concentração de SiO₂ e Na₂O na solução de reação precisa ser monitorada em tempo real por titulação, e a proporção de entrada de matéria-prima precisa ser ajustada dinamicamente. Por exemplo, quando o módulo da solução inicial se desvia de 2,0, pode ser corrigido adicionando NaOH (diminuindo o módulo) ou sílica sol (aumentando o módulo).
(II) Efeito sinérgico dos aditivos
Para melhorar a cinética da reação e a estrutura do produto, pode ser introduzida uma pequena quantidade de aditivos. Por exemplo, adicionar 0,1% -0,5% de sulfato de sódio (Na₂SO4) durante a preparação de vidro líquido pode inibir a polimerização excessiva das ligações silício-oxigênio, ajustando a força iônica e evitando flutuações de módulo; ao mesmo tempo, adicionar cerca de 0,2% de poliacrilato de sódio como dispersante pode melhorar a dispersibilidade da areia de sílica em solução alcalina e promover a uniformidade da reação, garantindo assim a estabilidade do módulo. Além disso, para produtos em cenários de aplicação especiais, como silicato de sódio em pó para ligantes resistentes a altas temperaturas que exigem alta estabilidade de módulo, vestígios de sais de lítio (como Li₂CO₃, adicionados em uma quantidade de 0,05% -0,1%) podem ser introduzidos para usar a forte capacidade de polarização dos íons de lítio para regular a estrutura da rede de silicato e aumentar a precisão do controle do módulo.
2. Principais elos de controle do processo de produção
(I) Processo de preparação de copo de água líquida
Temperatura e pressão de reação
A reação da areia de sílica e do hidróxido de sódio é uma reação heterogênea sólido-líquido, e a temperatura e a pressão afetam diretamente a taxa de reação e a taxa de conversão da areia de sílica. No sistema de processo da Hengli Chemical, o vidro líquido de água é preparado por um reator de alta pressão, com temperatura de reação controlada em 120-150 ℃ e pressão de 1,0-1,5 MPa. Sob esta condição, a taxa de dissolução da areia de sílica pode atingir 1,2-1,5g/(min·L), e a taxa de conversão pode ser estabilizada em mais de 92%. Temperatura muito baixa levará a reação incompleta, baixo módulo e grande flutuação; temperatura muito alta pode causar polimerização excessiva, resultando em desvio de medição de módulo. O sistema de controle de temperatura PID é usado para controlar a flutuação de temperatura em ± 2 ℃ e a flutuação de pressão em ± 0,05 MPa para garantir a estabilidade do processo de reação.
Taxa de agitação e tempo de reação
A taxa de agitação precisa ser mantida em 150-200 r/min para garantir contato total entre as fases sólida e líquida. O tempo de reação é geralmente de 4 a 6 horas, que precisa ser ajustado de acordo com o tamanho da partícula da areia de sílica (quando o tamanho da partícula da areia de sílica é ≤0,1 mm, o tempo de reação pode ser reduzido para 3 horas). A alteração da viscosidade do líquido de reação é monitorada por um viscosímetro online. Quando a viscosidade atinge 15-20mPa・s, o ponto final da reação é determinado. Neste momento, o módulo da solução está próximo do valor alvo de 2,0.
(II) Otimização dos parâmetros do processo de secagem por pulverização
Quando o vidro líquido é convertido em um produto em pó por secagem por pulverização, as características de transferência de calor e transferência de massa do processo de secagem afetarão a microestrutura do produto e terão um impacto indireto no módulo. Os principais parâmetros do processo incluem:
Temperatura de entrada e temperatura de saída
A temperatura de entrada é controlada em 300-350°C e a temperatura de saída é de 120-140°C. O ar quente em alta temperatura pode desidratar instantaneamente as gotículas (tempo de secagem <5s), evitando a polimerização secundária ou decomposição da estrutura de silicato devido ao aquecimento a longo prazo. Se a temperatura de entrada for inferior a 280°C, poderá causar umidade residual (teor de água> 5%), afetando a precisão da medição do módulo; se a temperatura for superior a 380 ℃, pode causar superaquecimento local, causando a volatilização do Na₂O, aumentando o módulo medido.
Pressão de atomização e abertura do bico
É utilizado um bico de atomização de pressão, com pressão de atomização de 6-8MPa e abertura do bico de 1,0-1,2 mm. Sob este parâmetro, o tamanho médio das gotas pode ser controlado em 50-80μm, garantindo distribuição uniforme do tamanho das partículas de pó após a secagem (taxa de passagem de malha 100 ≥95%, como produtos do tipo HLNAP-1). A pressão de atomização muito baixa resultará em gotículas muito grandes, formando grandes aglomerados de partículas após a secagem, e pode haver componentes líquidos residuais que não estão completamente secos no interior, afetando a uniformidade do módulo; pressão muito alta pode produzir muito pó fino (<200 partículas de malha representam >10%), aumentar a perda de poeira e pode alterar a densidade aparente do produto (valor alvo 0,6Kg/L), afetando indiretamente a representatividade da amostragem durante o teste de módulo.
(III) Tratamento de envelhecimento e homogeneização
O produto em pó seco precisa ser envelhecido em armazém lacrado por 24-48 horas, com temperatura de envelhecimento controlada entre 40-50 ℃ e umidade <30% UR. Durante o processo de envelhecimento, a distribuição de umidade e a microestrutura dentro do pó são ainda mais equilibradas, o que pode reduzir a faixa de flutuação do módulo em ±0,03. Para produtos produzidos em lote, equipamento de homogeneização de fluxo de ar é usado para mistura (tempo de homogeneização 1-2 horas, velocidade de fluxo de ar 15-20m/s) para garantir a uniformidade do módulo de cada lote de produtos (desvio de módulo entre lotes ≤±0,05).
3. Análise dos fatores que afetam o controle do módulo e contramedidas
(I) Flutuações na qualidade da matéria-prima
Pureza da areia de sílica e tamanho das partículas
Se o teor de impurezas como Fe₂O₃ e Al₂O₃ na areia de sílica exceder 1,0%, ela reagirá com NaOH para gerar sais de sódio correspondentes, consumirá fontes de sódio e fará com que o módulo real seja muito alto. Contramedidas: Use o processo de decapagem por separação magnética (imersão em ácido clorídrico a 10% por 2 horas) para remover impurezas e aumentar a pureza da areia de sílica para mais de 98%. A distribuição desigual do tamanho das partículas de areia de sílica (como amplitude de tamanho de partícula> 0,3 mm) levará a taxas de reação inconsistentes e o desvio do módulo local pode atingir ± 0,2. Solução: Use peneira vibratória para obter a classificação do tamanho das partículas e use areia de sílica com tamanho de partícula de 0,05-0,1 mm como matéria-prima.
Problema de deliquescência de hidróxido de sódio
O hidróxido de sódio de nível industrial absorve facilmente a umidade durante o armazenamento, resultando em uma diminuição no teor efetivo de NaOH (o teor medido pode ser inferior a 95%), o que leva a desvios no cálculo da proporção. Contramedidas: Compre hidróxido de sódio em barris selados, recalibre a concentração por titulação ácido-base antes do uso e ajuste a quantidade de alimentação de acordo com o valor medido.
(II) Flutuações dos parâmetros do processo
Mudanças na eficiência de transferência de calor do reator
Após uso prolongado, a parede interna do reator pode sofrer incrustações (o principal componente é o silicato de cálcio), resultando em uma diminuição no coeficiente de transferência de calor e um atraso na temperatura de reação. Solução: Realize limpeza química regularmente (uma vez por trimestre) (use solução de ácido fluorídrico a 5% durante 2 horas de limpeza de circulação) para restaurar a eficiência da transferência de calor para mais de 90% do valor inicial.
Fenômeno de acúmulo de material na torre de secagem por pulverização
Se o pó excessivo se acumular na parede interna da torre de secagem (tempo de residência > 24 horas), ele poderá deliquescer devido à absorção de umidade, formando aglomerados de alta viscosidade, afetando a estabilidade do processo subsequente de secagem por atomização. Contramedidas: Instale um dispositivo de vibração automático (vibração 5-10 vezes por hora, amplitude 5-8mm) e limpe a parede interna após cada turno para controlar a espessura do material acumulado para ≤1mm.
(III) Erro sistemático do método de detecção
A detecção do módulo geralmente utiliza titulação ácido-base, mas os detalhes do processo de operação podem introduzir erros. Por exemplo, se a temperatura da água exceder 60°C quando a amostra for dissolvida, isso acelerará a hidrólise do silicato, resultando em um baixo valor de medição de SiO₂ e um pequeno valor de cálculo de módulo. Método de melhoria: Use água deionizada a 30°C±2°C ao dissolver a amostra (como a taxa de dissolução do produto tipo HLNAP-1 ≤60s/30°C) e use um agitador magnético para agitação rápida (velocidade 300r/min) para garantir a dissolução completa em 2 minutos e reduzir as perdas de hidrólise. Além disso, a escolha do indicador (como a diferença na faixa de mudança de cor do laranja de metila e da fenolftaleína) também afetará a determinação do ponto final da titulação. Recomenda-se usar titulação potenciométrica (erro de determinação do ponto final <0,1mL) em vez do método indicador tradicional para melhorar a precisão da detecção analógica para digital (desvio de medição repetido ≤ ±0,02).
