搪玻璃设备在建筑减水剂行业的应用

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  摘 要:对萘系高效减水剂工艺流程及相关客户在使用过程中出现问题进行简单的分析,从而说明搪玻璃设备的质量对萘系高效减水剂的重要性;并在文章中对如何保证搪玻璃设备的质量进行简单的阐述。希望此文对化工减水剂行业以及广大搪玻璃设备用户在进行搪玻璃设备的挑选及使用上有所帮助。
  关键词:搪玻璃设备 萘系高效减水剂 注意事项等
  减水剂是一种混凝土外加剂,广泛用于混凝土建筑工程、混凝土预制构件、桥梁等施工过程中,也可用于油田的固井作业。目前国内减水剂主要分为三大类:脂肪族减水剂、奈系减水剂和聚羧酸减水剂。而奈系减水剂,是目前国内使用范围最为广泛的一种减水剂,其生产工艺非常成熟,但是在生产萘系减水剂时需要高温(磺化反应大概温度在160度),同时生产时加入硫酸等腐蚀性液体,固必须要采用搪玻璃设备来进行生产。而搪玻璃设备又有其特殊性。它是将含高温二氧化硅的玻璃,經高温灼烧而牢固地密着于金属内表面的生产设备。它具有耐腐蚀性、不粘性、绝缘性、隔离性、和保险性等优良特性。
  一、萘系减水剂产品说明及工艺流程
  萘系减水剂,它是一种萘磺酸甲醛缩合物的化学合成产品,以工业萘、硫酸、甲醛、烧碱为原料。其主要成分为萘磺酸甲醛缩合物,结构式为[1]分子量1700~2300,浅黄色粉末,易溶于水。它是由萘用浓硫酸磺化得到β-萘磺酸,然后与甲醛缩合,再用苛性钠中和就得到萘磺酸钠甲醛缩合物。
  其工艺流程图[2]如下:
  1.原理
  1.1磺化反应
  主反应:生成β-萘磺酸[3,4] 副反应:α-萘磺酸
  部分α-萘磺酸进一步转化为β-萘磺酸。磺化过程中还存在生成β-二萘砜和萘二磺酸及其他转位体反应。将定量的工业萘倒入搪玻璃反应釜内,在密闭状态下向反应釜夹套内通入194℃的蒸汽,将萘融化,当熔萘温度升到135℃时,停止加热,开始向搪玻璃反应釜内滴加硫酸(98%)(滴加控制时间在0.5~1小时内)。硫酸滴加完毕后,开始供气加热,使物料温度上升到160~165℃,此时硫酸与工业萘开始进行磺化反应,生成α-萘磺酸与β-萘磺酸。为保证磺化反应的顺利进行,必须控制反应温度在160℃~165℃之间,为此要不断调整供气压力。磺化反应阶段一般需2小时。 磺化反应结束后,向反应釜内通入蒸气,直接将萘磺酸压入水解釜内。磺化反应控制的好坏,直接影响β-萘磺酸的含量,对缩合后的产品质量影响很大。影响磺化反应的因素主要有磺化温度、磺化时间、硫酸浓度、硫酸用量等。
  1.2水解
  主反应: 副反应:
  由于在磺化反应过程中,不仅生成了β-萘磺酸,而且也生成了一部分α-萘磺酸。水解的目的是使α-萘磺酸水解,以利于以后的缩合反应。水解时应将反应物料降温至120℃以下,加入经计算的水,为保证水解反应彻底完成,应保证水解时间在30分钟以上。
  1.3缩合
  β-萘磺酸在硫酸催化下,与甲醛合成亚甲基多萘磺酸
  缩合反应是萘系高效减水剂生产过程中的重要反应,也是时间较长的一个工序。开启循环冷却水系统将反应釜内的物料降温到85℃~100℃之间,然后开始滴加甲醛。甲醛在物料中酸根离子的作用下,发生转变,生成反应性很强的羰基离子。反应式为:
  HCHO+H+ CH2OH+
  为保证甲醛最大限度羰基化,滴加速度要慢,一般控制在2小时左右。羰化反应结束后,通气加热,使物料温度上升到110℃,此时甲醛羰离子与β-萘磺酸开始进行缩合反应,生成萘系磺酸甲醛缩合物,缩合反应历时约4。5h。缩合反应结束后,将生成物转移到中和罐内进行中和反应。反应过程中,为了调节物料粘度,需补充部分稀释水。
  1.4中和反应
  在整个反应过程中,均保持有一定的酸度,因此,在反应结束后需加入溶液NaOH中和过程的酸,使产物变为易溶于水的钠盐,以便增强减水剂的水溶性。
  H2SO4+NaOH → Na2SO4+H2O
  中和时为防止物料外溢应控制加碱速度不宜过快,至Ph值稳定在7~9时,表示中和反应结束。
  为控制SO42-的含量,满足产品的要求,需加入Ca(OH)2 ,将SO42-去除,生成CaSO4沉淀物,通过过滤去除Ca SO4。
  SO42-+Ca2+ → CaSO4 ↓
  中和反应后,形成的水剂产品置于贮罐内
  1.5干燥反应
  通过上述反应生成的水剂产品,通过干燥制成粉剂,将粉剂产品包装后贮存于仓库内。
  二、减水剂行业客户问题反馈及分析
  上面我简单介绍了萘系减水剂的生产原理,并对相关工段进行了详细说明。我公司是搪玻璃设备的龙头企业,年销售4.5亿,市场占有18%,产品规格从50L-80000L,是21届国际搪瓷大会指定参观企业。我公司与国内外数十家外加剂生产企业建立了长期友好合作关系,经过多年接触和相关了解,现将减水剂行业客户在使用过程中出现相关情况做如下分析总结:
  1.夹套超压导致的搪玻璃层爆瓷现象
  浙江某企业03年在我公司的订购标准2000L搪玻璃反应釜2套,客户在使用一段时间后向我公司反应,搪玻璃内壁出现大规模爆瓷现象。公司接到来函后立即派相关人员前往现场查看。(两台内胆内凸变形成纵向条状爆瓷,且上接环处也存在脱瓷,夹套完好无损,属典型的夹套超压内胆失稳变形引起爆瓷)
  在与现场人员沟通后得知该设备是用于萘系减水剂磺化反应工段,上面我也对该工段进行了较为详细的介绍,该工段工作温度在165度,需要保温2个小时左右,该公司订购的为标准搪玻璃反应釜,夹套设计压力为0.6MPa,而该公司所采用的加热方式为蒸汽加热。该公司为了达到磺化反应的165度温度以及相应提高产品效率,其实际蒸汽压力大概在0.8到0.9 MPa。   我公司给该公司给出了如下参考: 1。减压阀把蒸汽压力减压到0.6MPa,然后采用过热装置对蒸汽进行二次加热,从而达到磺化反应温度的要求。2.磺化反应釜在采购时应说明其设计压力为0.9 MPa,使用压力0.8 MPa,从而订制此反应釜。
  2.搪玻璃搅拌损坏严重
  客户在使用后经常反应搪玻璃搅拌容易损坏,因搅拌问题导致整台反应釜报废的现象也时有发生。我公司对此比较重视,对相关物料以及工艺流程进行了详细研究。发现工业萘生产时非常粘稠,标准搅拌器轴径和减速机功率已无法适用。在此我总结出这3点希望对广大减水剂用户有一定的指导作用。
  (1)物料粘度大,扭矩过大。可适当加粗搅拌轴径、加大减速机功率。
  (2)搅拌管壁在订制时应增加壁厚。
  (3)搅拌焊接一般情况下还是单面焊接,制造企业要提高焊接技术。
  3.冷热冲击导致搪玻璃层的损坏
  2005年2月,河南某化工厂在我公司订购4台5000L和2台3000L搪玻璃反应罐,在设备安装试车后,试运行一个月后向我们反应有2台5000L反应罐发生爆瓷现象要求处理。在公司售后人员现场观察后发现内胆局部区域梅花形爆瓷,有少量的爆瓷点经液体冲刷已露铁。公司售后人员与现场工作人员进行相关沟通,在设备刚运行时由于生产工艺的不成熟,曾出现过反应釜内温度失控现象,现场员工为控制釜内的温度直接向釜内加入了冷水。从而最终确定了此次搪玻璃设备的爆瓷与用户使用过程中超温差有关。
  在减水剂实际生产过程中因反应条件不易控制,造成温度大幅度波动,有些时候由于失控必须靠直接加入冷水降温。在此对广大搪玻璃设备用户做如下提醒:搪玻璃设备的耐温急变,冷冲击110度,热冲击120度。
  三、搪玻璃设备正确使用及维护的维护策略
  1.搪玻璃设备正确使用
  正确使用搪玻璃设备既要根据使用条件选择质量好、规格适宜、品种合适的搪玻璃设备,还要严格遵守各种操作、安全规定。搪玻璃设备的使用正确与否,能大大提高搪玻璃设备的寿命,在实际操作时应注意以下几点:
  1.1加料:加料时要慎重。不应有任何坚硬物体掉到搪玻璃设备内,同时还应尽量避免空罐加热料和热罐加冷料,使用温差不应超过设备的技术指标规定。物料加入设备内应严防夹带块状金属或杂物,对于大块硬质物料,应粉碎后加入。避免用人孔做固体物料的加入孔,人孔是为了维修、检验人员进出设备设计的通道,应该长期处于封闭状态,如果将人孔作为固体物料的加入孔,经常开启会导致人孔法兰密封面瓷层由外向里腐蚀,最终使法兰报废。必须用人孔作为加料孔时,要加装人孔保护圈或安装加料装置以保护人孔法兰不被腐蚀;
  1.2操作运转:在使用有夹套的设备加热时,一般情况下预先通入0.1MPA压力的蒸汽,保持一刻钟后,再缓缓通入蒸气达操作压力。在实际工作中可根据本单位的实际情况,找出适宜的升降温曲线,升温速度控制在3 ℃/ min以下。设备运转中要时刻观察釜内、导热载体的温度及夹套内的压力,防止加热、降温时产生温差急变造成爆瓷和排气不通时夹套内蒸汽压力超压;时刻观察法兰、接盘、人孔及填料箱的密封情况,发现泄漏应立即采取措施;
  1.3出料:在出料时,如遇罐底堵塞,不应用金属器具铲打,可用竹竿或塑料棒、木棒轻轻捅开。反应结束需要冷却时,必须待罐内温度自然下降到一定程度后再向夹套内通冷却水,严防骤冷。在酸、碱交替作用时,非耐碱搪玻璃设备的使用寿命大大缩短,因此,要注意选择耐碱性较好的搪玻璃设备,耐酸搪玻璃设备应避免用于酸碱交替的场合。出料时,如发现有瓷层碎屑,应立即开罐检查,修补瓷面后再用。
  2.搪玻璃设备正确使用及维护的维护
  2.1要经常检查,如发现裂纹或爆瓷等损坏,必须及时修补方可使用;
  2.2要经常清洗设备外壁,以防止污物腐蚀设备表面,防护漆要定期涂刷;
  2.3清洗设备内壁时尽量避免使用高温软水。高温软水、纯水和蒸馏水对瓷层腐蚀强烈,必须用软水浸泡设备时,要在水中加入适量的酸;清除瓷面上的粘附物时,不可使用金属敲铲;
  2.4清洗夹套水垢严禁使用酸性除垢剂,酸性除垢剂与铁反应产生的氢原子会渗入釜壁钢板,在钢铁空只内结合成氢分子聚集,这些气体又不能释放,就会积累形成巨大的内压,引起钢材表面鼓泡甚至破裂,以致搪玻璃设瓷层发生“鳞爆”;
  2.5夹套中无论是加热还是冷却用的媒体,均应呈中性或偏碱性,不得夹带任何酸液,否则将会因“氢鼓泡”导致玻璃衬里发生“鳞爆”或者腐蚀釜壁使釜壁钢板厚度减薄甚至穿孔;
  2.6发现夫套穿孔要第一时间停车并把搪玻璃设备内的物料放出,同时用低浓度的碱液清洗夹套和整个循环系统,直到用试纸测试夹套内呈中性、碱性为止。
  2.7經常检查搪瓷衬里、传动部件、密封情况等是否正常,若发现异常应及时处理,不可延误;
  定期更换传动装置和机械密封腔内的润滑液,保证各运转部位的正常润滑;
  四、搪玻璃设备管理要点问题分析
  在长期的维修实践中,经过对塘玻璃设备损坏分析以及维修人员和搪玻璃设备用户的交流总结,有几个问题需要用户在搪玻璃设备管理中特别注意:
  1.搪玻璃设备损坏应早发现早处理
  搪玻璃设备更多的损坏是从微小的损坏开始的。出料时不能及时发现瓷片碎屑、不注意经常检查瓷面是否完好、发现问题不能及时有效的修理,致使微小的损坏发展成穿孔进而造成更大的损失。
  2.搪玻璃设备外壁防腐
  在潮湿、酸气较大的车间里,搪玻璃设备包括其它碳钢设备外壁大多腐蚀都比较严重,特别是管道阀门密封不好漏液,物料会滴在釜盖上,釜盖基材因氢腐蚀导致釜盖内壁瓷层”鳞爆”。为此,许多单位采用刷油漆、加保温层防护,效果并不太好。国外的化工企业为了避免此类事情的发生就在釜盖上加了一个塑料套子。本着因陋就简的原则搪玻璃设备在外壁可涂刷耐腐蚀涂料、贴玻璃钢以达到防腐的目的。   3.搪玻璃设备的法兰密封不应忽视
  搪玻璃设备法兰损坏,有50%以上是因为垫片不耐介质腐蚀或垫片安装不密封造成的。泄露的介质或酸气由外向里腐蚀法兰基体,最终使设备报废。垫片应根据反应介质、浓度及温度来选择,在使用前要根据所选择垫片的性质进行必要的处理。
  解决的办法有以下几点:
  3.1购买搪玻璃设备时应严格检验设备的公差变形,不符合标准的设备不能采购;
  3.2选择耐腐蚀性能优越、材质柔软、抗老化、符合标准的垫片
  3.3反应釜内压力超过25Mpa时不能再使用石棉垫片,应使用内衬波纹钢的垫片。使用石棉垫片时,应先将它泡在沸水中使其柔软,否则不容易压紧;
  3.4由于使用过的垫片几乎没有了弹性不能很好的密封,拆装设备时,应更换新的垫片;
  4.加入管应伸长几厘米
  搪玻璃设备釜盖管口除去一个用来作视孔,其它的都用来安装加入管或抽真空的管道,在安装加入管、管道时大多数厂家都错误的将加入管、管道出口与连接法兰平面安装的一样平。正确的应该是将管子露出几厘米,其原因有二:避免腐蚀瓷层的物料直接接触瓷层,另外还能避免冷料或热料对搪玻璃设备瓷层造成冷热冲击。
  5.避免用人孔做固体物料的加入孔
  人孔是为了维修、检验人员进出设备设计的通道,应该长期处于封闭状态,如果将人孔作为固体物料的加入孔,经常开启会导致人孔法兰边搪瓷由外向里腐蚀,最终使法兰报废。必须用人孔作为加料孔时,要加装人孔保护圈或安装加料装置以保护人孔法兰不被腐蚀。
  6.夹套中导热载体应注意的问题
  搪玻璃设备换热循环系统大多使用水、导热油、乙二醇等加热降温,由于各种原因酸性物料会进入换热循环系统或者乙二醇分解,致使导热载体呈酸性,最终导致氢腐蚀进而造成鳞爆。解决的方法就是经常检测导热媒介的PH值,导热媒介呈酸性时要加入少量的碱使PH值大于了。另外,使用导热油加热时,导热油一定要经过严格脱水,防止温度升高导热油中的水气化,造成夹套内超压设备釜壁变形导致爆瓷损坏。
  7.高温纯净水腐蚀搪玻璃设备瓷面
  搪玻璃设备在常压下,蒸馏水100℃、软水135℃以上对搪玻璃设备瓷层腐蚀严重,腐蚀损坏表现为玻璃表面失色、失光、瓷层毛糙和瓷层逐渐变薄直至失效,显微看瓷层表面小碎片爆瓷,当冷凝水沿壁流下,在液位线上方玻璃上,出现不规则的竖道。水对瓷层的腐蚀除去流淌的蒸馏水水流有竖道外其它是均匀的,如果瓷层没有气泡是不会短时间造成搪玻璃设备瓷层失效的。但当瓷层存在贯穿气泡时,气泡表面的瓷层逐渐减薄直至消失,就能使该处被物料腐蚀穿孔。
  8.搪玻璃设备附件配件的选配与运用
  在生产中搪玻璃设备附件、配件是必不可少的。夹套放气孔运用得好,设备换热效率就高,下接环放水阀发挥了作用,夹套下接环就不会被腐蚀,合理的搅拌形式结合折流板还能降低能耗、缩短反應时间、提高收率。选购活套法兰、温度计套管、折流板、搅拌、机械密封、减速机等配件一定要考虑设计、质量优劣,因为一个小小的配件损坏导致设备报废的案例不胜枚举,为此,附件的正确运用与否、配件的优劣直接关系到设备的寿命、生产的运行、企业的效益。
  参考文献
  [1]GB25025-2010《搪玻璃设备技术条件》.
  [2]许宁 ,工业萘生产减水剂的工艺研究,煤化工,2003,(5):20-23.
  [3]孙利人, 《搪玻璃设备指南》.
  作者简介:毛建江(48岁)男,工程师,1996-2013年担任江苏扬阳化工设备制造有限公司技术科长,设计责任工程师,设计室负责人。
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