1. Обзор процесса производства порошкообразного силиката натрия и влияние колебаний модуля
Порошкообразный силикат натрия, как важный химический продукт неорганического кремния, производится из жидкого жидкого стекла путем сушки, распыления и других процессов. На примере Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd, ее быстрорастворимая модель силиката натрия HLNAP-4 имеет характеристики модуля 3,4±0,1 и содержание диоксида кремния 61,0-65,0%, который широко используется в моющих средствах, быстросохнущих добавках к цементу и других областях. В производственном процессе модуль (значение М) является ключевым показателем для измерения характеристик продукта. Именно соотношение количества диоксида кремния и оксида натрия напрямую влияет на растворимость и цементирующие свойства продукта. Локальный перегрев является одним из важных факторов, вызывающих колебания модуля. Если во время производственного процесса локальная температура будет слишком высокой, это ускорит реакцию поликонденсации раствора силиката натрия, изменит степень полимеризации диоксида кремния, а затем приведет к отклонению модуля от целевого значения 3,4 ± 0,1, что повлияет на стабильность и постоянство качества продукции. Поэтому изучение способов предотвращения колебаний модуля, вызванных локальным перегревом, имеет большое значение для повышения качества производства порошкообразного силиката натрия.
2. Анализ причин локальных перегревов при производстве порошкообразного силиката натрия.
(I) Влияние технологического оборудования для сушки
В процессе сушки порошкообразного силиката натрия широко используемое оборудование, такое как башни распылительной сушки и сушилки с псевдоожиженным слоем, если конструкция оборудования необоснованна или неправильно установлены рабочие параметры, легко вызвать неравномерное распределение материалов в сушильной камере, скопление материалов в локальных областях или чрезмерное время пребывания, тем самым вызывая локальный перегрев. Например, если распылитель башни распылительной сушки имеет плохой эффект распыления и неравномерное распределение капель по размерам, более крупные капли быстро падают в сушильной башне и могут достичь нижней части башни до полного высыхания, в то время как более мелкие капли могут оставаться в зоне высокой температуры слишком долго, что приводит к локальному перегреву. Кроме того, неравномерная скорость потока и распределение температуры сушильной среды (например, горячего воздуха) также вызывают неравномерный нагрев различных частей материала, что приводит к локальному перегреву.
(II) Влияние характеристик материала и процесса обработки
В качестве сырья для производства порошкообразного силиката натрия концентрация, вязкость и другие характеристики жидкого жидкого стекла будут влиять на тепло- и массоперенос в процессе сушки. Когда концентрация жидкого жидкого стекла слишком высока и вязкость велика, распыление капель увеличивается в процессе распылительной сушки, и легко образуются более крупные капли или жидкие пленки, что затрудняет испарение внутренней воды, а внутри накапливается тепло, вызывая локальный перегрев. В то же время при предварительной подготовке сырья неравномерное перемешивание может привести к локальным перепадам концентрации в материале, а участки с высокой концентрацией более склонны к перегреву из-за плохой теплопередачи при сушке.
(III) Влияние параметров управления производственным процессом
Если параметры управления в производственном процессе, такие как температура сушки, скорость подачи, время сушки и т. д., установлены необоснованно или управление нестабильно, это также приведет к локальному перегреву. Например, когда температура сушки слишком высока, а скорость подачи слишком мала, материал слишком долго остается в среде с высокой температурой и склонен к перегреву; при слишком высокой скорости подачи материал может не полностью высохнуть вовремя, что не только влияет на влажность продукта, но и может вызвать локальный перегрев из-за продолжающегося нагрева некоторых материалов при последующей обработке. Кроме того, если есть проблемы с положением установки и точностью датчика температуры, он может не иметь возможности точно отслеживать изменения температуры в локальной зоне, в результате чего система управления не сможет вовремя отрегулировать, что приведет к локальному перегреву.
3. Ключевые технические меры, позволяющие избежать колебаний модуля, вызванных локальным перегревом.
(I) Оптимизировать структуру и рабочие параметры сушильного оборудования.
Оптимизация башни распылительной сушки
Используйте новый тип распылителя, например композитный распылитель, который сочетает в себе центробежный распылитель с распылителем воздушного потока, чтобы улучшить однородность размера капель. Центробежный распылитель может контролировать размер капель, регулируя скорость, в то время как распылитель с воздушным потоком может выполнять вторичное распыление более крупных капель, делая распределение капель по размеру более концентрированным и уменьшая локальный перегрев, вызванный неравномерным размером капель. Например, в производственной практике компании Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd за счет внедрения композитного распылителя доля распределения капель по размерам в диапазоне 50-150 мкм была увеличена до более чем 85%, что значительно улучшило однородность процесса сушки.
Оптимизируйте внутреннюю структуру сушильной башни, например, установив в башне направляющую пластину или распределитель, чтобы обеспечить равномерное распределение горячего воздуха и избежать вихревых токов или локальных высокоскоростных зон. Направляющая пластина может направлять поток горячего воздуха вниз по спирали, увеличивать время контакта и однородность между горячим воздухом и материалом, а также уменьшать прилипание материала к стене башни, снижая риск местного перегрева.
Разумно установите положение воздухозаборника и выхода сушильной башни, чтобы обеспечить плавный поток горячего воздуха и избежать мертвых углов. Воздухозаборник может быть распределен кольцеобразно, чтобы горячий воздух поступал равномерно со всех сторон башни, а выпуск воздуха установлен в центре нижней части башни, чтобы обеспечить своевременный выпуск выхлопных газов и поддерживать стабильность воздушного потока в башне.
Оптимизация сушилки с псевдоожиженным слоем
Спроектируйте подходящую структуру псевдоожиженного слоя, например многослойный псевдоожиженный слой или псевдоожиженный слой с внутренним подогревом. Многослойный псевдоожиженный слой может поочередно сушить материал в разных слоях. Для каждого слоя установлены разные параметры температуры и потока воздуха, чтобы добиться градиентной сушки и избежать перегрева материала из-за длительного времени пребывания в одном слое. В псевдоожиженном слое с внутренним подогревом в слое слоя установлены нагревательные элементы, такие как тепловые трубы или паровые змеевики, для передачи тепла непосредственно к материалу, повышения эффективности теплопередачи, уменьшения количества горячего воздуха, снижения энергопотребления и возможности локального перегрева.
Оптимизируйте пластину распределения воздушного потока псевдоожиженного слоя, чтобы обеспечить равномерное прохождение воздушного потока через слой слоя. Скорость открытия, размер отверстия и режим распределения пластины распределения воздушного потока напрямую влияют на однородность воздушного потока. Пористая пластина или конусообразная распределительная пластина могут использоваться для равномерного распределения воздушного потока в нижней части слоя слоя, чтобы избежать образования каналов или явления мертвого слоя материала, тем самым уменьшая локальный перегрев.
(II) Усиление контроля за имуществом и предварительной обработки материалов.
Оптимизация концентрации и вязкости сырья
Строго контролируйте концентрацию жидкого жидкого стекла и регулируйте концентрацию в соответствующем диапазоне в соответствии с требованиями процесса сушки. Вообще говоря, подходящая концентрация жидкого жидкого стекла для распылительной сушки составляет 30–40°Bé. В этом диапазоне концентраций эффект распыления капель лучше, скорость испарения воды умеренная, и возникновение локального перегрева может быть уменьшено. Если концентрация слишком высока, ее можно отрегулировать, разбавив водой; если концентрация слишком низкая, ее необходимо сконцентрировать.
Вязкость жидкого жидкого стекла можно снизить, добавив соответствующее количество диспергатора или поверхностно-активного вещества. Диспергаторы, такие как гексаметафосфат натрия, могут быть адсорбированы на поверхности частиц силиката натрия, чтобы предотвратить агломерацию частиц, снизить вязкость системы и улучшить характеристики распыления. Поверхностно-активные вещества, такие как додецилбензолсульфонат натрия, могут снизить поверхностное натяжение жидкости, облегчая распыление капель на мелкие частицы, повышая эффективность сушки и уменьшая накопление тепла.
Усиление перемешивания и смешивания материалов
При хранении и транспортировке сырья используется высокоэффективное перемешивающее оборудование, такое как комбинированный метод перемешивания, сочетающий якорную и пропеллерную мешалки, чтобы обеспечить равномерное перемешивание материалов и избежать локальных различий в концентрации. Якорная мешалка может удалять отложения материала на дне и стенках резервуара, а пропеллерная мешалка может создавать сильный осевой поток, так что материал образует циркуляционный поток в резервуаре и улучшает однородность смешивания.
Для крупномасштабного производства на конвейере можно установить статический смеситель для дальнейшего улучшения смешивания материалов. Статический смеситель состоит из ряда фиксированных смесительных элементов. Материал непрерывно разделяется и повторно объединяется при прохождении, чтобы добиться равномерного смешивания, обеспечить постоянство характеристик материала, поступающего в сушильное оборудование, и уменьшить локальный перегрев, вызванный неравномерностью материалов.
(III) Точный контроль параметров производственного процесса
Точный контроль температуры сушки
Используйте передовые системы контроля температуры, такие как системы нечеткого ПИД-регулирования на основе ПЛК, для обеспечения мониторинга в реальном времени и точной регулировки температуры сушки. Установите несколько датчиков температуры в разных частях сушильной башни, например, на входе воздуха, в середине корпуса башни, на выходе воздуха и т. д., чтобы собирать данные о температуре в режиме реального времени и передавать данные на контроллер ПЛК. Контроллер автоматически регулирует мощность нагревательного элемента или скорость потока горячего воздуха в соответствии с заданным диапазоном температур и нечетким алгоритмом ПИД-регулирования, чтобы поддерживать температуру сушки в диапазоне ± 2 ℃ от заданного значения, чтобы избежать чрезмерных колебаний температуры и локального перегрева.
Установите механизм предупреждения о повышении температуры. Когда температура определенной области превышает установленный верхний предел, система немедленно подает сигнал тревоги и автоматически регулирует соответствующие параметры, такие как увеличение скорости подачи или уменьшение мощности нагрева, чтобы снизить температуру области и предотвратить дальнейшее ухудшение местного перегрева.
Скоординированный контроль скорости подачи и времени сушки
Экспериментально определяется оптимальная комбинация скорости подачи и времени сушки в зависимости от производительности сушильного оборудования и характеристик материала. Скорость подающего насоса контролируется с помощью технологии регулирования скорости с переменной частотой для достижения непрерывной регулируемой скорости подачи. В ходе производственного процесса степень сухости материала контролируется в режиме реального времени с помощью онлайн-оборудования для обнаружения, например, определение распределения частиц продукта по размерам с помощью лазерного анализатора размера частиц и определение содержания влаги в продукте с помощью влагомера. По результатам испытаний скорость подачи и время сушки корректируются вовремя, чтобы материал имел достаточно времени для завершения процесса сушки в сушильной камере, избегая при этом перегрева из-за длительного времени пребывания.
Для различных моделей порошкообразных продуктов из силиката натрия, таких как модель HLNAP-4 с модулем 3,4±0,1, из-за возможных различий в составе сырья и характеристиках сушки необходимо разработать индивидуальные планы управления скоростью подачи и временем сушки. Например, при производстве HLNAP-4 скорость подачи можно регулировать на уровне 50–80 л/ч, а время сушки — на уровне 15–25 минут. Точность управления можно дополнительно повысить за счет накопления и оптимизации фактических производственных данных.
(IV) Внедрение передовых технологий мониторинга и анализа.
Применение технологии онлайн-мониторинга
Установите онлайн-инфракрасный термометр, чтобы контролировать распределение температуры поверхности материала в процессе сушки в режиме реального времени. Инфракрасный термометр обладает преимуществами бесконтактного измерения, быстрой скоростью отклика и высокой точностью измерения. Он может своевременно обнаружить аномальное повышение локальной температуры материала. Подключив данные мониторинга инфракрасного термометра к системе управления сушильным оборудованием, можно обеспечить раннее предупреждение в реальном времени и автоматическую регулировку локального перегрева.
Используйте онлайн-анализатор размера частиц с лазерным рассеянием, чтобы постоянно отслеживать изменения размера частиц материала в процессе сушки. Изменение размера частиц может отражать степень высыхания и нагрева материала. Если размер частиц материала на каком-либо участке внезапно увеличивается, это может указывать на то, что этот участок перегрет, что приводит к агломерации частиц. Колебания модуля можно избежать, своевременно корректируя параметры сушки.
Применение процессно-аналитической технологии (PAT)
Используйте технологию анализа спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона, чтобы отслеживать изменения химического состава материалов в режиме реального времени, такие как соотношение содержания диоксида кремния и оксида натрия, и косвенно судить о тенденции изменения модуля. Спектроскопический анализ в ближнем инфракрасном диапазоне имеет характеристики быстроты, неразрушаемости и работы в режиме реального времени. Он может непрерывно собирать спектральные данные во время производственного процесса и преобразовывать спектральные данные в информацию о химическом составе с помощью хемометрических моделей, чтобы обеспечить обратную связь в реальном времени для управления производственным процессом.
Создается математическая модель производственного процесса, а процесс сушки динамически моделируется и прогнозируется в сочетании с данными мониторинга в реальном времени. С помощью математической модели можно проанализировать влияние различных параметров процесса на распределение температуры и модуль упругости материала, заранее предупредить возможные локальные проблемы перегрева, а параметры процесса можно оптимизировать для достижения оптимального управления производственным процессом.
4. Практика и достижения Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd.
Как предприятие, специализирующееся на производстве продуктов из неорганического кремния, компания Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd придает большое значение контролю стабильности модуля при производстве порошкообразного силиката натрия. За счет оптимизации и модернизации сушильного оборудования, например, использования композитного распылителя и оптимизации внутренней структуры сушильной башни, была значительно улучшена однородность размера капель, а явление локального перегрева в процессе сушки было уменьшено более чем на 30%. В то же время усиливается перемешивание и смешивание звена предварительной обработки материала, чтобы обеспечить однородность концентрации и вязкости жидкого жидкого стекла, закладывая основу для стабильной работы последующего процесса сушки.
Что касается управления процессом, компания внедрила систему нечеткого ПИД-регулирования температуры на базе ПЛК и онлайн-инфракрасный термометр для достижения точного контроля температуры сушки и мониторинга локального перегрева в режиме реального времени. За счет оптимизации согласования скорости подачи и времени сушки в сочетании с контролем модуля в реальном времени с помощью технологии анализа ближней инфракрасной спектроскопии диапазон колебаний модуля (значение M) контролируется в пределах ±0,05, что намного лучше, чем требование отраслевого стандарта ±0,1, и стабильность качества продукции значительно улучшается.
Кроме того, компания также создала полную систему управления производственными процессами, усилила обучение сотрудников, а также улучшила осведомленность операторов и возможности решения локальных проблем перегрева. Регулярное техническое обслуживание производственного оборудования обеспечивает его нормальную работу, дополнительно снижая локальный перегрев и колебания модуля, вызванные неисправностями оборудования.
