【正文】 0℃ 以上逐漸熔融 ，無定型狀態(tài)的多種結(jié)構(gòu)裂變成簡單結(jié)構(gòu)的層狀晶體結(jié)構(gòu)基元；繼續(xù)升溫至 700 ℃ ，結(jié)構(gòu)基元生長成為層狀結(jié)構(gòu)晶體，層狀晶體有多種晶形 ，主要是 α、 β、δ、 γ 4 種；到 700～ 800 ℃ ， 其它晶形向 δ 型轉(zhuǎn)化 ，成 δ 型層狀結(jié)晶二硅酸鈉。 特點(diǎn)：原料來源廣，但溫度要求高，對晶型的轉(zhuǎn)變程度要求比較高，不易掌握。粉體直接結(jié)晶法 將固體水玻璃先粉碎 成粉體 ，直接進(jìn)結(jié)晶爐結(jié)晶。 噴霧干燥結(jié)晶法 [10] 水玻璃經(jīng)噴霧干燥成為粉體，再將粉體轉(zhuǎn)入結(jié)晶爐中結(jié)晶轉(zhuǎn)化。 層硅現(xiàn)已經(jīng)作為公認(rèn)的 STPP的最佳替代品，對其工藝的研究已經(jīng)是炙手可熱的 事情 ，就目前的生產(chǎn)技術(shù)及研究，生產(chǎn)層硅有蒸發(fā)干燥結(jié)晶法、噴霧干燥結(jié)晶法、噴霧干燥一步結(jié)晶法、晶體誘導(dǎo)結(jié)晶法、 燒堿合成法 等方法，其各有特點(diǎn)。 據(jù)海洋專家初步估計(jì) ， 我國每年因海洋污染產(chǎn)生赤潮造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 100億元人民幣。山東勝通集團(tuán)公司引進(jìn)該項(xiàng)目生產(chǎn)技術(shù) ， 投資 1000多萬元于 2020年 10月建成年產(chǎn)萬噸級層硅酸鈉生產(chǎn)裝置 ， 其產(chǎn)品經(jīng)國家有關(guān)部門檢測 ， 各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到三聚磷酸鈉 的性能 ， 有些還優(yōu)于三聚磷酸鈉 ， 且生產(chǎn)成本低于三聚磷酸鈉。目 前該公司已形成年產(chǎn)十幾萬噸層硅的生產(chǎn)規(guī)模。 2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 44 頁 2 工藝的選擇 層硅工藝現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 德國赫司特公司是最早生產(chǎn)三聚磷酸鈉的企業(yè) ， 由于磷的污染問題導(dǎo)致產(chǎn)品滯銷 ， 20世紀(jì) 80年代該公司開始研究生產(chǎn)代磷助劑層硅酸鈉產(chǎn)品 。經(jīng)測定，層硅、STPP、 4A 沸石抗酸值分別為 、 、 ，層硅作為洗滌助劑時(shí)，無須再復(fù)配其它堿性物質(zhì)，單獨(dú)使用。 測定吸水后層硅的鈣離子交換能力可間接反映產(chǎn)品存放和復(fù)配時(shí)的穩(wěn)定性。層硅還在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較好的離子交換能力，尤其是低溫交換能力好，這種性能非常適于合成洗滌劑低溫洗滌趨勢的要求。 離子交換性能 在層硅晶體結(jié)構(gòu)中，硅和氧之間結(jié)合起著骨干作用，它們有序排列，彼此相連形成層狀構(gòu)造，每層之間由相互作用較弱的鈉陽離子相接，這些鈉陽離子易與水溶液中的鈣、鎂、鐵、銅等金屬陽離子進(jìn)行交換，生成更加穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并使交換能夠進(jìn)行到底。在應(yīng)用中要盡量選用多功能助劑，減少原料種類，簡化生產(chǎn)環(huán)節(jié)。 2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 共 44 頁 1 概述 洗滌助劑發(fā)揮的功能及要求 洗衣粉由表面活性劑、助劑、漂白劑和輔助助劑等組成。大量實(shí)驗(yàn)表明，用做洗滌助劑的層硅 δ相組成一般以大于 80 %為好 ,層硅可以部分或完全替代 STPP ；并且由于其具有良好吸附性， 也是制備新型干燥劑的原料。世界各國多年來不斷致力于 STPP各種替代品的研究，如已報(bào)道的復(fù)合碳酸鹽、各種沸石、偏硅酸鈉、檸檬酸鈉、氮川三醋酸鈉 (NTA) 、羧甲氧琥珀酸三鈉 (CMOS) 、聚丙烯酸鹽、結(jié)晶性層狀硅酸鈉等，但從性能、價(jià)格、環(huán)境衛(wèi)生等各方面綜合比較，目前得到公認(rèn)的代磷助劑僅有 4A 沸石、層狀硅酸鈉、檸檬酸鈉、偏硅酸鈉和 NTA 等 [1， 2]。2020 屆化學(xué)工程與工藝專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 共 44 頁 層狀硅酸鈉的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 摘 要 本文介紹了層狀硅酸鈉在洗滌助洗劑中替代三聚磷酸鈉（ STPP)的必要性和優(yōu)勢，以及層硅的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)流程： 生產(chǎn)以燒堿、石英砂為主要原料 ,經(jīng)混料→反應(yīng)→沉降→調(diào)模→過濾→濃縮→噴霧干燥→包裝得成品，通過設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而選擇適合本工藝的設(shè)備，并運(yùn)用 AuToCAD 繪制流程簡圖及主要設(shè)備。以上品種在性能和應(yīng)用等方面各有特點(diǎn)，其中層 狀硅酸鈉是目前在性能、價(jià)格等方面能同 STPP、 4A 沸石等競爭的品種，結(jié)合鈣、鎂離子能力強(qiáng)，用于洗滌劑組分易濃縮化 ， 緩沖和貯存穩(wěn)定性好 [3]， 并且可用于機(jī)洗餐洗劑中 [4， 5]，具有較好的發(fā)展前景 [6， 7]。因此，了解 δ相結(jié)晶性層狀硅酸鈉的性能和生產(chǎn)工藝是必須的。助劑的概念不能理解為在洗滌中起輔助作用，恰恰相反，許多助劑在洗滌中往往起著核心作用，所以凡是有助于洗滌作用的物質(zhì)都統(tǒng)稱洗滌助劑。層硅已被實(shí)驗(yàn)證明是一種多功能助劑 [8]。實(shí)驗(yàn) 表明，層硅加入到普通硬水中后，對鈣、鎂離子交換能力強(qiáng)，水質(zhì)軟化徹底。 吸附及穩(wěn)定性 層硅晶體結(jié)構(gòu)中有大量 SiO 共價(jià)鍵，對水和其它含不飽和鍵的物質(zhì)具有較好的吸附能葉小燕：層狀硅酸鈉的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 44 頁 力。通過測定不同吸水量后的層硅對鈣交換量可知，吸水后的層硅鈣交換量呈上升趨勢，樣品吸水增重 30%時(shí)達(dá)到最大值，超過 30%后，鈣交換量下降，但均高于起始值。 溶解性能 層硅具有一定水溶性，同 STPP、 4A沸石相比，其水溶性能力為 STPP 層硅 4A沸石。 首先建成了世界上第 1套 2500t/a的層硅生產(chǎn)裝置 ， 并以商品名 SKS一 6在市場上銷售 ， 依賴其突出的綜合助洗性能和低廉的成本獲得成功。 我國在這方面發(fā)展較晚 ， 北京化工大學(xué)于 1997年首先成功開發(fā)了層硅 ， 于次年建成了500t/a的生產(chǎn)裝置 。國產(chǎn)層硅酸鈉的開發(fā)研制成功及工業(yè)化生產(chǎn)標(biāo)志著我國洗滌助劑的研發(fā)已達(dá)到國際先進(jìn)水平 ， 為我國洗滌用品的無磷化提供了可靠的技術(shù)保證。我國的江河水質(zhì)含磷量嚴(yán)重超標(biāo) ， 加上其他污染物的存在 ， 已造成的江河段不符合飲用水和漁業(yè)用水要求。 蒸發(fā)干燥結(jié)晶法 [10] 將水玻璃先濃縮至密度為 ～ 1. 53 g/cm3 ，放入專用設(shè)備中進(jìn)入結(jié)晶爐的預(yù)干燥段 ，利用高溫段的輻射熱蒸發(fā)干燥 ，再進(jìn)入高溫段結(jié)晶 ，然后粉碎成所要求的粒度。 特點(diǎn)：該方法使粉體在結(jié)晶爐中受熱均勻，結(jié)晶時(shí)間短 ，晶體結(jié)構(gòu)均勻 ，產(chǎn)品質(zhì)量好，需配套的噴霧干燥裝置和輸送設(shè)備 ，投資大，能耗高。該方法生產(chǎn)出的產(chǎn)品密度大，比表面積小 ，活性差 ，而且固體水玻璃粉碎的難度大。 晶體誘導(dǎo)結(jié)晶法 [10] 在噴霧干燥后的粉體中加入一定數(shù)量預(yù)先制備的晶種， 攪拌混合均勻后進(jìn)結(jié)晶爐結(jié)晶。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定制備層硅的最佳工藝條件是采用氯化鉀作晶型轉(zhuǎn)化劑，加 量 3%5%，溫度 800℃ ，時(shí)間10min。 生產(chǎn)層硅的工藝過程為 ： 將液堿打入配料罐 ， 加適量的補(bǔ)充水 ， 配成一定濃度的稀堿液。 混料 反應(yīng) 沉降 調(diào)模 過濾 濃縮 干燥 包裝 產(chǎn)品 助劑 水 蒸汽 燒堿 尾氣 去過濾 水膜除塵 旋風(fēng)除塵 返料 返料 熱空氣 燒堿 空氣 來自調(diào)模 石英砂 尾氣 熱風(fēng)爐 葉小燕：層狀硅酸鈉的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 44 頁 3 反應(yīng)容器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì) A、選型說明 化學(xué)反應(yīng)器型式繁多： 按反應(yīng)器中的物相分類 ， 可分為單（均）相和多（復(fù)）項(xiàng) ， 單相可為單一氣相或單一液相 ， 多項(xiàng)可分為氣 液（ GL） ， 液 液（ LL）相，氣 固（ GS）相，液 固（ LS）相和氣 液 固（ GLS）相； 按操作方式分類，反應(yīng)器可分為間歇操作、連續(xù)操作和半連續(xù)（或半間歇）操作； 按物料流動(dòng)狀態(tài)分類； 可按傳熱特征分類。 ⑶ 每批生產(chǎn)總時(shí)間 總? ： hh 5)14(21 ????? ??? 總 (33) 式中： 總? —— 表示每批生產(chǎn)的總時(shí)間， h ； 1? —— 表示每批生產(chǎn)的反應(yīng)時(shí)間， h ； 2? —— 表示每批生產(chǎn)的停留時(shí)間， h 。 ⑵ 傳熱效率 ? ： 0011 12m a x 20200 ???????? tT ttQ Q? (37) 式中： ? —— 表示傳熱效率； 1t —— 表示物料的進(jìn)口溫度， ℃ ； 2t —— 表示物料的進(jìn)口溫度， ℃ ； 2T —— 表示蒸汽的進(jìn)口溫度， ℃ 。封頭取與內(nèi)筒體相同內(nèi)徑，封頭直邊高度1h由附表 15?? [14]選取， 1h = mm40 。 表 33 夾套直徑與內(nèi)筒體直接的關(guān)系 [14] 內(nèi)筒體 iD ， mm 500～ 600 700～ 1800 2020～ 3000 夾套 iD ， mm 50?iD 100?iD 200?iD ⑤ 確定夾套高度 jH 設(shè)夾套高度 jH 等于料液高度（一般不應(yīng)低于料液高度），則： mD VVHikij 4 2 4 220 ?????? ?? 圓整后取 mmH j 1200? 。 葉小燕：層狀硅酸鈉的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 44 頁 內(nèi)筒體和底封頭既受內(nèi)壓又受外壓的作用。 根據(jù)鋼板規(guī)格，取夾套筒體名義厚度 mmnj 6?? 。則 0 ?DL， 1970 ?eD ?，由圖 113[14]查得?A ，圖 115[14]查得 MPaB 70? ，此時(shí) [P ]為： M P aDBP e ][ 0 ????? ? 故取內(nèi)筒體壁厚 mmn 10?? 可以滿足 設(shè)計(jì)要求。 用 以下公 式計(jì) 算 系數(shù) A ： 1260 ????? ieRA ? (312) 查圖 115[14]查得 MPaB 96? ，由式 M P aM P aRBP i e ][ ????? ? 故封頭壁厚取 mm10 可以滿足穩(wěn)定性要求。][ ?? 。設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的總效率為 （一般可據(jù)現(xiàn)場情況類比），則電機(jī)功率為 KWPe ??,參考電機(jī)系列，取電機(jī)功率。 ⑸ 聯(lián)軸器選擇 選用 JQ 型夾殼式聯(lián)軸器，標(biāo)記符號為 50?JQ 。干燥設(shè)備的型式很多，可根據(jù)被干燥物料的特點(diǎn)、工藝要求及生產(chǎn)條件進(jìn)行選擇。干燥產(chǎn)品根據(jù)需要可制成粉狀、顆粒、空氣球或團(tuán)粒狀。整個(gè)體系包括空氣加熱系統(tǒng)、原 料液供給系統(tǒng)、干燥系統(tǒng)、氣 —固分離系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。目前，噴霧干燥常用的霧化器有氣流式、壓力式和旋轉(zhuǎn)式三種。利用高 壓泵使液體獲得很高的壓力 (2— 20MPa)，由切線入口進(jìn)入帶噴嘴的液體旋轉(zhuǎn)室中，液體在旋轉(zhuǎn)室獲得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 壓力式噴嘴的霧化機(jī)理，也是滴狀、絲狀及膜狀分裂，工業(yè)生產(chǎn)用的壓力式噴嘴，通常是在膜 狀分裂條件下操作。 塔內(nèi)空氣 — 霧滴的流動(dòng)方向 在噴霧干燥塔內(nèi)，空氣 (即 熱風(fēng) )和霧滴的運(yùn)動(dòng)方向 [17]及混合情況，直接影響到干燥時(shí)間和產(chǎn)品質(zhì)量。 圖 43 向下并流的噴霧干燥示意圖 本設(shè)計(jì)主要討論空氣 — 霧 滴向下并流運(yùn)動(dòng)的噴霧干燥，空氣 — 霧滴向下并流的這種噴霧干燥流向如圖 43 所示。 葉小燕：層狀硅酸鈉的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 44 頁 壓力式噴霧干燥器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如下： 生產(chǎn)能力 2 ? /年 ； 年運(yùn)行時(shí)間 ?300 24h ； 料液含水量 001 80?? （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，濕基） ； 產(chǎn)品含水量 2 2%?? （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，濕基） ； 料液密度 31100L kg m? ? ； 產(chǎn)品密度 3900s kg m? ? ； 熱空氣入塔溫度 1 300tC??； 尾氣出塔溫度 2 100tC??； 料液進(jìn)入干燥器時(shí)的溫度 1 20mtC??； 產(chǎn)品離開干燥器時(shí)的溫度 2 90mtC?? ； 產(chǎn)品（霧滴）平均粒徑 125Pdm?? ； 產(chǎn)品的平均比熱容 2 2 .5 ( )mc kJ kg C? ??； 加熱蒸汽壓力 MPa? （表壓） ； 料液霧化壓力 4P MPa?? （表壓） ； 年平均空氣溫度 3 12tC?? ； 年平均空氣相對濕度 70%?? ； 水的密度 31000 /W kg m? ? ； 水的比熱容 4 .1 8 7 ( )Wc kJ kg C? ??。其求解過程大致如下： 根據(jù)年平均空氣溫度為 12C? ，年平均空氣相對濕度為 70%，查空氣的 IH? 圖 [19]得0 1 10 . 0 0 6 , 3 2 0H H I k J k g? ? ? 。 圖 44 2H 求解過程示意圖 ⑷ 計(jì)算絕干空氣的消耗量 L ： )/( 6 hkgHH WL 干空氣????? （ 47） 葉小燕：層狀硅酸鈉的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 44 頁 壓力式噴嘴主要尺