〔提要〕燒堿(Na0H)生產(chǎn)中,對(duì)進(jìn)入每臺(tái)電解槽的精制盆水,過(guò)去慣用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量流量。這種流量計(jì)的玻璃錐管材質(zhì),以往國(guó)內(nèi)均用翻硅玻璃制造,而硅離子接觸介質(zhì)將造成離子膜電槽的膜片中毒,從而大大降低離子膜的壽命,國(guó)外在這種場(chǎng)合下使用的玻璃錐管采用聚礬玻瑞材質(zhì)(如美國(guó)、原聯(lián)邦德國(guó))這樣可以克服上述弊病。
1前言
氯堿工業(yè)是以氯化鈉(鹽)為主要原料生產(chǎn)基本化工原料燒堿和氯氣的工業(yè),燒堿廣泛用于輕工、化學(xué)纖維、紙及紙漿、紡織、鋁、肥皂、印染、冶金、化工、食品等工業(yè)。而氯氣也以氯氣、液氯、鹽酸、次氯酸鈉等形式被廣泛用于聚氯乙烯氯溶劑、紙及紙漿、聚氨脂、上下水處理及其他化學(xué)藥器等領(lǐng)域。
氯堿工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r,也可以說(shuō)是顯示該國(guó)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的水平。盡管我國(guó)燒堿產(chǎn)量增長(zhǎng)速度較快,但尚不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。近幾年來(lái),每年尚需進(jìn)口20萬(wàn)噸高純度燒堿主要用于紡織部門。
目前世界燒堿總產(chǎn)量已接近5000萬(wàn)噸,其中美國(guó)居第一位,原聯(lián)邦德國(guó)居第二位,日本第三位,原蘇聯(lián)第四位,我國(guó)為第五位。
據(jù)有關(guān)方面預(yù)測(cè)、在今后5一10年中世界范圍內(nèi)氯堿工業(yè)將進(jìn)入一個(gè)持續(xù)增長(zhǎng)、緩慢發(fā)展的階段,其燒堿和氯氣的增長(zhǎng)率預(yù)測(cè)如表1。
根據(jù)市場(chǎng)需求,化工部生產(chǎn)管理部門建議“八五”期間燒堿增長(zhǎng)速度年平均5.5%,其中前兩年為4%,后三年為6%,“八五”期間年產(chǎn)量預(yù)測(cè)如表2。
燒堿生產(chǎn)主要有隔膜法、水銀法和離子膜法。作為一種傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法,隔膜法的產(chǎn)量最多,約占50%左右,水銀法由于環(huán)境污染問(wèn)題已逐步被淘汰(如日本到80年代末已停止生產(chǎn)),離子膜法是70所代開始發(fā)展的先進(jìn)的生產(chǎn)方法,目前新技術(shù)離子膜法生產(chǎn)燒堿裝置及技術(shù)是國(guó)際上已成熟的先進(jìn)技術(shù)。近幾年來(lái)我國(guó)分別從日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家引進(jìn)成套離子膜電解設(shè)備和技術(shù),對(duì)發(fā)展我國(guó)氯堿工業(yè)有很大的幫助和提高,也促進(jìn)我國(guó)對(duì)離子膜燒堿生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。
與以往傳統(tǒng)的隔膜法電解相比較,離子膜法電解其特點(diǎn)是能耗低(比隔膜法、金屬陽(yáng)極法燒堿低30寫~35%)產(chǎn)品產(chǎn)量質(zhì)量提高,所產(chǎn)的高純堿是輕紡工業(yè)極需的原料(即離子膜法電解槽出來(lái)的堿液即為產(chǎn)品,純度高,不需蒸發(fā)濃度已達(dá)商品堿要求(31%),同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)的氯氣純度也高,含氧比金屬陽(yáng)極聯(lián)產(chǎn)的氯氣低4倍,占地面積小,投資低(比金屬陽(yáng)極裝置低10%),產(chǎn)品成本低、經(jīng)濟(jì)效益好。因此國(guó)際上發(fā)展極快,1990年此法生產(chǎn)的燒堿占世界燒堿總產(chǎn)量20寫,尤其是新增的生產(chǎn)廠在我國(guó)大部分都采用該技術(shù)。
2耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)研制課題的提出
離子膜電解槽出口的堿液要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)流量指示,由于玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),直觀可靠,體積小,安裝、使用、維修方便,價(jià)格便宜,國(guó)內(nèi)外均采用該類流量計(jì)。眾所周知,氯堿生產(chǎn)介質(zhì)的腐蝕性是相當(dāng)嚴(yán)重的,盡管國(guó)內(nèi)已有采用ICr18NigTi及四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)即氟46耐腐型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),但實(shí)踐證明仍不能解決氯堿裝置上的耐腐蝕問(wèn)題。
近年來(lái),我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)的一批隔膜法和離子膜法燒堿裝置中,已有新型耐腐玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),較好地解決了強(qiáng)腐蝕性問(wèn)題,國(guó)內(nèi)300多家大小氯堿廠,均希望國(guó)內(nèi)也能提供達(dá)到國(guó)際水平的耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。化工部第八設(shè)計(jì)院為解決耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)國(guó)內(nèi)配套問(wèn)題,選擇了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)歷史最長(zhǎng)、批量最大、近年從原聯(lián)邦德國(guó)克隆尼公司引進(jìn)了世界一流玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)專有技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備的熱工儀表總廠協(xié)商聯(lián)合開發(fā)研制,經(jīng)雙方研究,同意合作開發(fā)耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。
3氯堿裝置用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)技術(shù)要求
經(jīng)雙方協(xié)商確定氯堿裝置用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)技術(shù)要求如下。
堿液LZP一40F玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)
被測(cè)介質(zhì):31%wtNaOH堿液;
被測(cè)介質(zhì)標(biāo)稱溫度;80C;
允許最高介質(zhì)溫度:150`C;
工作壓力:0.15MPa;
允許最大工作壓力:。.25MPa;
量程:1~5m3/h;
公稱通徑:DN40;
精度等級(jí):4級(jí);
安裝方式:見(jiàn)圖1。
②鹽液LZB一25FA玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)
被測(cè)介質(zhì):NaCI鹽液;
被測(cè)介質(zhì)標(biāo)稱溫度:75C;
允許最高介質(zhì)溫度:20oC;
工作壓力:0.3MPa;
允許最大工作壓力:1.ZMPa;
量程:0.3一2.2m3/h;
公稱通徑:DN25;
精度等級(jí):4級(jí);
安裝方式:見(jiàn)圖2;
4研制概況
玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的基本元件是一根由下向上擴(kuò)大的垂直錐管(通常采用硼硅酸鹽玻璃成型)和一只隨著流體流量變化而可以沿著錐管軸向自由浮動(dòng)的浮子(通常用ICr18NigTi不銹鋼或鋼質(zhì)包塑)。熱工儀表總廠結(jié)合國(guó)內(nèi)玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)幾十年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及引進(jìn)原聯(lián)邦德國(guó)克隆尼公司專有技術(shù)設(shè)計(jì)了該型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。研制耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的關(guān)鍵是選擇新型的耐腐材料及采用與新型材料相適應(yīng)的加工工藝。
下面分別簡(jiǎn)述錐管與浮子的研制。
①錐管的研制
燒堿裝置中的鹽液玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),因硼硅酸鹽玻璃有一定的化學(xué)穩(wěn)定性,對(duì)鹽液具有較好的防腐性能,故鹽液玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)仍采用硼硅酸鹽玻璃成型錐管。但因硼硅酸鹽玻璃對(duì)31%wtNaOH堿液的耐腐性較差,必須選擇新型的耐腐蝕材料,這種材料除了在耐腐性方面要大大優(yōu)于硼硅酸鹽玻璃外,仍應(yīng)保持硼硅酸鹽玻璃透明可見(jiàn),熱穩(wěn)定性及一定的抗壓強(qiáng)度。經(jīng)反復(fù)比較及國(guó)產(chǎn)新材料的調(diào)研,最后確定采用聚諷塑料。
聚礬(PSF)塑料是一種新型的熱塑性材料,具有較高的熱性能和高溫下的機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性。國(guó)產(chǎn)S一100本色聚諷的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3。
國(guó)產(chǎn)S一100聚礬塑料耐化學(xué)腐蝕性見(jiàn)表
備注:
優(yōu)—抗張強(qiáng)度變化率在10%以內(nèi),外觀無(wú)變化;
好—抗張強(qiáng)度變化率在20%以內(nèi),外觀無(wú)變化;
良—抗張強(qiáng)度變化率在30%以內(nèi),外觀微變化;
可—抗張強(qiáng)度變化率在30%以內(nèi)外觀開裂;
耐化學(xué)腐蝕性試驗(yàn)條件
溫度:常溫;
試驗(yàn)樣品:2mm×9mm×45mm啞鈴條;
浸演時(shí)間:30天。
綜上所述,聚颯塑料應(yīng)該是耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)錐管的理想材料,但聚礬塑料因加工時(shí)流動(dòng)性差,加工比較困難,而錐管又要求透明可見(jiàn)、光潔度高。
②浮子的研制
國(guó)產(chǎn)LZB、LZJ系列普通型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子采用ICrl8NigiT不銹鋼或瑪瑙加工而成。近年來(lái),LZB、LZJF系列耐腐玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),開始采用鋼質(zhì)浮子包封四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)(俗稱F46)大大提高了玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)的耐腐蝕性能,但在耐腐蝕性能方面仍不能滿足各種強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的防腐要求,為了解決耐堿玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)浮子耐腐問(wèn)題,熱工儀表總廠又借鑒了國(guó)外先進(jìn)技術(shù),對(duì)國(guó)內(nèi)有關(guān)廠所研制的新型材料作了全面比較,最后選定采用Hastelloy。鎳基合金。Hasetlloy。鎳基合金是以鑰鎢等元素強(qiáng)化的固溶形鎳基合金,具有較好的抗氧化和抗腐蝕性能,允許使用溫度最高可達(dá)1180℃,在980℃以下還具有良好的強(qiáng)度,合金對(duì)強(qiáng)氧化劑如氯化鐵氯化銅的抗腐蝕能力很強(qiáng),是抗潮濕氯氣,亞氯酸鹽腐蝕的合金之一,固溶狀態(tài)下抗腐性能最好,合金的抗氧化和抗還原氣氛的最高溫度可達(dá)1150℃,熱工儀表總廠選用國(guó)產(chǎn)3YC24固溶態(tài)鎳基合金分別制作鹽液和堿液玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),該合金的主要性能分別見(jiàn)表5、6、7。
在解決了錐管和浮子耐腐蝕材料的選擇及加工問(wèn)題后,熱工儀表總廠又在其他結(jié)構(gòu)件方面采取了一定的防腐措施,供燒堿裝置配套的鹽酸和堿液玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)終于研制成功。
5試驗(yàn)考核
①聚礬錐管熱穩(wěn)定性試驗(yàn)
將錐管試樣用標(biāo)準(zhǔn)浮子先在常溫下選擇l000L/h、400oL/h、600oL/h三個(gè)流量進(jìn)行標(biāo)定并記錄下浮子裝置,然后依次加熱至100,120,250,280℃保溫2.5小時(shí)后重復(fù)標(biāo)定,再次記錄下浮子位置,觀察浮子位置的變化,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。
因流量計(jì)精度為0.5%,檢測(cè)浮子位置變化小于1.6mm,即誤差不大于0.02mm,以上結(jié)果表明在150℃以下,流量計(jì)精度均在誤差范圍內(nèi),因此聚礬錐管流量計(jì)在150℃以下是完全穩(wěn)定的。
②壓力試驗(yàn):聚礬錐管試樣選擇在進(jìn)行充氣加壓試驗(yàn)后,結(jié)果表明:加壓至1.6MPa,錐管無(wú)變形和破裂現(xiàn)象加壓至2MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)密封件泄漏無(wú)法檢驗(yàn),就這樣的耐壓強(qiáng)度已大大超過(guò)硼硅酸鹽錐管0.9MPa的指標(biāo)。
③精度檢測(cè):在對(duì)72臺(tái)堿液流量計(jì)進(jìn)行水流量標(biāo)定后,檢查標(biāo)定刻度位置表明全部刻度的不一致差值小于1.5mm,計(jì)算收縮率波動(dòng)能控制在0.03mm以內(nèi),對(duì)單標(biāo)的流量計(jì)完全符合精度要求。
經(jīng)試驗(yàn)考核,采用聚礬錐管的堿液流量計(jì)與采用硼硅酸鹽錐管的鹽水流量計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求。
6結(jié)論
燒堿裝置用耐腐鹽水流量計(jì)與堿液流量計(jì)采用聚礬塑料制成的錐管及3YC24固溶態(tài)鎳基合金制成的浮子不僅能精確測(cè)量各種液體和氣體介質(zhì),完全能滿足燒堿裝置強(qiáng)腐蝕介質(zhì)流量測(cè)量的要求,而且也適用于對(duì)硼硅鹽錐管具有腐蝕作用的其他介質(zhì),為我國(guó)的耐腐流量計(jì)的發(fā)展提供了新的途徑.
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