〔提要〕烧碱(Na0H)生产中,对进入每台电解槽的精制盆水,过去惯用玻璃转子流量计测量流量。这种流量计的玻璃锥管材质,以往国内均用翻硅玻璃制造,而硅离子接触介质将造成离子膜电槽的膜片中毒,从而大大降低离子膜的寿命,国外在这种场合下使用的玻璃锥管采用聚矾玻瑞材质(如美国、原联邦德国)这样可以克服上述弊病。
1前言
氯碱工业是以氯化钠(盐)为主要原料生产基本化工原料烧碱和氯气的工业,烧碱广泛用于轻工、化学纤维、纸及纸浆、纺织、铝、肥皂、印染、冶金、化工、食品等工业。而氯气也以氯气、液氯、盐酸、次氯酸钠等形式被广泛用于聚氯乙烯氯溶剂、纸及纸浆、聚氨脂、上下水处理及其他化学药器等领域。
氯碱工业的发展状况,也可以说是显示该国的经济活动和产业发展的水平。尽管我国烧碱产量增长速度较快,但尚不能满足国民经济发展的需要。近几年来,每年尚需进口20万吨高纯度烧碱主要用于纺织部门。
目前世界烧碱总产量已接近5000万吨,其中美国居第一位,原联邦德国居第二位,日本第三位,原苏联第四位,我国为第五位。
据有关方面预测、在今后5一10年中世界范围内氯碱工业将进入一个持续增长、缓慢发展的阶段,其烧碱和氯气的增长率预测如表1。
根据市场需求,化工部生产管理部门建议“八五”期间烧碱增长速度年平均5.5%,其中前两年为4%,后三年为6%,“八五”期间年产量预测如表2。
烧碱生产主要有隔膜法、水银法和离子膜法。作为一种传统的生产方法,隔膜法的产量最多,约占50%左右,水银法由于环境污染问题已逐步被淘汰(如日本到80年代末已停止生产),离子膜法是70所代开始发展的先进的生产方法,目前新技术离子膜法生产烧碱装置及技术是国际上已成熟的先进技术。近几年来我国分别从日本、美国、英国等国家引进成套离子膜电解设备和技术,对发展我国氯碱工业有很大的帮助和提高,也促进我国对离子膜烧碱生产的国产化进程。
与以往传统的隔膜法电解相比较,离子膜法电解其特点是能耗低(比隔膜法、金属阳极法烧碱低30写~35%)产品产量质量提高,所产的高纯碱是轻纺工业极需的原料(即离子膜法电解槽出来的碱液即为产品,纯度高,不需蒸发浓度已达商品碱要求(31%),同时生产出来的氯气纯度也高,含氧比金属阳极联产的氯气低4倍,占地面积小,投资低(比金属阳极装置低10%),产品成本低、经济效益好。因此国际上发展极快,1990年此法生产的烧碱占世界烧碱总产量20写,尤其是新增的生产厂在我国大部分都采用该技术。
2耐碱玻璃转子流量计研制课题的提出
离子膜电解槽出口的碱液要求进行现场流量指示,由于玻璃转子流量计,直观可靠,体积小,安装、使用、维修方便,价格便宜,国内外均采用该类流量计。众所周知,氯碱生产介质的腐蚀性是相当严重的,尽管国内已有采用ICr18NigTi及四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)即氟46耐腐型玻璃转子流量计,但实践证明仍不能解决氯碱装置上的耐腐蚀问题。
近年来,我国从国外引进的一批隔膜法和离子膜法烧碱装置中,已有新型耐腐玻璃转子流量计,较好地解决了强腐蚀性问题,国内300多家大小氯碱厂,均希望国内也能提供达到国际水平的耐碱玻璃转子流量计。化工部第八设计院为解决耐碱玻璃转子流量计国内配套问题,选择了国内生产玻璃转子流量计历史最长、批量最大、近年从原联邦德国克隆尼公司引进了世界一流玻璃转子流量计专有技术及关键设备的热工仪表总厂协商联合开发研制,经双方研究,同意合作开发耐碱玻璃转子流量计。
3氯碱装置用玻璃转子流量计技术要求
经双方协商确定氯碱装置用玻璃转子流量计技术要求如下。
碱液LZP一40F玻璃转子流量计
被测介质:31%wtNaOH碱液;
被测介质标称温度;80C;
允许最高介质温度:150`C;
工作压力:0.15MPa;
允许最大工作压力:。.25MPa;
量程:1~5m3/h;
公称通径:DN40;
精度等级:4级;
安装方式:见图1。
②盐液LZB一25FA玻璃转子流量计
被测介质:NaCI盐液;
被测介质标称温度:75C;
允许最高介质温度:20oC;
工作压力:0.3MPa;
允许最大工作压力:1.ZMPa;
量程:0.3一2.2m3/h;
公称通径:DN25;
精度等级:4级;
安装方式:见图2;
4研制概况
玻璃转子流量计的基本元件是一根由下向上扩大的垂直锥管(通常采用硼硅酸盐玻璃成型)和一只随着流体流量变化而可以沿着锥管轴向自由浮动的浮子(通常用ICr18NigTi不锈钢或钢质包塑)。热工仪表总厂结合国内玻璃转子流量计几十年设计经验及引进原联邦德国克隆尼公司专有技术设计了该型玻璃转子流量计。研制耐碱玻璃转子流量计的关键是选择新型的耐腐材料及采用与新型材料相适应的加工工艺。
下面分别简述锥管与浮子的研制。
①锥管的研制
烧碱装置中的盐液玻璃转子流量计,因硼硅酸盐玻璃有一定的化学稳定性,对盐液具有较好的防腐性能,故盐液玻璃转子流量计仍采用硼硅酸盐玻璃成型锥管。但因硼硅酸盐玻璃对31%wtNaOH碱液的耐腐性较差,必须选择新型的耐腐蚀材料,这种材料除了在耐腐性方面要大大优于硼硅酸盐玻璃外,仍应保持硼硅酸盐玻璃透明可见,热稳定性及一定的抗压强度。经反复比较及国产新材料的调研,最后确定采用聚讽塑料。
聚矾(PSF)塑料是一种新型的热塑性材料,具有较高的热性能和高温下的机械强度及化学稳定性。国产S一100本色聚讽的主要性能指标见表3。
国产S一100聚矾塑料耐化学腐蚀性见表
备注:
优—抗张强度变化率在10%以内,外观无变化;
好—抗张强度变化率在20%以内,外观无变化;
良—抗张强度变化率在30%以内,外观微变化;
可—抗张强度变化率在30%以内外观开裂;
耐化学腐蚀性试验条件
温度:常温;
试验样品:2mm×9mm×45mm哑铃条;
浸演时间:30天。
综上所述,聚飒塑料应该是耐碱玻璃转子流量计锥管的理想材料,但聚矾塑料因加工时流动性差,加工比较困难,而锥管又要求透明可见、光洁度高。
②浮子的研制
国产LZB、LZJ系列普通型玻璃转子流量计浮子采用ICrl8NigiT不锈钢或玛瑙加工而成。近年来,LZB、LZJF系列耐腐玻璃转子流量计,开始采用钢质浮子包封四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)(俗称F46)大大提高了玻璃转子流量计的耐腐蚀性能,但在耐腐蚀性能方面仍不能满足各种强腐蚀介质的防腐要求,为了解决耐碱玻璃转子流量计浮子耐腐问题,热工仪表总厂又借鉴了国外先进技术,对国内有关厂所研制的新型材料作了全面比较,最后选定采用Hastelloy。镍基合金。Hasetlloy。镍基合金是以钥钨等元素强化的固溶形镍基合金,具有较好的抗氧化和抗腐蚀性能,允许使用温度最高可达1180℃,在980℃以下还具有良好的强度,合金对强氧化剂如氯化铁氯化铜的抗腐蚀能力很强,是抗潮湿氯气,亚氯酸盐腐蚀的合金之一,固溶状态下抗腐性能最好,合金的抗氧化和抗还原气氛的最高温度可达1150℃,热工仪表总厂选用国产3YC24固溶态镍基合金分别制作盐液和碱液玻璃转子流量计,该合金的主要性能分别见表5、6、7。
在解决了锥管和浮子耐腐蚀材料的选择及加工问题后,热工仪表总厂又在其他结构件方面采取了一定的防腐措施,供烧碱装置配套的盐酸和碱液玻璃转子流量计终于研制成功。
5试验考核
①聚矾锥管热稳定性试验
将锥管试样用标准浮子先在常温下选择l000L/h、400oL/h、600oL/h三个流量进行标定并记录下浮子装置,然后依次加热至100,120,250,280℃保温2.5小时后重复标定,再次记录下浮子位置,观察浮子位置的变化,检测结果见表8。
因流量计精度为0.5%,检测浮子位置变化小于1.6mm,即误差不大于0.02mm,以上结果表明在150℃以下,流量计精度均在误差范围内,因此聚矾锥管流量计在150℃以下是完全稳定的。
②压力试验:聚矾锥管试样选择在进行充气加压试验后,结果表明:加压至1.6MPa,锥管无变形和破裂现象加压至2MPa时发现密封件泄漏无法检验,就这样的耐压强度已大大超过硼硅酸盐锥管0.9MPa的指标。
③精度检测:在对72台碱液流量计进行水流量标定后,检查标定刻度位置表明全部刻度的不一致差值小于1.5mm,计算收缩率波动能控制在0.03mm以内,对单标的流量计完全符合精度要求。
经试验考核,采用聚矾锥管的碱液流量计与采用硼硅酸盐锥管的盐水流量计完全符合设计要求。
6结论
烧碱装置用耐腐盐水流量计与碱液流量计采用聚矾塑料制成的锥管及3YC24固溶态镍基合金制成的浮子不仅能精确测量各种液体和气体介质,完全能满足烧碱装置强腐蚀介质流量测量的要求,而且也适用于对硼硅盐锥管具有腐蚀作用的其他介质,为我国的耐腐流量计的发展提供了新的途径.
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