方阳杨的开题报告.doc

本科毕业设计(论文)开题报告题目： 年产1万吨水玻璃湿法生产工艺设计课 题 类 型： 科研 论文 模拟 实践学 生 姓 名： 方 阳 杨学 号： 3060404105 专 业 班 级： 化学工程与工艺 061班学 院： 生物与化学工程学院 指 导 教 师： 高 建 纲开 题 时 间： 2010 年4月 8日2010 年4 月 12日一、毕业论文内容及研究意义1.研究内容本课题研究的是湿制法生产低模数水玻璃的生产工艺。水玻璃是是一种基础化工材料，几乎遍及国民经济的各个部门，用途极为广泛。由于它的性能特殊，至今没有可以替代的产品出现，近年来硅酸钠品种与数量均有大幅度增加，已成为无机盐行业中重要的一部分。本文介绍了水玻璃的物理和化学性质及其工业用途。在此基础上，本文主要介绍了水玻璃的两种生产工艺和方法，即干法和湿法。在介绍干法和湿法并比较两者反应原理和生产工艺的基础上，具体介绍了湿法生产水玻璃的生产工艺。对湿法制水玻璃的具体工艺流程进行了重点设计，包括反应过程的物料衡算和能量衡算、反应釜及其他辅助设备计算及设计的内容和步骤、反应釜的强度和稳定性校核等内容。最后通过AutoCAD对化工工艺流程及主要设备图进行了绘制。2.研究意义水玻璃的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门，作为化工的基本原料用途广泛，市场潜力大，且效益可观。在国外，最早研究水玻璃并生产和应用的国家，已有130多年的历史了。而我国，对水玻璃的生产始于30年代，发展历史距世界的先进国家晚了近50年。在经济发达国家，以水玻璃为原料的深加工系列产品已发展到50余种，有些已应用于高、精、尖科技领域，故而水玻璃作为在国民经济各部门中应用广泛的化工原料，对其在工艺以及产量方面的研究是刻不容缓的。从市场角度来说，水玻璃产品的价格从1980年到1995年之间，价格提高了20%，目前也一直处于上扬之势。在应用和消费构成上，我国的人均消费水平极低，仅为美国的1/7，日本的1/13，市场很有潜力。特别是近几年，随着经济建设的迅速发展，水玻璃的供求矛盾更加尖锐，历年来价格上涨的趋势也反映了这一情况。因此，大力发展我国的水玻璃生产是非常必要的，有着极其重要的意义。对于企业的大量生产来说，如何因地制宜，寻找到适合的生产方法，改进生产工艺，降低成本，将在未来水玻璃市场上占据主动。所以水玻璃的研究，不仅对国家，对企业也同样是有很重要的意义。二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势文献综述摘要 水玻璃又名泡花碱，是一种可溶性硅酸盐，由一种内含不同比例的碱金属和二氧化硅的系统所组成，一般均含有水分。水玻璃的用途十分广泛，在制皂工业、造纸工业、铸造工业、耐火耐腐蚀材料等众多行业中有广泛的应用，在国民经济中起一定的作用。本文探索了制备水玻璃的几种方法，并通过对比选择了湿法生产水玻璃的设计。另外，还研究了水玻璃在我国各个行业的应用情况。关键词:水玻璃 干法 湿法 工艺设计1.概述水玻璃为硅酸钠溶液状态，南方多称水玻璃，北方多称泡花碱。硅酸钠在以水为分散剂的体系中为无色、略带色的透明或半透明粘稠状液体。固体硅酸钠为无色、略带色的透明或半透明玻璃块状体。形态分为液体、固体、水淬三种。理论上称这类物质为“胶体”。普通硅酸钠为略带浅蓝色块状或颗粒状固体，高温高压溶解后是略带色的透明或半透明粘稠液体。水玻璃分为钠水玻璃和钾水玻璃两类，俗称泡花碱。钠水玻璃为硅酸钠水溶液，分子式为Na2OnSiO2。钾水玻璃为硅酸钾水溶液，分子式为K2OnSiO2。土木工程中主要使用钠水玻璃。当工程技术要求较高时也可采用钾水玻璃。优质纯净的水玻璃为无色透明的粘稠液体，溶于水。当含有杂质时呈淡黄色或青灰色。钠水玻璃分子式中的n称为水玻璃的模数，代表Na2O和SiO2的分子数比，是非常重要的参数。n值越大，水玻璃的粘性和强度越高，但水中的溶解能力下降。当n大于3.0时，只能溶于热水中，给使用带来麻烦。n值越小，水玻璃的粘性和强度越低，越易溶于水。故土木工程中常用模数n为2.62.8，既易溶于水又有较高的强度。我国生产的水玻璃模数一般在2.43.3之间。水玻璃在水溶液中的含量（或称浓度）常用密度或者波美度表示。土木工程中常用水玻璃的密度一般为1.361.50g/cm3，相当于波美度38.448.3 。密度越大，水玻璃含量越高，粘度越大。水玻璃通常采用石英粉（SiO2）加上纯碱（Na2CO3），在13001400的高温下煅烧生成固体 ，再在高温或高温高压水中溶解，制得溶液状水玻璃产品。2.水玻璃的应用水玻璃的用途非常广泛，几乎遍及国民经济的各个部门。在化工系统被用来制造硅胶、白炭黑、沸石分子筛、五水偏硅酸钠、硅溶胶、层硅及速溶粉状硅酸钠、硅酸钾钠等各种硅酸盐类产品，是硅化合物的基本原料。在经济发达国家，以硅酸钠为原料的深加工系列产品已发展到50余种，有些已应用于高、精、尖科技领域；在轻工业中是洗衣粉、肥皂等洗涤剂中不可缺少的原料，也是水质软化剂、助沉剂；在纺织工业中用于助染、漂白和浆纱；在机械行业中广泛用于铸造、砂轮制造和金属防腐剂等；在建筑行业中用于制造快干水泥、耐酸水泥防水油、土壤固化剂、耐火材料等；在农业方面可制造硅素肥料；另外用作石油催化裂化的硅铝催化剂、肥皂的填料、瓦楞纸的胶粘剂、金属防腐剂、水软化剂、洗涤剂助剂、耐火材料和陶瓷原料、纺织品的漂、染和浆料、矿山选矿、防水、堵漏、木材防火、食品防腐以及制胶粘剂等。分述如下：1、涂刷材料表面，提高抗风化能力水玻璃溶液涂刷或浸渍材料后，能渗入缝隙和孔隙中，固化的硅凝胶能堵塞毛细孔通道，提高材料的密度和强度，从而提高材料的抗风化能力。但水玻璃不得用来涂刷或浸渍石膏制品。因为水玻璃与石膏反应生成硫酸钠（Na2SO4），在制品孔隙内结晶膨胀，导致石膏制品开裂破坏。2、加固土壤将水玻璃与氯化钙溶液交替注入土壤中，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅酸钙凝胶，起到胶结和填充孔隙的作用，使土壤的强度和承载能力提高。常用于粉土、砂土和填土的地基加固，称为双液注浆。3、配制速凝防水剂水玻璃可与多种矾配制成速凝防水剂，用于堵漏、填缝等局部抢修。这种多矾防水剂的凝结速度很快，一般为几分钟，其中四矾防水剂不超过1min，故工地上使用时必须做到即配即用。多矾防水剂常用胆矾（硫酸铜）、红矾（重铬酸钾，K2Cr2O7）、明矾（也称白矾，硫酸铝钾）、紫矾等四种矾。4、配制耐酸胶凝、耐酸砂浆和耐酸混凝土耐酸胶凝是用水玻璃和耐酸粉料（常用石英粉）配制而成。与耐酸砂浆和混凝土一样，主要用于有耐酸要求的工程。如硫酸池等。5、配制耐热胶凝、耐热砂浆和耐热混凝土水玻璃胶凝主要用于耐火材料的砌筑和修补。水玻璃耐热砂浆和混凝土主要用于高炉基础和其他有耐热要求的结构部位。6、防腐工程应用改性水玻璃耐酸泥是耐酸腐蚀重要材料，主要特性是耐酸、耐温、密实抗渗、价格低廉、使用方便。可拌和成耐酸胶泥、耐酸沙浆和耐酸混凝土，适用于化工、冶金、电力、煤炭、纺织等部门各种结构的防腐蚀工程，是纺酸建筑结构贮酸池、耐酸地坪、以及耐酸表面砌筑的理想材料。3.水玻璃的制备方法水玻璃的生产有干法和湿法两种方法。目前水玻璃生产以干法为主，原料硅砂和纯碱在1300-1500的高温下熔融制得无水硅酸钠。干法不仅耗能高，而且设备投资多，设备维修困难，对原料质量要求严格。湿法制造水玻璃时，将苛性钠水溶液加入常用的加压釜中，在80-200的低温下溶解无定形SiO2，制得产品硅酸钠。该法完全克服了上述干法的缺点，但也有不足的地方，产品杂志含量高，易产生结垢、不能连续操作。3.1干法 干法工艺是将石英砂和钠盐( 主要指Na2CO3 、Na2SO4 ) 搅拌均匀，在1400 左右的高温下熔融反应。根据原料不同又分为纯碱法和芒硝法。生产过程都包括配料、煅烧、浸溶、浓缩等四道工序，工艺流程如图1 。图1 干法工艺流程 具体过程是： A：配料与熔融：纯碱或芒硝与石英砂按比例，经搅拌机搅均匀后经贮槽、加料斗由螺旋输送机加入反射炉或马蹄焰炉进行熔融反应。炉内采用重油或煤作燃料，燃烧温度达14501500(不低于1350) 进行如下反应：Na2CO3 + nSiO2 Na2OnSiO2 + CO2 2Na2SO4 + C + 2nSiO2 2Na2OnSiO2 + 2SO2 + CO2 B：浸溶：熔窑加入生料时，已熔融的水玻璃即可从下料口流入冷却槽中，经小型履带式输送机送入贮料桶内，过磅后由电动行车将桶内的玻璃块吊起倒入滚筒内，根据块子重量及不同产品规格加入适量水，通入蒸汽溶解，蒸汽压力一般为0.140.15MPa，液筒转速为24r/min ，溶解到一定浓度后放入沉清槽内，经自然沉清除去杂质。C：浓缩：除去杂质后的溶液送到浓缩槽内进行浓缩，采用蒸汽间接加热，槽底利用熔窑烟道气余热加热，溶液浓缩至要求浓度时即为成品。 干法生产中采用Na2CO3和Na2SO4对比在传统生产中一般采用Na2CO3作为原料，由于纯碱价格昂贵，加之全国各地发现芒硝矿藏或副产芒硝资源，而芒硝价格低廉，有些厂家用芒硝替代纯碱取得很好效果。芒硝法工艺流程简单，对原料要求不苛刻，产品质量尚好，能达到国家规定的二级品标准，最主要一点是大大降低生产成本，目前芒硝市场价格仅为纯碱的1/21/3。当然采用芒硝作原料后对生产也有不利影响， 由于芒硝熔点高出纯碱33，因而能耗稍高，同时在生产中如果芒硝还原不完全时，有芒硝水存在与水接触飞溅形成“硝水”问题。要克服以上两个缺陷可以采用改进炉型，由反射炉改用马蹄焰炉，修建反应炉时选用不同耐火材料，同时在硝水液面适当撒一层煤粉还原，克服“硝水”飞溅现象。3.2湿法湿法生产泡花碱又分为传统湿法工艺和活性SiO2常压生产工艺两种。 传统湿法生产工艺传统湿法生产泡花碱产量高，能耗低，劳动强度低，原料易得，但该法只能生产模数小于2.5的产品，其生产原理是石英砂在高温烧碱中溶解生成硅酸钠,反应式为：2NaOH +nSiO2Na2OnSiO2 + H2O。工艺过程包括配料混合，加热反应及过滤浓缩等几个操作过程。 活性SiO2常压生产工艺活性SiO2常压生产泡花碱是在近几年的三废治理过程中开发的一种新工艺,目前采用该法生产厂家不多，该法可生产模数为2.23.7的任何产品。其机理是利用工业生产中产生的副产品或下脚料中的活性SiO2 (或硅胶)在常压下加热与烧碱反应生成硅酸钠。反应方程式与传统湿法工艺相同，工艺流程见图2 。图2 活性SiO2常压生产工艺流程硅酸钠的工业生产，常用碳酸钠法生产高模数的水玻璃，低模数的水玻璃则用湿法生产较为简便。与干法相比，湿法的最大优点是节省能量，产量高，原料易得。但产品的模数较低。其未反应的石英砂及杂质形成较多的渣料，给后处理带来困难。干法可制各种模数的硅酸钠。其中用碳酸钠法制得的产品质量较佳，用硫酸钠法则原料成本低。改进炉型设计，利用废热预热原料可大大节约干法的能量。4.发展趋势 我国泡花碱的生产始于三十年代，到目前为止全国在二十七个省市建有140 余家生产装置，生产能力突破100 万吨，万吨规模以上的厂家有三十余家，五千吨以上的厂家有二十多家，生产方法大多数采用干法反射炉生产工艺，近几年有少数厂家改用马蹄焰炉，喷雾法生产速溶型硅酸钠刚刚起步。我国水玻璃品种不多，模数一般为2.23.7 ，模数高的产品产量较低，大都以液体形式供应市场，尽管一些厂家有固体形式的产品出售也是水淬之后的玻璃体，并非速溶粉状产品。湿法生产水玻璃，产量高、劳动强度低、原材料容易取得。随着各地电解烧碱工业的发展，给湿制法生产水玻璃提供了就地取材的有利条件。因此近几年来，湿制法已在全国各地推广。但对比国内外钠水玻璃生产情况，可发现我国的钠水玻璃生产存在如下问题：厂点多，而且大多采用反射炉，能耗大；生产不能连续化、自动化；品种规格少。在应用与消费构成上，我国的人均消费水平极低，仅为美国的1/7，日本的1/13，市场很有潜力。特别是近几年，随着经济建设的迅速发展，钠水玻璃的供求矛盾更加尖锐，历年来价格上涨趋势也反映了这一情况。因此，大力发展我国钠水玻璃的生产是必要的，但同时也要注意上文提到的问题。今后我国钠水玻璃的生产朝着如下方向发展：（1）集中生产玻璃料，继续改进推广硫酸钠法，改进炉型，降低能耗，提高经济效益；（2）干、湿法并举，扩大生产规模，以降低能耗和成本；（3）进行生产自控的研究；（4）为满足经济建设的需要，进行配套生产，增加产品剂型和规格。三、毕业设计研究方案及工作计划1.设计方案首先根据干法制备水玻璃的反应原理，计算年产量为5000吨水玻璃所用的原料的量，描述干法的生产工艺以及在生产过程中不同工艺条件对生产的影响；再根据工艺要求计算设备的有关参数，确定主要生产设备的选型；最后对所研究的水玻璃进行成品分析。2.工作计划2月28日3月15日：查阅了本设计的资料，了解水玻璃生产的进展，明确设计的目的和意义。3月16日3月26日：整理查阅资料并拟论文开题报告3月27日5月25日：整理相关数据及资料完成初稿5月26日6月12日：完成论文6月12日以后： 等待答辩参考文献 1邓建民等.硫酸钠代替纯碱生产水玻璃.无机盐工业,1990(1):22-24.2韩廷信等.常压法生产水玻璃.无机盐工业,1990 (2) :18-19.3侯春.天然碱制烧碱废渣生产水玻璃.无机盐工业,1990(4) :34-36.4上海泡花碱厂,上海星火化工厂.水玻璃.上海人民出版社,1982.5化工部天津化工研究院.无机盐工业,1992(4):22-24.6阎永成.国内外硅酸钠标准对比分析.无机盐工业,1989(2):34-38.7Muller A,Maciejewski T,Mallat T,et al.J.J Catal ,1999,184 (1):280-293.8Maury S,Buisson P,Perrard A,et al.J.J Mol Catal B: Enzym,2004,29(126):133-148.9Hrubesh L W,Coronado P R,Satcher J H.J.J Non-Cryst Solids,2001,285(123): 328-332.10Kim G S,Hyun S H.J.J NonCryst Solids,2003,320(1-3):125-132.11Smirnova I,