新型棒碱制造工艺的应用效果研究

王占军，张伟星，郭永和，韩 军，何秀梅

（内蒙古亿利化学工业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 014300）

内蒙古亿利化学工业有限公司成立于2004年，是专业从事PVC、烧碱、次氯酸钠、盐酸等化工产品的研发、生产及销售的高新技术企业。公司采用国际先进的技术和设备，有烧碱、乙炔、氯乙烯、聚氯乙烯及公用工程等五大装置，以PVC、烧碱为核心产品，具有50万t/a PVC、40万t/a离子膜烧碱并配套2×50 MW自备热电。

1 棒碱传统制造工艺

棒碱为棒状固体氢氧化钠，因其吸水性好、通过率高，是VCM生产中首选的脱水干燥剂，同时也广泛应用于脱水、脱酸、脱硫、去除杂质等。

国内棒碱生产主要采用熔融法模具冷却成型技术，将400°C左右的高浓度碱液注入专用模具中，当模具中碱液注满后，关闭碱液阀门，移开模具，当模具中碱液冷却后，再打开模具，取出碱棒。棒碱生产全部是人工操作，整个生产过程为间断性生产，效率低；另外，碱液温度较高且具有强腐蚀性，人员被碱烧伤的情况时有发生，安全得不到保障。

2 新型棒碱制造工艺

2.1 新型棒碱制造工艺

新型棒碱制造工艺可直接将片碱粉末挤压成棒碱，自动化程度高，代替传统的熔融生产，无需熔融、浇筑、冷却，简化了生产工序，可实现连续化生产，有效提高了生产效率，降低了人工的劳动强度，杜绝了人员烧伤；通过料框上料和推料板出料，降低了人工作业而引发的意外挤压风险，实现了安全生产。

目前，内蒙古亿利化学工业有限公司氯乙烯单体使用外购棒碱进行干燥，成本较大，而且会出现设备管道堵塞现象，造成装置停车。为降低公司PVC生产成本，增加公司产业链条和经济效益，启动棒碱新工艺开发项目。

通过研发棒碱新型制造工艺，突破棒碱新型加工工艺技术。以高纯度的片碱为原料，采用特殊加工工艺制造棒碱，产品具有纯度高、机械强度高、冲击性能优良、吸水性强、良好的酸碱中和特性、持续使用周期长，不易破损等特点。突破棒碱生产专用设备的关键技术，研制的棒碱新型挤压机实现了棒碱生产专用设备的国产化替代。

2.2 新型棒碱制造工艺创新点

项目依托内蒙古自治区企业研究开发中心，通过研发人员的密切配合、协同创新，从棒碱的小试工艺开始，进行棒碱小试及中试核心工艺技术研究、棒碱产业化专用设备研制、质量标准和技术操作规程的制定，完成棒碱产业化关键技术研究，形成棒碱产业化成套工艺体系，为国内棒碱新型生产工艺及设备的国产化替代提供产业化关键技术支持。研制具有自主知识产权的新型棒碱成型设备，实现棒碱的挤压、出料，自动化程度高，代替传统的熔融生产，简化了生产工序，实现连续化生产，有效提高了生产效率，同时降低了人工的劳动强度，避免人员烧伤的安全隐患；通过自动化料框上料和出料，降低了人工作业而引发的意外挤压风险，实现了安全生产。

采用新型的棒碱挤压成型技术，可直接将片碱粉末挤压成棒碱，该产品具有纯度高、机械强度高、冲击性能优良、吸水性强等突出优点，已申请2项实用新型专利。

2.3 新型棒碱挤压成型机

新型棒碱挤压成型机包括底座、立柱、支架、承接平台、成型平台、活动平台和连接架等，承接平台和连接架均与立柱固定连接，成型平台固定在承接平台的上方，活动平台设置在各立柱之间，在成型平台上开设有若干成型孔，活动平台底端固定有挤压杆，挤压杆与成型孔一一对应并插接在对应的成型孔的内部，在支架上设有承压板，承压板的顶面与成型平台的底面滑动接触。

在支架水平方向设有推料板，推料板行程终端的下方设置有溜槽。溜槽的槽底为筛板，底端设置有收集箱，收集箱的底部通过管路与布袋除尘器的进口管路连通。在与成型平台水平对应的支架上固定有装料平台，在装料平台上方的支架上固定有破碎机，在破碎机的底部出料口上连接有落料管，料框的顶端与落料管的底端活动对接；在料框的顶部侧壁安装有料位传感器；料位传感器和控制器的输入端连接，控制器的输出端和破碎机的驱动及破碎机的出料螺旋连接。

2.4 棒碱挤压成型机技术工艺要点

（1）棒碱挤压成型机，包括底座、立柱、支架，在底座一侧固定有支架，在底座顶部竖直固定有至少两个立柱；在各个立柱之间由下向上依次设置有承接平台、成型平台、活动平台和连接架，承接平台和连接架均与立柱固定连接，成型平台分体固定在承接平台的上方，活动平台上下滑动设置在各立柱之间；在成型平台上竖直开设有若干成型孔，活动平台的底端固定有若干与所述成型孔一一对应的挤压杆，挤压杆上下滑动插接在对应的所述成型孔的内部，在连接架的中部和活动平台之间竖直固定有升降驱动；在支架上水平滑动设有承压板，承压板的顶面与成型平台的底面滑动接触。

（2）在成型平台与承接平台之间的分体固定有支撑平台，在支撑平台上开设有若干与成型孔一一对应的落料孔；承压板的底面与支撑平台的顶面滑动接触。

（3）在支架上水平滑动设有推料板，推料板滑动设置在承接平台的顶部，在推料板行程终端下方的立柱的外侧设置有溜槽。

（4）在支架上固定有驱动推料板和承压板水平滑动的推拉驱动。

（5）溜槽的槽底为筛板，在溜槽的底端设置有收集箱，收集箱的底部通过管路与布袋除尘器的进口管路连通。

（6）在与成型平台水平对应的支架上固定有装料平台，在装料平台和成型平台的顶部之间滑动设有料框，料框活动设置在若干成型孔的孔顶外围；在支架上固定有驱动料框水平移动的布料驱动。

（7）在装料平台上方的支架上固定有破碎机，在破碎机的底部出料口上连接有落料管，料框的顶端与落料管的底端活动对接；在料框的顶部侧壁安装有料位传感器；料位传感器和控制器的输入端连接，控制器的输出端和破碎机的驱动及破碎机的出料螺旋连接。

（8）在远离成型平台的料框的顶端外壁上固定有水平设置的挡板，挡板的顶端与落料管的底端滑动接触。

（9）在成型平台的顶端一侧水平固定有收集罩，收集罩朝向成型平台设置；收集罩的出口与布袋除尘器的进口管路连通。

（10）在成型平台的顶端一侧水平固定有收集罩，收集罩朝向成型平台设置；收集罩的出口与布袋除尘器的进口管路连通。

3 亿利化学新型棒碱产品质量测试

3.1 实验项目

（1）测定棒碱产品在水中的塌陷溶解时间及温度变化。

（2）测定棒碱产品的密度。

（3）测定棒碱产品的强度。

（4）测定氢氧化钠中的铁离子含量。

（5）测定氢氧化钠、碳酸钠含量。

3.2 实验用具

1 000 mL玻璃烧杯2个、玻璃棒2支、100℃温度计2只，直尺、滴定管、移液管、三角瓶、橡胶手套。防护面罩、强度测试仪、电感耦合等离子发射光谱（ICP），1+1盐酸，50 mL塑料容量瓶2个，Fe标准溶液、天平（精确至0.01 g）、移液管50 mL、滴定管50 mL，有0.1 mL的分度值磁力搅拌器，煮沸15 min的水一瓶。

3.3 实验步骤

3.3.1 塌陷溶解试验测定

将2块不同产地的棒碱分别放入1 000 mL的烧杯内，加水漫过样品，迅速插入100℃温度计，观察样品在一定时间内的溶解状态，直至样品完全溶解，并记录消失时间及温度。

3.3.2 密度试验测定

分别准确称取棒碱质量，量取棒碱体积。

按公式计算：

式中：ρ—密度，g/cm3；

m—样品质量，g；

V—样品体积，cm3。

3.3.3 强度试验测定

（1）穿戴好防护用具，眼罩，橡胶手套。

（2）先将完整样品在天平上称重，放入强度仪1#2#测试滚筒内测试5 min，取出样品称重并计算出样品的损失率及强度。

3.3.4 氢氧化钠含铁离子ICP试验测定

称取（30±1）g样品溶入1 000 mL容量瓶中溶解，定容，摇匀至刻度。

吸取10 mL样品加入到1#（外购）50 mL容量瓶中，加入20 mL（1+1）盐酸，定容，混匀至刻度。

2#（自压）容量瓶中加入0.5 mL Fe标准溶液，10 mL样品，20 mL（1+1）盐酸，定容，混匀至刻度。

用标准加入法测得样品中Fe含量。

3.3.5 氢氧化钠含量测定（依据GB/T 209-2018）

用70 mm×35 mm称量瓶迅速称取固体氢氧化钠（30±1）g（精确至0.000 1 g），将已称取的样品置于已盛有约300 mL煮沸15 min水的容量瓶中，加煮沸15 min水溶解，冷却至室温，稀释至刻度，摇匀。

用50 mL移液管移取50 mL试样溶液，注入250 mL三角瓶中，加入10 mL氯化钡溶液，加入两三滴酚酞指示液，在磁力搅拌器搅拌下，用盐酸标准滴定溶液滴定至微红色为终点。记下滴定所消耗的盐酸标准滴定溶液的体积。

3.3.6 碳酸钠含量测定（依据GB/T 209-2018）

用50 mL移液管移取50 mL试样溶液，注入250 mL三角瓶中，加入10滴溴甲酚绿-甲基红混合指示液，在磁力搅拌器搅拌下，用盐酸标准滴定溶液滴定至暗红色为终点。记下滴定所消耗的盐酸标准滴定溶液的体积。

氢氧化钠含量以氢氧化钠（NaOH）质量分数W1计，数值以%表示，按公式计算：

碳酸钠含量以碳酸钠（Na2CO3）质量分数W2计，数值以%表示，按公式计算：

式中：C—标准溶液浓度的准确数值，mol/L；

V1—盐酸标准溶液所消耗滴定体积数值，mL；

V2—盐酸标准溶液所消耗滴定体积数值，mL；

m—试样的质量的数值，g。

3.4 实验数据和对比分析

通过表1数据分析，测试产品的塌陷时间较长，塌陷数据优于外购产品。

表1 棒碱在水中的塌陷溶解时间及温度变化测定结果

本次测试产品采用10 MPa压力挤压成型，测量产品密度小于外购产品。

表2 密度测定结果

表3 氢氧化钠中的铁离子含量测定结果

本次测试产品铁离子含量大于外购品，但能达到指标要求。

表4 机械强度测定结果

测试产品的机械强度高于外购产品。

测试产品纯度指标小于外购产品，末达标的原因可能是片碱原料经二次倒运，密封不严，有少量潮解的可能。

测试产品碳酸钠指标高于外购产品，但满足指标要求。

通过本次对比测试实验，得出以下结论。棒碱测试产品的铁离子含量、碳酸钠含量满足片碱产品的国标要求；测试棒碱产品的塌陷实验、机械强度优于外购产品；测试棒碱纯度未达到片碱国标要求，可能因提供片碱原料在二次倒运过程中密封不严，导致棒碱产品少量潮解，纯度降低。

4 亿利化学新型棒碱试用效果评价

内蒙古亿利化学工业有限公司聚氯乙烯厂2021年试用了新工艺研发生产的棒碱，于2021年3月29日装于二线精干燥器中进行试用，通入氮气干燥2.0～3.0 h后并入系统进行使用，至2021年5月16日停止使用，使用周期48天，试用期间平均水分为451×10-6。在试用期间下碱管无堵塞现象。说明本批次亿利研发棒碱试用合格。有两点需要优化，一是在装填过程中棒碱强度不够，易碎；二是棒碱尺寸过大，存在搭桥现象。

表5 氢氧化钠测定结果

表6 碳酸钠测定结果

5 亿利化学新型棒碱效益分析

科技成果转化为现实生产力是科研机构的首要目标，最终实现科技成果产品的生产及销售。内蒙古亿利化学工业有限公司研发的棒碱新产品可应用于公司PVC生产过程中，实现自行投资转化，并开拓国内外市场，实现棒碱的销售；另一方面，棒碱的新型成套工艺及设备也可应用于其他相关企业，实现科技成果转化。

目前，按照公司50万t/a PVC，每年使用棒碱450 t，棒碱采购价格7 200元/t，棒碱生产成本按照3 800元/t计算，此研发项目执行期结束后，每年可节约采购棒碱费用（7 200-3 800）×450=153（万元）。同时，生产棒碱可外销于周边同类PVC生产企业，按照年销售1 000 t，销售价格按照5 800元/t计算，销售收入580万元/a，年可实现利润200万元。