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耐堿玻璃轉子流量計的研制
發布時間:2019-07-31

〔提要〕燒堿(Na0H)生產中,對進入每臺電解槽的精制盆水,過去慣用玻璃轉子流量計測量流量。這種流量計的玻璃錐管材質,以往國內均用翻硅玻璃制造,而硅離子接觸介質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,國外在這種場合下使用的玻璃錐管采用聚礬玻瑞材質(如美國、原聯邦德國)這樣可以克服上述弊病。
1前言
  氯堿工業是以氯化鈉(鹽)為主要原料生產基本化工原料燒堿和氯氣的工業,燒堿廣泛用于輕工、化學纖維、紙及紙漿、紡織、鋁、肥皂、印染、冶金、化工、食品等工業。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藥器等領域。
  氯堿工業的發展狀況,也可以說是顯示該國的經濟活動和產業發展的水平。盡管我國燒堿產量增長速度較快,但尚不能滿足國民經濟發展的需要。近幾年來,每年尚需進口20萬噸高純度燒堿主要用于紡織部門。
  目前世界燒堿總產量已接近5000萬噸,其中美國居第一位,原聯邦德國居第二位,日本第三位,原蘇聯第四位,我國為第五位。
  據有關方面預測、在今后5一10年中世界范圍內氯堿工業將進入一個持續增長、緩慢發展的階段,其燒堿和氯氣的增長率預測如表1。

  根據市場需求,化工部生產管理部門建議“八五”期間燒堿增長速度年平均5.5%,其中前兩年為4%,后三年為6%,“八五”期間年產量預測如表2。

  燒堿生產主要有隔膜法、水銀法和離子膜法。作為一種傳統的生產方法,隔膜法的產量最多,約占50%左右,水銀法由于環境污染問題已逐步被淘汰(如日本到80年代末已停止生產),離子膜法是70所代開始發展的先進的生產方法,目前新技術離子膜法生產燒堿裝置及技術是國際上已成熟的先進技術。近幾年來我國分別從日本、美國、英國等國家引進成套離子膜電解設備和技術,對發展我國氯堿工業有很大的幫助和提高,也促進我國對離子膜燒堿生產的國產化進程。
  與以往傳統的隔膜法電解相比較,離子膜法電解其特點是能耗低(比隔膜法、金屬陽極法燒堿低30寫~35%)產品產量質量提高,所產的高純堿是輕紡工業極需的原料(即離子膜法電解槽出來的堿液即為產品,純度高,不需蒸發濃度已達商品堿要求(31%),同時生產出來的氯氣純度也高,含氧比金屬陽極聯產的氯氣低4倍,占地面積小,投資低(比金屬陽極裝置低10%),產品成本低、經濟效益好。因此國際上發展極快,1990年此法生產的燒堿占世界燒堿總產量20寫,尤其是新增的生產廠在我國大部分都采用該技術。
2耐堿玻璃轉子流量計研制課題的提出
  離子膜電解槽出口的堿液要求進行現場流量指示,由于玻璃轉子流量計,直觀可靠,體積小,安裝、使用、維修方便,價格便宜,國內外均采用該類流量計。眾所周知,氯堿生產介質的腐蝕性是相當嚴重的,盡管國內已有采用ICr18NigTi及四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)即氟46耐腐型玻璃轉子流量計,但實踐證明仍不能解決氯堿裝置上的耐腐蝕問題。
  近年來,我國從國外引進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子流量計,較好地解決了強腐蝕性問題,國內300多家大小氯堿廠,均希望國內也能提供達到國際水平的耐堿玻璃轉子流量計。化工部第八設計院為解決耐堿玻璃轉子流量計國內配套問題,選擇了國內生產玻璃轉子流量計歷史最長、批量最大、近年從原聯邦德國克隆尼公司引進了世界一流玻璃轉子流量計專有技術及關鍵設備的熱工儀表總廠協商聯合開發研制,經雙方研究,同意合作開發耐堿玻璃轉子流量計。
3氯堿裝置用玻璃轉子流量計技術要求
經雙方協商確定氯堿裝置用玻璃轉子流量計技術要求如下。
堿液LZP一40F玻璃轉子流量計
被測介質:31%wtNaOH堿液;
被測介質標稱溫度;80C;
允許最高介質溫度: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;
精確度等級:4級;
安裝方式:見圖1。

②鹽液LZB一25FA玻璃轉子流量計
被測介質:NaCI鹽液;
被測介質標稱溫度:75C;
允許最高介質溫度: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;
精確度等級:4級;
安裝方式:見圖2;

4研制概況
  玻璃轉子流量計的基本元件是一根由下向上擴大的垂直錐管(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的浮子(通常用ICr18NigTi不銹鋼或鋼質包塑)。熱工儀表總廠結合國內玻璃轉子流量計幾十年設計經驗及引進原聯邦德國克隆尼公司專有技術設計了該型玻璃轉子流量計。研制耐堿玻璃轉子流量計的關鍵是選擇新型的耐腐材料及采用與新型材料相適應的加工工藝。
下面分別簡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子流量計,因硼硅酸鹽玻璃有一定的化學穩定性,對鹽液具有較好的防腐性能,故鹽液玻璃轉子流量計仍采用硼硅酸鹽玻璃成型錐管。但因硼硅酸鹽玻璃對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于硼硅酸鹽玻璃外,仍應保持硼硅酸鹽玻璃透明可見,熱穩定性及一定的抗壓強度。經反復比較及國產新材料的調研,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械強度及化學穩定性。國產S一100本色聚諷的主要性能指標見表3。

國產S一100聚礬塑料耐化學腐蝕性見表

備注:
優—抗張強度變化率在10%以內,外觀無變化;
好—抗張強度變化率在20%以內,外觀無變化;
良—抗張強度變化率在30%以內,外觀微變化;
可—抗張強度變化率在30%以內外觀開裂;
耐化學腐蝕性試驗條件
溫度:常溫;
試驗樣品:2mm×9mm×45mm啞鈴條;
浸演時間:30天。
  綜上所述,聚颯塑料應該是耐堿玻璃轉子流量計錐管的理想材料,但聚礬塑料因加工時流動性差,加工比較困難,而錐管又要求透明可見、光潔度高。
②浮子的研制
  國產LZB、LZJ系列普通型玻璃轉子流量計浮子采用ICrl8NigiT不銹鋼或瑪瑙加工而成。近年來,LZB、LZJF系列耐腐玻璃轉子流量計,開始采用鋼質浮子包封四氟乙烯一六氟丙烯共聚物(FEP)(俗稱F46)大大提高了玻璃轉子流量計的耐腐蝕性能,但在耐腐蝕性能方面仍不能滿足各種強腐蝕介質的防腐要求,為了解決耐堿玻璃轉子流量計浮子耐腐問題,熱工儀表總廠又借鑒了國外先進技術,對國內有關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1180℃,在980℃以下還具有良好的強度,合金對強氧化劑如氯化鐵氯化銅的抗腐蝕能力很強,是抗潮濕氯氣,亞氯酸鹽腐蝕的合金之一,固溶狀態下抗腐性能最好,合金的抗氧化和抗還原氣氛的最高溫度可達1150℃,熱工儀表總廠選用國產3YC24固溶態鎳基合金分別制作鹽液和堿液玻璃轉子流量計,該合金的主要性能分別見表5、6、7。


  在解決了錐管和浮子耐腐蝕材料的選擇及加工問題后,熱工儀表總廠又在其他結構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子流量計終于研制成功。
5試驗考核
①聚礬錐管熱穩定性試驗
  將錐管試樣用標準浮子先在常溫下選擇l000L/h、400oL/h、600oL/h三個流量進行標定并記錄下浮子裝置,然后依次加熱至100,120,250,280℃保溫2.5小時后重復標定,再次記錄下浮子位置,觀察浮子位置的變化,檢測結果見表8。
  因流量計精確度為0.5%,檢測浮子位置變化小于1.6mm,即誤差不大于0.02mm,以上結果表明在150℃以下,流量計精確度均在誤差范圍內,因此聚礬錐管流量計在150℃以下是完全穩定的。

②壓力試驗:聚礬錐管試樣選擇在進行充氣加壓試驗后,結果表明:加壓至1.6MPa,錐管無變形和破裂現象加壓至2MPa時發現密封件泄漏無法檢驗,就這樣的耐壓強度已大大超過硼硅酸鹽錐管0.9MPa的指標。
③精確度檢測:在對72臺堿液流量計進行水流量標定后,檢查標定刻度位置表明全部刻度的不一致差值小于1.5mm,計算收縮率波動能控制在0.03mm以內,對單標的流量計完全符合精確度要求。
  經試驗考核,采用聚礬錐管的堿液流量計與采用硼硅酸鹽錐管的鹽水流量計完全符合設計要求。
6結論
  燒堿裝置用耐腐鹽水流量計與堿液流量計采用聚礬塑料制成的錐管及3YC24固溶態鎳基合金制成的浮子不僅能精確測量各種液體和氣體介質,完全能滿足燒堿裝置強腐蝕介質流量測量的要求,而且也適用于對硼硅鹽錐管具有腐蝕作用的其他介質,為我國的耐腐流量計的發展提供了新的途徑, 由于本課題研制時間太短,今后廠、院將繼續合作,進一步試驗考核并將與材料研制廠、所為提高國家聚礬塑料透明度及其他性能共同努力,為實現耐腐流量儀表的全面國產化作出新的貢獻。

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