水玻璃溶液中炭渣颗粒的去除研究

水玻璃溶液中炭渣颗粒的去除研究 2000—05,32(3)刘恒权水玻璃溶液中炭渣颗粒的去除研究33 ? — 水玻璃溶液中炭渣颗粒的去除研究 三塑,王堕益孙时知,赵国鹏,尚世南 鞍山钢铁学院化学工程研究中心.辽宁鞍山114002)Tr7 摘要:通过过滤理论,确定了正确的过滤操作方式,工业生产结果明:过滤方法能够去除硅酸钠一撮渣 颗粒溶液中粒度不一,密度较小的炭渣颗粒,得到透明的水玻璃溶渡 关鬟词:;墓;建堕;去除z茎国萋田,中图分类号:T9l145文献标识码:A文章编号:1006—4990(2ooo}o3—0033—02 由稻壳制取水玻璃,溶液中炭渣颗粒粒度不一, 密度较小,较之传统法的硅酸钠溶液去除水不溶物 过程难度增大.为了去除硅酸钠一炭渣颗粒特定溶 液体系中的炭渣颗粒,进行了过滤理论分析,确定了 正确的过滤操作方式,在工业生产上取得了成功 1炭渣颗粒去除的确定 硅酸钠和炭渣颗粒的固态混合物在温水中能很 快溶解,从而形成硅酸钠一炭渣颗粒特定溶液体系. 该溶液具有如下特点:混合液外观呈黑色浑浊状,含 有粒度不一的炭渣颗粒,大颗粒直径3,5mm,小炭 渣颗粒极细,在溶液中呈悬浮态,不沉降.在20? 时,水玻璃模数2.8,3.0,二氧化硅质量百分浓度 在12%一15%范围内,溶液含固量在18%,25%范 围内.如果不能完全去除该特定溶液体系中的黑色 炭渣,后续制得白炭黑产品的白度指标将达不到国 标要求. 目前,水玻璃溶液固液分离的方法主要有3种: 重力沉降,离心分离和过滤.重力沉降是一种传统 方法,设备庞大,占地面积大,分离效果差,特别当水 玻璃溶液中水不溶物密度小时,即使沉降很长时问, 仍然得不到澄清的水玻璃溶液.温度对水玻璃溶液 的粘度影响较大,冬季沉降效果就更差.离心分离 可以获得澄清度比较高的水玻璃溶液,然而离心机 的沉渣含液量较高,需要加水”化浆”,然后再经离心 机处理,流程比较复杂.过滤方法是目前白炭黑行 业去除水玻璃溶液中水不溶物普遍采用的方法.华 南理工大学采用过滤方法,获得透明度良好,基本无 混浊的水玻璃.因此,决定采用板框过滤机解决 硅酸钠一炭渣颗粒特定溶液体系的固液分离问. 2理论分析 采用板框过滤机进行硅酸钠和炭渣颗粒混合溶 液过滤时,炭渣颗粒被滤布截留后,垒积形成炭渣滤 层,炭渣颗粒之间存在着网络状的空隙,水玻璃滤液 即从中流过.因此,滤层可视为一个截面复杂多变 而空隙截面积维持恒定的流通管道,通过水力学理 论推导,可得下式: 0=K?E小1一E)]-?P//xL?A(2) 式中:0为过滤流量/s;K为比例系数;e 为滤层的空隙率;?P为水玻璃溶液通过流道而引 起的压强降,Pa;为炭渣颗粒的比表面,/; 为水玻璃溶液的粘度,Pa?s;,为流道长度,m;A为 过滤面积,-Tl2. 从式(2)可以看出,当泵人压滤机的液量一定 时,随着时间延长滤层厚度(即流道长度)不断增 加,滤层上,下游两侧的压差?P将不断增大当 炭渣颗粒的粒径愈小时,滤层空隙率e愈小及颗粒 比表面积愈大,在相同的滤速时,也会使?P增 大.当溶液的牯度增大时,也将使?P增大液体 粘度主要与温度有关.当温度升高时,液体的粘度 将减小.通过对上述各参数的分析的同时.还应考 滤炭渣粒子随滤液流动产生的牯性摩擦力大小与滤 层的关系,即滤层破坏机理的研究,从而确定正确的 过滤操作方式,保证形成性能良好的滤层,获得透明 的水玻璃溶液. 当溶液通过滤层时,滤层中每个粒子都会受到 液体流动产生的粘性摩擦力的作用,使粒子产生向 滤布方向迁移的倾向,对于每个粒子受到的粘性摩 擦力太小,可由下式决定: ,=?-4???p,2(3) 式中:,为炭渣粒子受溶液流动的粘性摩擦力 作者简丹:划恒扳.男.L970年生,硕士学位-[程师现住鞍山铜铁学院 化学工程研究中心工作巳发表论文3篇 34INORGANICCHEMICALSINDUSTRY无机盐I业2000—05,32(3) 大小,N;d,为滤层中粒子的当量直径,m;?为滤液 围绕粒子的流动速度,m/s;为阻力系数;P为流体 密度,kg/m3. 上式中阻力系数是雷诺准数耻的数,过滤 时滤层中每个粒子都受到与流动方向一致的粘性摩 擦力作用,但不同直径的粒子受力大小是不同的,对 微细粒子来说,其雷诺数Re极小,阻力系数极大,因 而产生很大的粘性摩擦力,在滤层极薄时,滤层前后 压差?尸不大,导致滤层较疏松,微细粒子在粘性 摩擦力作用下,可克服滤层中粒子间的摩擦力,向滤 布方向移动,最终穿透滤布进入滤液中,上述分析还 可看出,提高水玻璃溶液温度,使粘度大幅度降低 (Re增大),可显着降低滤层遭破坏的危险性.此 外,滤层破坏常常发生在过滤前期滤层较薄的阶段, 或者滤液中含固量不高且含有微细炭粉粒子的情况 下.在滤层较薄时,过大的过滤流速必然产生较大 的压强差?P,会使滤层遭到破坏,微细炭粒会在 滤层中向滤布方向迁移,最终穿透滤布进入滤液中, 导致过滤失败.因此,为保证过滤工艺的顺利进行, 选择泵要与过滤机匹配,确定薄滤层不破坏流量. 如果泵的流量过大,将产生很大的压强,使混合液中 的细炭粉穿过滤布的微孔,造成滤液浑浊,可采取先 进较大颗粒炭渣的措施,降低滤层压差,避免滤层遭 到破坏.此外,过滤介质一滤布的选择并非愈致密 愈好,由于在滤层过滤中发挥分离作用的主要是滤 层,而不是滤布,滤布的微细孔道直径应稍大于一部 分炭渣颗粒的直径,有利于滤层快速形成. 3过滤操作方式的确定 泵;2稳压阀;3闸闻;4搅拌罐;5.板框压滤机 田1言炭渣木玻璃溶液过滤工艺 根据上述理论分析,确定图1所示的过滤工艺. 并确定了如下操作方式:稻壳与碳酸钠反应生成的 疏松海绵状固态颗粒的溶液泵人板框压滤机,溶液 过滤温度保持在50ac以上,炭渣颗粒依靠吸附架桥 作用沉积于滤布表面,滤液通过闸阀返回到搅拌罐, 经过多次循环直至滤液透明为止,此时已形成良好 的滤层.关闭闸阀,将过滤得到的透明水玻璃溶液 送至贮料罐备用,维持恒定流量进行恒速过滤,由于 滤饼厚度随过滤时间不断增厚,过滤压强差随之缓 慢增长,所以实际上几乎没有把恒速方式进行到底 的过滤操作.当表压强达到给定值时,稳压阀自动 开启,部分混合溶液返回泵人口,进入压滤机的流量 逐渐减小,压滤机人口处表压强值维持恒定,变为恒 压过滤.维持一段时间后过滤结束卸饼前用水转 换滤饼中残留的水玻璃溶液,排空机内液体卸除滤 饼,由于水玻璃溶液容易干化,卸饼后立即将滤布, 板框上的水玻璃及炭渣颗粒清洗干净. 图2表示了此操作过程中过滤流量,工作压力 随过滤时间变化的关系 q/ /过滤时 1由线0代表流量;2Q表示薄滤层破坏流量; 3由线P代表压力;4.表示板框最大工作压力 圈2过滤流?,工作压力随过滤时间变化的关系 按上述过滤工艺及方式操作,在四川邻水五星 白炭黑生产厂的过滤面积为100m的板框过滤机 上进行了工业生产,得到了透明水玻璃溶液,此水玻 璃用于制作白炭黑,制得的白炭黑产品白度指标经 自贡国家炭黑质量监督检验中心检测达到国标要 求. 4结论 过滤温度在50ac以上,压力上升缓慢,滤层不 易破坏;输液泵要与过滤机匹配,进料采取先进较大 粒径炭渣颗粒的措施,避免滤层破坏;该过滤工艺能 够去除混合溶液中粒度不一,密度较小的炭渣颗粒 杂质,得到透明的水玻璃溶液.其质量能满足生产 优质白炭黑的要求. 参考文献 [1:尚世南,于欣伟等ZL931120233 [2胡盘榜等藏体工程.1991.(9)1. [3]李成曾等无机盐工业199O,(5):10 [4]天津大学化工原理教研室缩化工原理fE册)[M]无滓科学 拄木出版杜.1987.182 (收稿日期:1999—12.06)