ケイ酸ナトリウム（HLNAP-4）

製造中の局所的な過熱と弾性率 (M 値) の変動を回避する方法 弾性率 (M): 3.4±0.1 粉末ケイ酸ナトリウム ?

1. 粉末ケイ酸ナトリウムの製造プロセスの概要と弾性率変動の影響

粉末ケイ酸ナトリウムは、重要な無機ケイ素化学製品であり、液体の水ガラスから乾燥、噴霧などのプロセスを経て製造されます。 Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd を例にとると、そのインスタント粉末ケイ酸ナトリウム HLNAP-4 モデルは、モジュラス 3.4±0.1、二酸化ケイ素含有量 61.0 ～ 65.0% の特性を備えており、洗剤、セメント速乾添加剤などの分野で広く使用されています。生産工程においては、モジュラス（M値）が製品の性能を測る重要な指標となります。これは二酸化ケイ素と酸化ナトリウムの量の比率であり、製品の溶解性とセメンテーション特性に直接影響します。局所的な過熱は、弾性率の変動を引き起こす重要な要因の 1 つです。製造プロセス中に局所温度が高すぎると、ケイ酸ナトリウム溶液の重縮合反応が促進され、二酸化ケイ素の重合度が変化し、弾性率が目標値の 3.4±0.1 から逸脱し、製品の品質の安定性と一貫性に影響を及ぼします。したがって、局所的な過熱による弾性率の変動を回避する方法を検討することは、粉末ケイ酸ナトリウムの製造品質を向上させる上で非常に重要です。

2. 粉末ケイ酸ナトリウム製造における局部過熱の原因解析

(I) 乾燥工程設備の影響
粉末ケイ酸ナトリウムの乾燥工程では、噴霧乾燥塔や流動層乾燥機などの設備が一般的に使用されていますが、設備設計に無理があったり、運転パラメータの設定が不適切な場合、乾燥室内での材料の偏在や局所的な材料の滞留、滞留時間の過大などを引き起こし、局所的な過熱が発生しやすくなります。たとえば、噴霧乾燥塔のアトマイザーの微粒化効果が低く、液滴サイズの分布が不均一である場合、大きな液滴はすぐに乾燥塔内に落下し、完全に乾燥する前に塔の底に到達する可能性がありますが、小さな液滴は高温領域に長時間留まり、局所的な過熱が発生する可能性があります。さらに、乾燥媒体 (熱風など) の不均一な流量と温度分布も、材料のさまざまな部分に不均一な加熱を引き起こし、局所的な過熱を引き起こします。
(II) 材料特性と加工工程の影響
粉末ケイ酸ナトリウムの製造原料として、液体水ガラスの濃度、粘度、その他の特性は、乾燥プロセス中の熱と物質移動に影響を与えます。液体水ガラスの濃度が高すぎて粘度が大きいと、スプレードライ工程で液滴の微粒化が進み、より大きな液滴や液膜が形成されやすくなり、内部の水分が蒸発しにくくなり、内部に熱がこもり局所的な過熱が発生します。一方、原料の前処理において、撹拌が不均一であると原料の局所的な濃度差が生じたり、乾燥時の熱伝達が悪く濃度の高い部分が過熱しやすくなります。
(III) 生産プロセス制御パラメータの影響
製造工程における乾燥温度、供給量、乾燥時間などの制御パラメータが無理に設定されたり、制御が不安定な場合も局所的な過熱を引き起こします。たとえば、乾燥温度が高すぎて供給速度が遅すぎる場合、材料は高温環境に長時間留まり、過熱しやすくなります。供給速度が速すぎると、材料が時間内に完全に乾燥しない可能性があり、製品の水分含有量に影響を与えるだけでなく、その後の処理中に一部の材料が加熱され続けるため、局所的な過熱が発生する可能性があります。また、温度センサーの設置位置や精度に問題がある場合、局所的な温度変化を正確に監視できず、制御システムの調整が間に合わず、局所的な過熱が発生する可能性があります。

3. 局所的な過熱による弾性率の変動を回避するための重要な技術的対策

(I) 乾燥装置の構造と運転パラメータの最適化
噴霧乾燥塔の最適化
遠心噴霧器と気流噴霧器を組み合わせた複合噴霧器など、新しいタイプの噴霧器を使用して、液滴サイズの均一性を向上させます。遠心噴霧器は速度を調整することで液滴サイズを制御でき、気流噴霧器はより大きな液滴に二次霧化を実行できるため、液滴サイズの分布がより集中し、不均一な液滴サイズによって引き起こされる局所的な過熱が軽減されます。たとえば、Tongxiang Hengli Chemical Co., Ltd. の生産現場では、複合アトマイザーを導入することにより、50 ～ 150 μm の範囲の液滴サイズ分布の割合が 85% 以上に増加し、乾燥プロセスの均一性が大幅に向上しました。
乾燥塔内にガイド板や分配器を設置して熱風を均一に導き、渦流や局所的な高速領域を避けるなど、乾燥塔の内部構造を最適化します。ガイドプレートにより、熱風がらせん状に下向きに流れ、熱風と材料の接触時間が長くなり均一性が向上し、材料のタワー壁への付着が軽減され、局所的な過熱のリスクが軽減されます。
乾燥塔の空気入口と出口の位置を合理的に設定して、熱風がスムーズに流れ、デッドコーナーを回避します。熱気がタワーの全側面から均等に流入するように、空気入口は環状に配置されており、排気ガスが適時に排出され、タワー内の空気流の安定性が維持されるように空気出口はタワーの底部中央に設置されています。
流動層乾燥機の最適化
多層流動層や内部加熱型流動層など、適切な流動層構造を設計します。多層流動床により、材料を異なる層で順番に乾燥させることができます。各層は異なる温度と空気流パラメータで設定され、勾配乾燥を実現し、単層での長い滞留時間による材料の過熱を回避します。内部加熱型流動床は、ベッド層にヒートパイプや蒸気コイルなどの発熱体を設置して熱を材料に直接伝え、熱伝達効率を向上させ、熱風の量を減らし、エネルギー消費と局所的な過熱の可能性を削減します。
流動層の空気流分配プレートを最適化して、空気流が層を均一に通過できるようにします。気流分配プレートの開口率、開口サイズ、分配モードは、気流の均一性に直接影響します。多孔質プレートまたは円錐形の分配プレートを使用して、空気流をベッド層の底部に均一に分配して、材料のチャネリングまたはデッドベッド現象を回避し、それによって局所的な過熱を軽減できます。
(II) 材料特性管理と前処理の強化
原料濃度と粘度の最適化
液体水ガラスの濃度を厳密に管理し、乾燥プロセスの要件に応じて濃度を適切な範囲に調整します。一般的に、噴霧乾燥に適した液体水ガラスの濃度は 30 ～ 40°Bé です。この濃度範囲内では、液滴の霧化効果がより良好であり、水の蒸発速度が適度であり、局所的な過熱の発生を低減することができる。濃度が高すぎる場合は、水で希釈して調整できます。濃度が低すぎる場合は、濃縮する必要があります。
液状水ガラスの粘度は、分散剤や界面活性剤を適量添加することで下げることができます。ヘキサメタリン酸ナトリウムなどの分散剤をケイ酸ナトリウム粒子の表面に吸着させることで、粒子の凝集を防ぎ、系の粘度を下げ、霧化性能を向上させることができます。ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどの界面活性剤は、液体の表面張力を低下させ、液滴を微粒子に噴霧しやすくし、乾燥効率を向上させ、熱の蓄積を軽減します。
材料の撹拌・混合の強化
原料の保管・輸送時には、アンカー撹拌機とプロペラ撹拌機を組み合わせた複合撹拌方式などの高効率撹拌装置を使用し、局所的な濃度差を避け均一に撹拌しています。アンカー撹拌機はタンクの底や壁に付着した材料を除去し、プロペラ撹拌機は強力な軸流を発生させることができるため、タンク内で材料が循環流を形成し、混合均一性が向上します。
大規模生産の場合は、搬送パイプラインにスタティックミキサーを設置して、材料の混合をさらに強化することができます。スタティック ミキサーは、一連の固定混合要素で構成されます。材料は連続的に分割され、通過時に再結合されるため、均一な混合が達成され、乾燥装置に入る材料特性の一貫性が確保され、不均一な材料によって引き起こされる局所的な過熱が軽減されます。
(III) 生産プロセスパラメータの正確な制御
乾燥温度を正確に制御
PLCベースのファジィPID制御システムなどの高度な温度制御システムを採用し、乾燥温度のリアルタイム監視と正確な調整を実現します。空気入口、塔本体の中央、空気出口など、乾燥塔のさまざまな領域に複数の温度センサーを設置し、リアルタイムで温度データを収集し、そのデータを PLC コントローラーに送信します。コントローラーは、設定温度範囲とファジーPID制御アルゴリズムに従って発熱体の出力または熱風の流量を自動的に調整し、乾燥温度を設定値の±2℃の範囲内に維持し、過度の温度変動や局所的な過熱を防ぎます。
温度警告メカニズムを確立します。特定の領域の温度が設定された上限を超えると、システムは直ちにアラームを発し、供給速度の増加や加熱出力の低下など、関連するパラメーターを自動的に調整して、その領域の温度を下げ、局所的な過熱のさらなる悪化を防ぎます。
供給速度と乾燥時間を調整して制御
乾燥装置の処理能力や材料の特性に応じて、最適な送り速度と乾燥時間の組み合わせを実験により決定します。供給ポンプの速度は可変周波数速度調整技術によって制御され、連続的に調整可能な供給速度を実現します。製造プロセス中、材料の乾燥度は、レーザー粒度分析装置による製品の粒度分布の検出や水分計による製品の水分含有量の検出など、オンライン検出装置によってリアルタイムに監視されます。テスト結果によると、長い滞留時間による過熱を避けながら、材料が乾燥室で乾燥プロセスを完了するのに十分な時間を確保できるように、供給速度と乾燥時間が適切に調整されています。
弾性率 3.4±0.1 の HLNAP-4 モデルなど、粉末ケイ酸ナトリウム製品のさまざまなモデルでは、原料組成や乾燥特性に違いがある可能性があるため、個別の供給速度と乾燥時間の制御計画を策定する必要があります。例えば、HLNAP-4を製造する場合、供給量は50〜80L/hに制御でき、乾燥時間は15〜25分に制御できます。実際の生産データの蓄積と最適化により、制御精度をさらに向上させることができます。
(IV) 高度な監視・分析技術の導入
オンライン監視技術の応用
オンライン赤外線温度計を設置して、乾燥プロセス中の材料の表面温度分布をリアルタイムで監視します。赤外線温度計は、非接触測定、応答速度の速さ、測定精度の高さという利点があります。材料の局所的な温度の異常な上昇をタイムリーに検出できます。赤外線温度計の監視データを乾燥装置の制御システムに接続することで、リアルタイムの早期警告と局所的な過熱の自動調整を実現できます。
オンラインレーザー散乱粒度分析装置を使用して、乾燥プロセス中の材料の粒度変化を継続的に監視します。粒子サイズの変化は、材料の乾燥と加熱の程度を反映している可能性があります。局所領域の材料の粒子サイズが突然増加する場合、その領域が過熱されて粒子の凝集が発生していることを示している可能性があります。乾燥パラメータを適時に調整することで、弾性率の変動を回避できます。
プロセス分析技術（PAT）の応用
近赤外分光分析技術を用いて、二酸化ケイ素や酸化ナトリウムの含有率などの材料の化学組成の変化をリアルタイムにモニタリングし、弾性率の変化の傾向を間接的に判断します。近赤外分光分析は、迅速性、非破壊性、リアルタイム性といった特徴を持っています。生産プロセス中にスペクトル データを継続的に収集し、ケモメトリック モデルを通じてスペクトル データを化学組成情報に変換し、生産プロセス制御のためのリアルタイム フィードバックを提供します。
生産プロセスの数学的モデルが確立され、リアルタイムの監視データと組み合わせて乾燥プロセスが動的にシミュレーションおよび予測されます。数学的モデルを通じて、材料の温度分布と弾性率に対するさまざまなプロセスパラメータの影響を分析することができ、起こり得る局所的な過熱問題を事前に警告し、生産プロセスの最適な制御を達成するためにプロセスパラメータを最適化することができます。

4. 桐郷恒力化学有限公司の実践と実績

無機シリコン製品の生産を専門とする企業として、桐郷恒力化学有限公司は粉末ケイ酸ナトリウムの生産における弾性率の安定性の管理を非常に重視しています。複合アトマイザーの使用や乾燥塔の内部構造の最適化など、乾燥設備の最適化・更新により、液滴サイズの均一性が大幅に向上し、乾燥工程における局所的な過熱現象が30％以上低減されました。同時に、材料の前処理リンクの撹拌と混合が強化され、液体水ガラスの濃度と粘度の均一性が確保され、その後の乾燥プロセスの安定した動作の基礎が築かれます。
プロセス制御の面では、同社は PLC ベースのファジィ PID 温度制御システムとオンライン赤外線温度計を導入し、乾燥温度の正確な制御と局所的な過熱のリアルタイム監視を実現しました。供給速度と乾燥時間のマッチングを最適化し、近赤外分光分析技術による弾性率のリアルタイムモニタリングと組み合わせることで、弾性率（M値）の変動幅を業界標準の±0.1要件を大きく上回る±0.05以内に制御し、製品の品質安定性を大幅に向上させました。
さらに、同社は完全な生産プロセス管理システムを確立し、従業員のトレーニングを強化し、局所的な過熱問題に対するオペレーターの認識と対応能力を向上させました。生産設備の定期的なメンテナンスにより、設備の正常な動作が保証され、設備の故障によって引き起こされる局所的な過熱や弾性率の変動がさらに軽減されます。