歧化松香酸鉀皂裝置原料松香質量評價吳玉龍

朱麗葉　邢遠志　王樹清

關鍵詞：歧化松香酸鉀皂;總固物;松香;質量評價;數學模型

松香是一種復雜混合物，根據來源劃分為脂松香、木松香和浮油松香。即使是品質最佳的脂松香，也會因產地、樹種不同而有較大質量差異[1]。市面上的松香質量參差不齊，缺乏系統的質量評價體系。

目前，歧化松香酸鉀皂生產企業普遍執行GB/T8145—2003《脂松香》中酸值、軟化點、不皂物、乙醇不溶物、灰分5項指標入廠分析。為了更加準確地表征，部分企業對每批入廠松香進行“小試”。經驗表明，生產實踐和入廠分析、“小試”的結果并不能一一對應。松香質量評價是質量和成本管理的現實課題。

在生產管理過程中，除了入廠分析結果，松香質量評價主要從松香外觀、單釜催化劑投加量、松香單耗和產品鉀皂外觀4個方面進行數據統計。其中，原料松香單耗統計的難點是缺乏有效的計量手段，沒有精度達標的流量計，沒有液位計。利用“計數投加的桶數×單桶凈重”核算松香單耗，一方面，無法定量分析系統存量對實測單耗的影響;另一方面，實測松香單耗發生異常波動時，無法準確分析影響因素。

行業內使用渦街流量計、金屬管轉子流量計都無法達到松香計量要求，容積式流量計精度較高，但存在頻繁卡澀故障，需要不斷清理，無法穩定運行。通過技術交流，有的廠商采用秤計量儲罐進料前后的質量變化判斷松香進料/出料量，此設計對儲罐和管線安裝有較高要求，需要消除設備、管線振動和應力造成的系統誤差。缺乏精度達標的松香計量手段是歧化松香酸鉀皂行業的共同難題。在此業務背景下，本研究建立了以下數學模型。

1皂化反應數學模型

皂化反應的實質是歧化松香中的樹脂酸和堿水中的KOH酸堿中和：

RCOOH+KOH→RCOOK+HO （1）

在生產實踐中，預加一定量的堿水、軟化水后放料（加入歧化松香），根據總固物分析結果和pH分析結果進行補水和補堿操作，使產品總固物和pH符合質量要求。

歧化松香中的不皂物、堿水中的軟化水（52.00%左右）、加入的軟化水并不發生化學反應。產品鉀皂中的“純度”用來描述脫氫樅酸鉀。產品鉀皂中的“總固物”是脫氫樅酸鉀、不皂物和未反應的KOH。根據質量守恒定律，可以列出公式（2）和公式（3）。

將公式（2）和公式（3）整理變形可以用于計算歧化松香量和補水量。

本研究介紹的數學模型，假設堿水濃度均一，預加堿和補堿全部參與化學反應生成水，存在一定誤差。在生產實踐中，利用Excel表格，操作人員錄入預加水量、預加堿量、補堿量、堿水濃度和目標總固物，自動計算單釜歧化松香量和補水量。分析結果證明，總固物控制精度達到±0.05%，建模假設引入的誤差可以接受。

目標總固物的調整目的是保證在原料松香中不皂物含量波動時，產品純度大于等于21.60%，尋求產品質量和生產成本的平衡點，調整幅度不大。產品鉀皂中的歧化松香、堿水和軟化水的比例相對固定。總固物分析取樣前，操作人員根據經驗利用pH試紙確認預加堿量和歧化松香量（未知）基本匹配。引入數據統計確定的比例系數，利用預加堿量計算預加水量，平均補水量控制精度達到250kg/釜（單釜產量20t/釜）。皂化總固物和pH平均分析頻次由“>2次/批”控制到“<2次/批”，在一定程度上減輕了分析工作量，節省了一定分析費用。

2松香單耗波動定量分析

原料松香和中間產品歧化松香缺少有效計量手段，目前，根據原料松香投加桶數確定松香投加量，據此計算松香單耗，無法確認松香單耗波動發生在歧化反應工序還是皂化反應工序，無法進行定量分析。根據松香單耗定義，整理變形得到公式（4）：

松香單耗的定量分析需要“1t歧化松香能生產的鉀皂量”和“生產1t歧化松香需要的松香量”兩個參數。“1t歧化松香能生產的鉀皂量”反映了皂化反應過程對松香單耗的影響，“生產1t歧化松香需要的松香量”反映了歧化反應過程對松香單耗的影響。

2.11t歧化松香能生產的鉀皂量

“1t歧化松香能生產的鉀皂量”的實質是產品鉀皂中歧化松香、堿水和軟化水的比例，影響因素包括目標總固物控制水平、歧化松香酸值和裝置損耗。通過數據模型計算出歧化松香量，利用“鉀皂產量/歧化松香量”計算。數據分析結果表明，本參數隨總固物控制水平呈線性波動，忽略歧化松香酸值和裝置損耗引入的誤差是可以接受的。

目標總固物控制水平確定后，可以通過歸納公式（5）計算確定參數“1t歧化松香能生產的鉀皂量”：

鉀皂/歧化松香=-0.213×總固物+9.704 （5）

2.2生產1t歧化松香需要的松香量

“生產1t歧化松香需要的松香量”的實質是原料松香中水分和松節油等輕組分的含量。鑒于原始的松香單耗統計方法，還要考慮松香入廠質量偏差、松香包裝桶厚度（包裝質量）。通過數據模型計算出歧化松香量，利用“歧化松香量歧化松香量+輕組分量/歧化松香量”公式計算。

松香輕組分的揮發主要發生在松香熔化和歧化反應兩個階段，只能部分回收。在裝置升級改造前，回收比例相對固定。輕組分量利用“輕組分回收量/單日歧化批次/輕組分回收率”公式計算。

輕組分回收量利用松節油儲罐液位對照表計算。松節油儲罐是立式儲罐，配有單法蘭差壓式液位遠傳。利用單法蘭液位計測量原理整理變形得到公式（6），得出儲罐1.00%液位代表的松節油質量，此計算方法的優勢是1.00%代表的物料質量與介質種類無關，可以消除松節油中含水對計算精度的影響。

液位遠傳量程×顯示百分數=ρ×g×h（6）

將單法蘭液位遠傳測量原理表達式的左右兩側同時乘以儲罐截面積S：

液位遠傳量程×顯示百分數×S=ρ×g×h×S=ρ×g×V=mg （7）

整理變形可得公式（8），用于計算V118AB1.00%代表的松節油質量：

m/顯示百分數=液位遠傳量程×S/g （8）

根據已知的松香單耗、目標總固物控制水平和輕組分回收量推算，本階段裝置輕組分回收率取值70.00%。

通過本研究介紹的松香單耗定量分析方法預測松香單耗誤差小于2kg/t。評價周期越長，精度越高。如果參數“生產1t歧化松香需要的松香量”偏大，說明松香單耗波動發生在歧化反應工序;如果參數“1t歧化松香能生產的鉀皂量”偏小，說明松香單耗波動發生在皂化反應工序。

如果通過本研究介紹的松香定量分析方法預測松香單耗與實測松香單耗偏差較大，利用裝置損耗率公式（9）和表1進行分析。

裝置損耗率的影響因素包括堿水計量精度、軟化水計量精度、產品鉀皂計量精度、輕組分回收率。本階段裝置損耗率取值1.20%。

2.3松香單耗影響因素

利用本研究介紹的兩個參數，對松香單耗的影響因素進行定量分析。松香單耗影響因素包括入廠質量偏差、松香包裝桶厚度、松香輕組分含量、松香不皂物含量。各因素的影響原理和判定方法如表2所示。

通過長期數據統計得出結論：20kg輕組分（或入廠質量偏差、松香包裝桶質量）/釜或0.10%目標總固物控制水平調整影響松香單耗1kg/t。

3松香采購比質比價臨界點

通常使用品質好的松香生產歧化松香酸鉀皂單耗低，但原料松香采購價格高。反之，品質差的松香單耗高、價格低。如果已知兩種松香的價格和單耗，可以計算成本相當的臨界點：

成本相當的臨界點=松香差價×價格高的松香單耗/價格低的松香價格 （10）

當“價格低的松香單耗-價格高的松香單耗>臨界點”時，購買價格高的松香原料成本低;當“價格低的松香單耗-價格高的松香單耗<臨界點”時，購買價格低的松香原料成本低。松香采購比質比價臨界點核算示例如表3所示。

4排查裝置串料、冒料事件

歧化松香酸鉀皂為間歇性生產，缺少高精度的流量和液位監視儀表，串料、冒料事件發生后難以發現。如果松香單耗高（實測松香單耗>計算松香單耗），而且入廠質量偏差和松香包裝桶厚度未見異常，推斷裝置可能發生了串料或冒料事件。

本研究的理論模型依托Excel實現了對原料松香單耗的定量分析，通過對歧化單釜催化劑投加量、原料松香外觀、產品鉀皂外觀進行統計和關注，能形成一套比較完整的松香質量評價體系。同時，理論模型實現了產品鉀皂總固物的定量計算和精確控制，挖潛增效25萬元/年，在確定松香采購比質比價臨界點、排查裝置串料或冒料事件過程中能發揮積極作用。