合成脂肪族减水剂的间歇式和连续式工艺优劣比较

张锁俊 周兴庆

(江苏新华安全科学技术发展有限公司，江苏 扬州 225200)

1 引言

在混凝土技术突飞猛进的今天，高性能化渐渐成了混凝土产业的追求动力。混凝土外加剂在混凝土高性能化生产技术中扮演着不可或缺的角色，脂肪族减水剂就是其中的佼佼者。脂肪族减水剂的关键原料为羰基化合物，当pH值呈碱性时，能借助碳负离子的作用缩合生成一种脂肪族高分子链，同时借助亚硫酸盐加成羰基将磺酸基团引入分子链，得到一种在分子表面能够产生活性的高分子减水剂。近几年脂肪族减水剂凭借着低能耗、高性能及相对简单的生产工艺、实惠廉价的成本优势，广受专业人士青睐。脂肪族减水剂的合成工艺具有较大的优化潜力，生产工艺的细微差别都将直接影响脂肪族减水剂的产品性能和生产成本。

2 脂肪族减水剂及其作用机理

2.1 脂肪族减水剂简介

近代混凝土减水剂的发展已有60多年的历史。20世纪30年代初，美国、英国、日本等已经在各个建设工程中使用木质素磺酸盐类减水剂。到60年代，混凝土减水剂得到了较快发展。脂肪族减水剂是上世纪80年代发展起来的一种新型减水剂。它是以丙酮、甲醛、焦亚硫酸钠、亚硫酸钠等为主要原料，经过磺化、缩合反应而制得的阴离子高分子表面活性剂。它具有很多的优点:

(1)减水率高。

(2)含气量低，有利于制备高强、高性能混凝土。

(3)Na2S04含量低，冬季无结晶沉淀现象。

(4)取材来源广泛，成品性价比高。

2.2 减水剂的作用机理

由于水泥颗粒粒径绝大部分在7μm－80μm范围内，属于微细粒粉体颗粒范畴。对于水泥—水体系，水泥颗粒及水泥水化颗粒表面为极性表面，具有较强的亲水性。微细的水泥颗粒具有较大的比表面能，为了降低固液界面总能量，微细的水泥颗粒具有自发凝聚成絮团趋势，以降低体系界面能，使体系在热力学上保持稳定性。

由于水泥颗粒的絮凝结构会使10%－30%的自由水包裹其中，从而严重降低了混凝土拌合物的流动性。减水剂掺入的主要作用就是破坏水泥颗粒的絮凝结构，使其保持分散状态，释放出包裹于絮团中的自由水，从而提高新拌混凝土的流动性。减水剂分散减水机理主要包括:降低水泥颗粒固液体系界面能、体现静电斥力作用、体现阻止水泥颗粒接近的空间位阻斥力、在水泥颗粒表面形成一层具有一定机械强度的溶剂化水膜，提高了水泥颗粒表面的润湿性及润滑作用等几个方面。

3 两种典型的合成工艺优劣分析

人们发现合成脂肪族减水剂的生产工艺不同，所得成品的性能差异较大。通过试验测试研究发现，这些差异受到合成工艺中多个因素的影响。

(1)加料方式。不同的加料方式得到的产品的结构不一样，从而使产品的性能不一样。

(2)反应温度。分子之间的化合速度都与温度有关，温度过高，就会出现反应不好控制，造成原料的损失。但是缩合反应有希望能得到高温的支持，因此不同的反应历程和温度的高低有关。

(3)反应时间。磺化丙酮/甲醛缩合物的减水率一般随着时间的变化而变化。因为减水剂必须在一个合适的分子质量范围内才能发挥作用，而这个分子质量又和反应时间有关。因此，根据合成工艺不同而需要实现不同的控制点。

(4)返混程度。返混的影响是反应器进口处反应物高浓度区的消失或减低。返混改变了反应器内的浓度分布，使反应器内反应物的浓度下降，反应产物的浓度上升;返混的结果将产生停留时间分布，并改变反应器内浓度分布;返混不但对反应过程产生不同程度的影响，更重要的是对反应器的工程放大所产生的问题。

合成脂肪族减水剂的化工生产以两种典型的合成工艺为主，一种称之为间歇式生产，另一种称之为连续式生产。以下分别介绍这两种生产工艺过程并比较其优劣。

3.1 脂肪族减水剂的连续式合成工艺优劣分析

为了保证减水剂的不间断供应，在脂肪族减水剂的生产供应上连续式生产工艺已被广泛应用。连续式生产过程所涉及的反应器又包括塔式反应器及递进式串联反应器两种不同形式。本文以阶梯式多釜连续生产脂肪族减水剂为例，其合成流程主要分为(见图一):将部分磺化剂，甲醛和丙酮混合物投入加料釜中，混合，作为上液;将部分磺化剂，水和催化剂投入到带有搅拌装置的第一阶段反应釜中，作为下液;控制下液温度恒定(保持在45℃ －65℃)，使上液在2－4小时内滴完;将上一步骤中的物料连续流入带有搅拌装置的第二阶段反应釜中，保温65℃ －85℃，保温时间为0.5－2小时;再将第二步骤中的物料连续流入带有搅拌装置的第三阶段反应釜中，保温90℃ －100℃，出料，即制成脂肪族减水剂。

图一 连续式脂肪族减水剂合成工艺流程图

对于一定的化学反应，当物料处理量、物料的初浓度及终点转化率一定时，连续化生产工艺完成反应所需要的反应时间较长，究其原因，主要是因为连续式化工生产过程中存在物料返混现象，致使反应物浓度降低，使得反应的推动力降低，其结果就是反应时间长。采用本合成工艺生产脂肪族减水剂的优势是生产效率高，产品品质性能好，质量基本稳定，耗能少，投资少，成本低，特别适宜于规模化、产业化的生产。其缺点是首次组建生产设备用时较长，单批次生产投资相对较高;关键性的设施制作加工难度较高，必须把握好酮醛摩尔比。减水剂性能与酮醛摩尔比的关系是随酮醛摩尔比增加，减水剂分子量增大(表现为产物溶液黏度增大)，而后又下降。减水剂分散能力随酮醛摩尔比增加而提高，但当酮醛摩尔比继续增加时，分散作用反而下降。说明只有适当分子量的产物才具有较好的分散作用。所有连续式合成工艺对专业技术人才素质有一定的要求。

3.2 脂肪族减水剂的间隙式合成工艺优劣分析

脂肪族减水剂的间歇式合成工艺在国内处首选地位，尽管是间歇式，但反应过程依然存在，同样包含碱性条件下的羟醛缩合反应、丙酮和甲醛同磺化剂间的加成反应，最后的聚合反应等过程。经过基础反应，产生了能进行缩合反应的多羟基化合物并在碱性、高温条件下失水缩合，形成磺化丙酮/甲醛缩合物。间歇式脂肪族减水剂合成工艺是把甲醛和焦亚硫酸钠在预搅拌罐中混合溶解后，泵入加料罐中;丙酮和液碱按一定比例泵入反应釜中，在搅拌下升温至设定温度后恒温，开始滴加甲醛和焦亚硫酸钠的混合物，控制加料速度在预定时间内滴完;升温至70～100℃，恒温1.5～2.5 h，加水调节浓度，当温度小于50℃时不再搅拌，降温出料(见图二)。

图二 间歇式脂肪族减水剂合成工艺流程图

脂肪族减水剂的间歇式合成工艺也有自身的优势和不足。其优势是生产设备规模小，投资成本低，组建生产设备用时短，设备的维修容易，工艺操作容易，产品结构易调整，减水剂性能便于提高。其不足是产品质量不稳定，变率大;接近于传统的操作工艺，劳动量较大;存在高耗能、高耗损。间隙式工艺是生产规模小、生产品种多，小投资者的优选方式。

笔者认为，不同形式的合成工艺其优劣主要从三个方面进行比较:

第一，生产能力，即单位反应时间、单位反应体积所能得到的产物量。在满足生产成本和产品质量的前提下，应优先考虑生产效率高、生产能力大的工艺方式。

第二，产品质量。对复杂反应，必须充分考虑不同的工艺方式对产品质量的影响。

第三，生产成本。对于复杂反应，在选择工艺方式时，不仅要考虑产品质量，还要考虑生产成本能否承受。因为，工艺方式不同，则产品收率、原料消耗、分离提纯步骤、人工成本等往往差别较大。

因此在选择生产工艺时，应当从本企业实际出发，综合考虑上述三方面的因素。

4 小结

对比并分析合成脂肪族减水剂的连续式与间隙式两种不同的生产工艺，不难得出，目前我国脂肪族减水剂的合成工艺具有较大的优化潜力。有人提出采用半连续式生产工艺，折中以上两种工艺的不足，因为半连续式合成工艺具有以下优势:在投资方面远远低于连续式生产工艺、另外相对于连续式工艺来讲它在切换生产品种上也相对容易，并能够生产多种类型的减水剂、局部采用连续式工艺，易于操作，原料收率大体上与全连续式生产工艺一致;较之于间隙式生产工艺，半连续化生产工艺生产规模相对有所提高、生产效益也有一定的提升，另外该生产工艺的突出亮点在于它独特的生产灵活性。该生产工艺的产量也相当可观。

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