朱丽叶　邢远志　王树清

关键词：歧化松香酸钾皂;总固物;松香;质量评价;数学模型

松香是一种复杂混合物，根据来源划分为脂松香、木松香和浮油松香。即使是品质最佳的脂松香，也会因产地、树种不同而有较大质量差异[1]。市面上的松香质量参差不齐，缺乏系统的质量评价体系。

目前，歧化松香酸钾皂生产企业普遍执行GB/T8145—2003《脂松香》中酸值、软化点、不皂物、乙醇不溶物、灰分5项指标入厂分析。为了更加准确地表征，部分企业对每批入厂松香进行“小试”。经验表明，生产实践和入厂分析、“小试”的结果并不能一一对应。松香质量评价是质量和成本管理的现实课题。

在生产管理过程中，除了入厂分析结果，松香质量评价主要从松香外观、单釜催化剂投加量、松香单耗和产品钾皂外观4个方面进行数据统计。其中，原料松香单耗统计的难点是缺乏有效的计量手段，没有精度达标的流量计，没有液位计。利用“计数投加的桶数×单桶净重”核算松香单耗，一方面，无法定量分析系统存量对实测单耗的影响;另一方面，实测松香单耗发生异常波动时，无法准确分析影响因素。

行业内使用涡街流量计、金属管转子流量计都无法达到松香计量要求，容积式流量计精度较高，但存在频繁卡涩故障，需要不断清理，无法稳定运行。通过技术交流，有的厂商采用秤计量储罐进料前后的质量变化判断松香进料/出料量，此设计对储罐和管线安装有较高要求，需要消除设备、管线振动和应力造成的系统误差。缺乏精度达标的松香计量手段是歧化松香酸钾皂行业的共同难题。在此业务背景下，本研究建立了以下数学模型。

1皂化反应数学模型

皂化反应的实质是歧化松香中的树脂酸和碱水中的KOH酸碱中和：

RCOOH+KOH→RCOOK+HO （1）

在生产实践中，预加一定量的碱水、软化水后放料（加入歧化松香），根据总固物分析结果和pH分析结果进行补水和补碱操作，使产品总固物和pH符合质量要求。

歧化松香中的不皂物、碱水中的软化水（52.00%左右）、加入的软化水并不发生化学反应。产品钾皂中的“纯度”用来描述脱氢枞酸钾。产品钾皂中的“总固物”是脱氢枞酸钾、不皂物和未反应的KOH。根据质量守恒定律，可以列出公式（2）和公式（3）。

将公式（2）和公式（3）整理变形可以用于计算歧化松香量和补水量。

本研究介绍的数学模型，假设碱水浓度均一，预加碱和补碱全部参与化学反应生成水，存在一定误差。在生产实践中，利用Excel表格，操作人员录入预加水量、预加碱量、补碱量、碱水浓度和目标总固物，自动计算单釜歧化松香量和补水量。分析结果证明，总固物控制精度达到±0.05%，建模假设引入的误差可以接受。

目标总固物的调整目的是保证在原料松香中不皂物含量波动时，产品纯度大于等于21.60%，寻求产品质量和生产成本的平衡点，调整幅度不大。产品钾皂中的歧化松香、碱水和软化水的比例相对固定。总固物分析取样前，操作人员根据经验利用pH试纸确认预加碱量和歧化松香量（未知）基本匹配。引入数据统计确定的比例系数，利用预加碱量计算预加水量，平均补水量控制精度达到250kg/釜（单釜产量20t/釜）。皂化总固物和pH平均分析频次由“>2次/批”控制到“<2次/批”，在一定程度上减轻了分析工作量，节省了一定分析费用。

2松香单耗波动定量分析

原料松香和中间产品歧化松香缺少有效计量手段，目前，根据原料松香投加桶数确定松香投加量，据此计算松香单耗，无法确认松香单耗波动发生在歧化反应工序还是皂化反应工序，无法进行定量分析。根据松香单耗定义，整理变形得到公式（4）：

松香单耗的定量分析需要“1t歧化松香能生产的钾皂量”和“生产1t歧化松香需要的松香量”两个参数。“1t歧化松香能生产的钾皂量”反映了皂化反应过程对松香单耗的影响，“生产1t歧化松香需要的松香量”反映了歧化反应过程对松香单耗的影响。

2.11t歧化松香能生产的钾皂量

“1t歧化松香能生产的钾皂量”的实质是产品钾皂中歧化松香、碱水和软化水的比例，影响因素包括目标总固物控制水平、歧化松香酸值和装置损耗。通过数据模型计算出歧化松香量，利用“钾皂产量/歧化松香量”计算。数据分析结果表明，本参数随总固物控制水平呈线性波动，忽略歧化松香酸值和装置损耗引入的误差是可以接受的。

目標总固物控制水平确定后，可以通过归纳公式（5）计算确定参数“1t歧化松香能生产的钾皂量”：

钾皂/歧化松香=-0.213×总固物+9.704 （5）

2.2生产1t歧化松香需要的松香量

“生产1t歧化松香需要的松香量”的实质是原料松香中水分和松节油等轻组分的含量。鉴于原始的松香单耗统计方法，还要考虑松香入厂质量偏差、松香包装桶厚度（包装质量）。通过数据模型计算出歧化松香量，利用“歧化松香量歧化松香量+轻组分量/歧化松香量”公式计算。

松香轻组分的挥发主要发生在松香熔化和歧化反应两个阶段，只能部分回收。在装置升级改造前，回收比例相对固定。轻组分量利用“轻组分回收量/单日歧化批次/轻组分回收率”公式计算。

轻组分回收量利用松节油储罐液位对照表计算。松节油储罐是立式储罐，配有单法兰差压式液位远传。利用单法兰液位计测量原理整理变形得到公式（6），得出储罐1.00%液位代表的松节油质量，此计算方法的优势是1.00%代表的物料质量与介质种类无关，可以消除松节油中含水对计算精度的影响。

液位远传量程×显示百分数=ρ×g×h（6）

将单法兰液位远传测量原理表达式的左右两侧同时乘以储罐截面积S：

液位远传量程×显示百分数×S=ρ×g×h×S=ρ×g×V=mg （7）

整理变形可得公式（8），用于计算V118AB1.00%代表的松节油质量：

m/显示百分数=液位远传量程×S/g （8）

根据已知的松香单耗、目标总固物控制水平和轻组分回收量推算，本阶段装置轻组分回收率取值70.00%。

通过本研究介绍的松香单耗定量分析方法预测松香单耗误差小于2kg/t。评价周期越长，精度越高。如果参数“生产1t歧化松香需要的松香量”偏大，说明松香单耗波动发生在歧化反应工序;如果参数“1t歧化松香能生产的钾皂量”偏小，说明松香单耗波动发生在皂化反应工序。

如果通过本研究介绍的松香定量分析方法预测松香单耗与实测松香单耗偏差较大，利用装置损耗率公式（9）和表1进行分析。

装置损耗率的影响因素包括碱水计量精度、软化水计量精度、产品钾皂计量精度、轻组分回收率。本阶段装置损耗率取值1.20%。

2.3松香单耗影响因素

利用本研究介绍的两个参数，对松香单耗的影响因素进行定量分析。松香单耗影响因素包括入厂質量偏差、松香包装桶厚度、松香轻组分含量、松香不皂物含量。各因素的影响原理和判定方法如表2所示。

通过长期数据统计得出结论：20kg轻组分（或入厂质量偏差、松香包装桶质量）/釜或0.10%目标总固物控制水平调整影响松香单耗1kg/t。

3松香采购比质比价临界点

通常使用品质好的松香生产歧化松香酸钾皂单耗低，但原料松香采购价格高。反之，品质差的松香单耗高、价格低。如果已知两种松香的价格和单耗，可以计算成本相当的临界点：

成本相当的临界点=松香差价×价格高的松香单耗/价格低的松香价格 （10）

当“价格低的松香单耗-价格高的松香单耗>临界点”时，购买价格高的松香原料成本低;当“价格低的松香单耗-价格高的松香单耗<临界点”时，购买价格低的松香原料成本低。松香采购比质比价临界点核算示例如表3所示。

4排查装置串料、冒料事件

歧化松香酸钾皂为间歇性生产，缺少高精度的流量和液位监视仪表，串料、冒料事件发生后难以发现。如果松香单耗高（实测松香单耗>计算松香单耗），而且入厂质量偏差和松香包装桶厚度未见异常，推断装置可能发生了串料或冒料事件。

本研究的理论模型依托Excel实现了对原料松香单耗的定量分析，通过对歧化单釜催化剂投加量、原料松香外观、产品钾皂外观进行统计和关注，能形成一套比较完整的松香质量评价体系。同时，理论模型实现了产品钾皂总固物的定量计算和精确控制，挖潜增效25万元/年，在确定松香采购比质比价临界点、排查装置串料或冒料事件过程中能发挥积极作用。